Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Personalisierte Dosimetrie in der CT

05.12.2016

Computertomographische Aufnahmen sind aus dem modernen Klink Alltag nicht mehr wegzudenken und haben in den vergangen Jahrzehnten eine rasante Entwicklung durchlebt, sodass es in der heutigen Zeit möglich wurde, dynamische Prozesse im Körper zu untersuchen, wie etwa die Durchblutung des Herzens zur medizinischen Diagnostik. Kardiovaskuläre Erkrankungen zählen zu den häufigsten Todesursachen in Europa. Die zeitaufgelöste Flussdynamik  des Blutes durch die Herzkranzgefäße (Perfusionsstudie) ist ein zuverlässiger Indikator zur Früherkennung einer koronaren Herzerkrankung und ermöglicht ihre Behandlung in einem frühen Stadium. Die Verwendung von bildgebenden Verfahren (z. B. MRT, CT) erlauben eine nicht-invasive Strömungsmessung, welche weniger Komplikationen verursachen als konservative Katheter Untersuchungen. Jedoch ist die quantitative Flussbestimmung aus diesen Verfahren bisher wenig erforscht und die Ergebnisse variieren je nach verwendeter Methode und Datenauswertung. Im Rahmen eines europäischen EMPIR Projektes „Metrology for multi-modality imaging of impaired tissue perfusion“ (15HLT05) soll durch die Entwicklung neuer Standards, Prozeduren und Analyseverfahren eine höhere Zuverlässigkeit und eine bessere Vergleichbarkeit geschaffen werden. Bei der Verwendung eines Computertomographen für dynamische Perfusionsstudien an den Herzkranzgefäßen ist die Strahlungsbelastung des Patienten während einer derartigen Untersuchung nicht unerheblich, weil  mehrfache Scans des gesamten Herzens erforderlich sind. Deshalb ist eine genaue Untersuchungsplanung notwendig um die applizierte Dosis so gering wie möglich zu halten. Heutige Verfahren zur Berechnung der effektiven Dosis des Patienten in der CT basieren auf phantombezogene Messgrößen, aus denen mit berechneten Konversionsfaktoren für Standardpatienten und einem Referenzscanner die effektive Dosis abgeschätzt wird. Diese Art der Abschätzung berücksichtigt weder patientenspezifische Besonderheiten wie Größe und Gewicht noch die neuesten Entwicklungen in der CT Technik, wie z.B. Mehrschicht- und Fächerstrahlaufnahmen oder Röhrenstrommodulation. Sie sind daher mit großen Unsicherheiten behaftet. Im Rahmen dieses Projektes wurde die Erarbeitung einer personalisierten Dosimetrie für die Computertomographie als ein Arbeitspaket definiert. Damit werden die an der PTB bereits begonnenen Arbeiten auf diesem Gebiet fortgesetzt um die Unsicherheiten in der Bestimmung der effektiven Dosis des Patienten zu verringern und die Messtechnik für den klinischen Einsatz zu erweitern. In einem neuen Verfahren werden die vom Patienten aufgenommenen Schnittbilder in Kombination mit Scanner-spezifischen Kenngrößen als Parameter einer Monte-Carlo Simulation verwendet um die Dosis im Gewebe des Patienten zu berechnen. Der Fortschritt in der Parallelisierung von Prozessen und die Verwendung moderner GPUs verkürzen die Rechenzeiten erheblich und binnen weniger Minuten lässt sich unter Verwendung kommerziell erhältlicher Software (z.B. das ImpactMC  Simulationspaket der Firma CT Imaging) eine Simulation der Dosisverteilung anhand von CT-Aufnahmen erzeugen. Für eine korrekte Berechnung müssen jedoch wesentliche Scanner-spezifische Kenngrößen experimentell ermitteln werden, weil diese aus Wettbewerbsgründen der Geheimhaltung unterliegen. Dazu werden Methoden zur nicht-invasiven Bestimmung des Photonenfluenzspektrums und der äquivalenten Strahlungsformfilter verwendet, die bereits an der PTB entwickelt wurden [1]. Unter Berücksichtigung neuester, publizierter Verfahren werden im Rahmen des Projektes diese Techniken verbessert, sodass sie in klinischer Umgebung anwendbar werden. Hierbei spielen insbesondere die Messdauer und der Installationsaufwand der Messausrüstung eine erhebliche Rolle, die man so gering wie nur möglich halten möchte. Die Bestimmung des Photonenspektrums geschieht über die Messung der Halbwertsschichtdicken wobei in herkömmlichen, zeitintensiven Verfahren die Strahlungsintensität als Funktion steigender Aluminiumfilterdicken im Service Mode des CT Scanners bestimmt wurde. In diesem Modus, dessen Verwendung im allgemeinem dem Service Techniker vorbehalten ist, befindet sich die Röntgenröhre in einer festen Position und rotiert nicht wie im üblichen Standard Scan Modus um das Isozentrum der Gantry. Mit einer veränderten Prozedur und einem speziellen Messaufbau ist es jedoch möglich die Schwächungswerte auch im Standard Scan Modus mit rotierender Röntgenröhre zu erhalten, wobei die reine Messdauer auf wenige Minuten reduziert wird. Für die Durchführung ist außerdem kein Service Techniker notwendig sondern kann von eingewiesenem Klinik-Personal durchgeführt werden. Dieses Verfahren lässt sich auch mit bekannten Techniken zur Bestimmung der äquivalenten Strahlformfilter kombinieren (COBRA-Methode [2]), sodass innerhalb kürzester Zeit alle Messdaten zur Charakterisierung des Computertomographen mit minimalem Aufwand gewonnen werden können. Unter Verwendung des PTB-eigenen Forschungs-CTs werden diese Techniken verfeinert und getestet. Neben einem Prototyp der Ausrüstung befindet sich auch eine Software zur Datenanalyse in der Entwicklung, um die vorgenommenen Messungen mit minimalem Zeitaufwand auswerten zu können. Die anschließende Dosis-Simulation unter Verwendung der ermittelten Scanner-spezifischen Daten wird auf ihre Genauigkeit getestet, indem die Ergebnisse aus den Simulationen mit Messungen der Dosis in anthropomorphen Phantomen verglichen werden. Im weiteren Projektverlauf wird die Methode an verschiedenen Scannern in Kliniken, wie z.B. dem Klinikum Braunschweig, der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) und dem Projektpartner HUS Medical Imaging Centre in Helsinki, ebenfalls mit anthropomorphen Phantomen auf die Praxistauglichkeit hin untersucht.

Literatur

  1. B. Alikhani und L. Büermann:
    Non-invasive experimental determination of a CT source model
    Phys. Med. 2016 Jan; 32(1):59-66.
  2. J. M. Boone:
    Method for evaluating bow tie filter angle-dependent attenuation in CT: Theory and simulation results
    Med. Phys. 37, 40 (2010).