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Computertomographie (CT)Computertomographie (CT)

Prof. Dr. Willi Kalender, Ph.D.

Institut für Medizinische PhysikUniversität Erlangen-Nürnberg

www.imp.uni-erlangen,de

InnovationsInnovations and and AdvancesAdvances in CT Technologyin CT Technology

A. Hardware A. Hardware ComponentsComponents-- MechanicalMechanical setupsetup-- XX--rayray sourcesource-- DetectorDetector-- DualDual --sourcesource systemssystems-- Dose Dose reductionreduction techniquestechniques

B. B. ReconstructionReconstruction AlgorithmsAlgorithms

C. C. ApplicationsApplications

3D Schnittbildverfahren3D Schnittbildverfahren

Vergleich der MethodenVergleich der Methoden

CT MR Ultraschall

Röntgenstrahlen Radiowellen Schallwellen

50 - 150 kV 5 -100 MHz 1 - 40 MHz

Ortsauflösung +++ ++ +

Kontrastauflösung ++ +++ -

Aufwand & Kosten mittel hoch niedrig

Risiko niedrig niedrig niedrig

Einzelschichtaufnahmen ���� ���� ����

Volumenaufnahmen ���� ���� ����

Energie / Frequenz

Signalquelle

Entwicklung der CT im historischen Entwicklung der CT im historischen ÜÜberblickberblick

18951895 W.C. RW.C. Rööntgen entdeckt eine 'neue Art von Strahlen',ntgen entdeckt eine 'neue Art von Strahlen',die spdie sp ääter nach ihm als Rter nach ihm als R ööntgenstrahlen benannt werdenntgenstrahlen benannt werden

19171917 J.H. Radon entwickelt die mathematischen GrundlagenJ.H. Radon entwickelt die mathematischen Grundlagenzur Errechnung von Querschnittsbildern aus zur Errechnung von Querschnittsbildern aus TransmissionsmessungenTransmissionsmessungen

19721972 G.N. Hounsfield und J. G.N. Hounsfield und J. AmbroseAmbrose ffüühren erste klinische hren erste klinische Untersuchungen mit Computertomographie durchUntersuchungen mit Computertomographie durch

19751975 erster erster GanzkGanzk öörpertomographrpertomograph im klinischen Einsatzim klinischen Einsatz19791979 Verleihung des Nobelpreises an Hounsfield und Verleihung des Nobelpreises an Hounsfield und CormackCormack19891989 erste klinische Untersuchungen mit Spiralerste klinische Untersuchungen mit Spiral --CTCT19981998 erste klinische Untersuchungen mit Mehrzeilenerste klinische Untersuchungen mit Mehrzeilen --SpiralSpiral --CTCT20002000 >30.000 klinische Spiral>30.000 klinische Spiral --CTCT--InstallationenInstallationen

a.p.a.p. laterallateral

RRööntgenaufnahmen des Schntgenaufnahmen des Sch äädelsdels

CTCT--Aufnahmen des GehirnsAufnahmen des Gehirns

19741974 19941994

Prinzip derPrinzip derRRööntgenntgen --Computertomographie :Computertomographie :

-- Abtastung einer ObjektschichtAbtastung einer Objektschicht

-- Rekonstruktion eines digitalen BildesRekonstruktion eines digitalen Bildesaus diskreten Bildelementen aus diskreten Bildelementen

Die folgenden Fragen diskutiert werden:Die folgenden Fragen diskutiert werden:

1. Was wird gemessen?1. Was wird gemessen?

2. Wie wird gemessen?2. Wie wird gemessen?

3. Wie wird ein Bild errechnet?3. Wie wird ein Bild errechnet?

4. Was wird im CT4. Was wird im CT --Bild dargestellt?Bild dargestellt?

1. Was wird gemessen?1. Was wird gemessen?Die IntensitDie Intensit äät I der Rt I der R ööntgenstrahlungntgenstrahlung

⇒⇒⇒⇒ ⇒⇒⇒⇒ die Schwdie Schw äächung Schung S

⇒⇒⇒⇒ ⇒⇒⇒⇒ der lineare Schwder lineare Schw äächungschungs --koeffizientkoeffizient µµµµµµµµ

deIdI ⋅−⋅= µ0)(

SI

Id= = ⋅ln 0 µ

µ = ⋅1 0

d

I

Iln

I I E e dEE r ds

E

= ⋅ ∫−∫ 00

( )( , )

max µ r

S d d d d dsi ii

n d

= ⋅ + ⋅ + ⋅ + = ==∑ ∫µ µ µ µ µ1 1 2 2 3 3

1 0

K

ffüür polychromatische Strahlung:r polychromatische Strahlung:

ffüür homogene Objekter homogene Objekteund und monochromatische monochromatische StrahlungStrahlungAbsorptionsgesetz für ein homogenes und ein

inhomogenes Objekt

Dicke d

Inte

nsitä

t

d

d

d1

2

3

ffüür kontinuierliche Objekte:r kontinuierliche Objekte:

Abtastung mitAbtastung mitTranslationTranslation / Rotation/ Rotation

2. Wie wird gemessen?2. Wie wird gemessen?Röntgenröhre

Kollimator

Kollimator

Detektor undMeßelektronik

Translation

Rotation

1616--slice CBCT system at slice CBCT system at thethe Institute of Institute of MedicalMedical PhysicsPhysics , Erlangen, Erlangen

z

y

x

FFäächerstrahlgeometrie (xcherstrahlgeometrie (x --yy--Ebene)Ebene)

Detektor (typ. 1000 Kanäle)

Röntgenröhre

Messfeld mitObjekt

x

y

yy

xx

Pro Detektorschicht und Umlauf werden etwa 1000 Projektionenzu je 1000 Kanälen akquiriert.

x

y

yy

xx

VollstVollst äändigkeit (xndigkeit (x --yy--Ebene)Ebene)

x

y

yy

xx

Jeder Punkt des Objekts muss aus einem Winkelinterv allder Länge 180°oder mehr gemessen werden.

BildberechnungBildberechnungdurch Rdurch R üückprojektionckprojektionmit und ohne Faltungmit und ohne Faltung

3. Wie wird ein Bild errechnet?3. Wie wird ein Bild errechnet?

-1000

-500

0

500

1000

(HU)

0 100 200 300 400 (mm)-1000

-500

0

500

1000

(HU)

0 100 200 300 400 (mm)

Röntgenröhre

Kollimator

Kollimator

Detektor und

Meßelektronik

Translation

Rotation

Faltung

Schwächungsprofil

1 Profil

3 Profile

n Profile

Rückprojektion

ohne Faltung mit Faltung

FilterFilter

Soft Standard Aufsteilend

y

S

x

∆x∆y

z

4. Was wird im CT4. Was wird im CT --Bild dargestellt?Bild dargestellt?

Der lineare SchwDer lineare Schw äächungskoeffizientchungskoeffizientgemittelt gemittelt üüber jedes Volumenelementber jedes Volumenelementin in HounsfieldHounsfield --EinheitenEinheiten

⋅Wasser

Wasser

GCT-Wert 1000 (HU)µ µ

µ

µG = linearer Schwächungkoeffizientdes Gewebes G

Die Die HounsfieldHounsfield --SkalaSkala

-

-1000

0

1000

2000

3000

KnochenfensterC/W 1000, 2500

C/W -50, 400

C/W -600, 1700

Mediastinum-fenster

Lungenfenster

CT-Wert, HU

Schichtbilder bieten verbesserten KontrastSchichtbilder bieten verbesserten Kontrast

RRööntgenbildntgenbildComputertomographieComputertomographie

CT-Werte

760

710

40

40

35

35

30

34

20

20

20

20

40

40

63

35

40

40

690 1738

760 1734

∑

Hoher lokaler Kontrast derWeichgewebestruktur

∆ −CT I I = =1 2Kontrast =

50%~~= 63 35 = 28− HU

Im CT-Bild:

Kontrast =

Im Röntgenbild niedriger Weichgewebskontrast durch Knochenüberlagerung bedingt

I I1 2−( + ) / 2I I1 2

=

1738 1734 −

(1738 + 1734) / 2100% == 0,23%

Im Röntgenbild:

Schichtbilder Schichtbilder bieten bieten verbesserten verbesserten Kontrast:Kontrast:eineinGedankenGedanken --experimentexperiment

a) b)

c) d)

GenerationsGenerations of of ApparatusApparatus in CTin CT

1. 1. TranslationTranslation / Rotation/ Rotation 2. 2. TranslationTranslation / Rotation/ Rotation

3. 3. ContinuousContinuous RotationRotation 4. 4. ContinuousContinuous RotationRotation

RotatingDetector

StationaryDetector Ring

1. Translation

60. Translation

1. Translation

12. Translation

PencilPencil beambeamPartial Partial fanfan beambeam

Fan Fan beambeam Fan Fan beambeam

19701970 19721972

19761976 19781978

>24h>24h 300s300s

5s5s5s5s

PrinzipaufbauPrinzipaufbauRöntgenröhre

Blende(fokusseitig)

Fächerstrahl

Blende(detektorseitig)

Detektor

Meßfeld

Anode

Kalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 and 19 90; 176:181-183

Start ofspiral scan

Path of continuouslyrotating x-ray tubeand detector

Direction of continuouspatient transport 0

0 t, s

z, mm

Spiral CT: Spiral CT: ScanningScanning PrinciplePrinciple

RSNA 2001 MSCT (M = 16)

RSNA 1989 SSCT (M = 1)

withoutwithout zz--InterpolationInterpolation withwith zz--InterpolationInterpolation

Image Image ReconstructionReconstruction in Spiral CTin Spiral CT

RSNA 1989

SpiralSpiral --CT CT zz--InterpolationInterpolation

Kalender WA et al. Radiology 1990; 176: 181-183

arbitrarily selected planar sliceat position z R

d

t

zj zR zj +d

measured spiral

distance

time

Linear interpolationbetween valuesat z j and z j+d

360º LI

RetrospectiveRetrospective choicechoice of of arbitraryarbitraryReconstructionReconstruction IncrementsIncrements (RI)(RI)

d

t

distance

time

s

Image1 Image

2 Image3 Image

4

RI

s

Image1 Image

2 Image3 Image

4

RI

S - slice collimation, mmd - table feed per 360°rot., mm

t - scan time per 360°rot., sp - pitch = d / (M·S)

RI - reconstruction increment, mm

M·S - total beam collimation, mmM - # of slices acquired simultan.

InfluenceInfluence of of thethe ReconstructionReconstruction IncrementIncrement RI RI on on SpatialSpatial Resolution in Resolution in thethe zz--DirectionDirection

MPR MPR imagesimagesof of thethe EuropeanEuropeanSpineSpine PhantomPhantom((scannedscanned withwith an an inclinationinclination of 25of 25 °°))

RI = 1 mmRI = 3 mm

S = 3 mm, d = 3 mmS = 3 mm, d = 3 mm

Kalender WA. Computed Tomography. Wiley, New York 20 01