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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