En snilleblixt. Medicinsk informatik 20 november 2000 Digital bildbehandling och telekommunikation Datortomografi

Transkript

1 Medicinsk informatik 20 november 2000 Digital bildbehandling och telekommunikation Datortomografi Innehåll: Historik Teknik och fysik Bildkvalitet Spiralprincip Volume Zoom Historik En snilleblixt 1

2 Historik Historik J Radon Grundläggande matematiska principer för bildrekonstruktion 1930 talet Mekanisk CT 1961 Oldendorf Försök med medicinsk applikation med gamma strålning. Misslyckat pga brist på teknologi 1963/64 Cormack Rekonstruktion av enkla geometriska objekt. Använde gammastrålning Hounsfield Startade CT utveckling med hjälp av EMI. Bildrekonstruktion med dator. Gammastrålning i 9 dagar. 2,5 tim rekonstruktionstid. 1972/73 Första CT publikationen av Hounsfield (systembeskrivning) och Ambrose (klinisk beskrivning) 1973 Första kommersiella huvudskannern från EMI 1974 Första helkroppsscannern 1979 Nobelpriset i medicin till Hounsfield och Cormack 1979 Första kommersiella spiralscannern 1994 Första SUB sekund scannern 1998 Multislice CT CT vad e de för något? Teknik och fysik 2

3 Teknik och fysik CT från utsidan Gantry Patientbord Generator Manöverbord Dator Generator Patientbord Gantry Manöverbord Dator Teknik och fysik Hur fungerar CT? Röntgenrör Detektor och datainsamling Rekonstruktion & bildvisning 3

4 Teknik och fysik Bild generering - Snittet Röntgenstrålningen begränsas av en bländare, därför penetreras bara ett axielt plan i objektet (patienten), kallat snitt (engelska Slice) Datainsamling Teknik och fysik Röntgenrör och detektor roterar runt patienten I varje tänkt läge mäts patientens atenueringsprofil En sådan profil kallas en PROJEKTION På ett varv mäts projektioner Varje projektion skickas till bilddatorn för behandling 4

5 BILDBERÄKNING Teknik och fysik PREPROCESSING Data som kommer från detektorn innehåller fel pga elektriska och mekaniska toleranser i Gantry och mätsystem. Dessa fel mäts upp under tune-up vid installation eller rörbyte. Felen lagras i tabeller i datorn. Bild-datorn subtraherar bort dessa fel från detektorsignalen för att få fram en ren rådata. Denna rena rådata lagras på hårddisken för att kunna användas till ny bildberäkning senare. Teknik och fysik BILDBERÄKNING CONVOLUTION Convolution är en matematisk filtrering av rådatan för att ge den slutliga bilden rätt karaktär. Convolution kernel är filtret som används. I scanmoden väljs lämplig kernel för Head Boby Mjukdelar Skelett (High Resolution) 5

6 Teknik och fysik BILDBERÄKNING BACKPROJECTION Backprojektorn gör lägesbestämning av bildinformationen genom en utsmetningsmetod. Före utsmetningen räknas den solfjäderformade strålgången om till parallella strålar. Utan rätt convolvering (matematisk filtrering av rådata) erhålls luddig bild Blå = scanområde Grön = bildmatris Teknik och fysik BILDMATRIS Rekonstruktionsstorlek 50 x 50 cm Bildmatris på monitor Bildmatris Bildinformationen läggs i ett rutsystem Bildmatris Antalet rutor bestämmer upplösningen. En större matris kan visa mindre objekt 256 matris 50cm -256 pixel = 2mm 512 matris 50cm -512 pixel = 1mm 6

7 Blå = scanområde Grön = bildmatris Röd = förstorad bild Teknik och fysik Field Of View Genom att minska FOV kan mindre objekt visas Att ändra FOV är det samma som att förstora från rådata. Bildmatris på monitor 512 matris FOV= 50cm 50cm- 512 = 1mm 512 matris FOV= 25cm 25cm- 512 = 0,5mm Det går även att förstora en färdigräknad bild, MEN det ger INTE mer information. BILDMATRIS Teknik och fysik KOLUMN RAD Bildmatrisens minsta element kallas PIXEL Varje pixel motsvarar en volym Detta volymselement kallas VOXEL 7

8 Teknik och fysik CT skala, Fönsterinställning Varje pixel kan anta ett gråstegsvärde. Detta värde är ett mått på den fysikaliska egenskapen ATEUNERING (= försvagningen) Skalan sträcker sig mellan HU motsvarande luft och HU motsvarande hårt ben. Vatten ligger på 0 HU Vårt öga kan inte se och monitorn inte visa dessa 4000 gråsteg. För att vi ska kunna urskilja det vi vill se, tar vi en del av gråskalan i bilden och fördelar den över monitorns gråskala. Teknik och fysik Bild display - fönsterinställning Hounsfield unit Gråskala på monitorn vitt Window width W Window center C svart CT fönsterinställning Window width (W): täthetsområdet som visas på monitorns gråskala. Window center (C): mitten på täthetsområdet som visas på monitorns gråskala. 8

9 Teknik och fysik Bild display - Fönsterinställning CT skalans täthetsområde sträcker sig från till +3000, men vårt öga kan bara urskilja gråsteg. Lung Window Mediastinum Window Så, fönsterinställningen måste stämma överens med täthetsvärdet för organen vi vill visa Teknik och fysik Insidan av CT From the inside... Tube Röntgenrör Detektor Mätelektronik* DAS Detector * Data Acquisition System 9

10 Röntgenrör Teknik och fysik Mätfält objekt Detektor 672 detektorelement Referensdetektor Gantryöppning Mätfält Mätfältet (Scanfield) är mindre än gantryöppningen Referensdetektorn ger info till bilddatorn om mängden strålning. Är referensdetektorn placerad vid huvuddektorn finns risk att patienten skuggar och orsakar artefakter och felaktiga CTvärden. Teknik och fysik Mätsystem Känslighetsprofilen är lite konformad. Snittjockleken defineras i rotations-centrum Mätsystemet sett från sidan Rörbländaren begränsar strålningen till smal spalt. Detektorbländaren begränsar sekundärstrålning och inverkan av focusstorlek Bländarsystemet kan variera bredden på bländaröppningen och därigenom snittjockleken 10

11 Teknik och fysik Bländarsystem Bländarsystemet begränsar strålfältet och bestämmer därigenom snittjockleken i den scannade bilden Teknik och fysik MÄTSYSTEM Detektorn tar emot röntgenstrålningen och omvandlar den till en analog elektrisk signal Mätelektroniken omvandlar den analoga elektriska signalen till en digital signal. Den digitala signalen skickas till bilddatorn. 11

12 UFC UltraFastCeramic, Siemens patenterat detektormaterial av Gadolinium-oxid-keramik Teknik och fysik Detektortyper Xenon detektor Gasen joniseras av röntgenstrålningen Snabb, klarar SUB sekund scan Ingen temperaturkänslighet Servicebehov Absorbtionsförmågan beroende av kammardjup och tryck Halvledardetektor Hög absorbtionsförmåga Underhållsfri Temperaturkänslig Afterglow, om inte: Bildkvalitet Bildkvalitet, vad inverkar? Utrustning: Antal detektorer Typ av detektor Matrisstorlek Röntgenrör Filtrering av strålningen Antal projektioner Kollimering Snittjocklek Bildmonitor Laserkamera Framkallning Scantid Referensdetektorns placering Dos Strålkvalitet Avsökningsförfarande Stabilitet Miljö: Rörelse hos patienten Rörelse hos organ Använd dos Objekt, storlek sammansättning Optimerad inställning Positionering 12

13 Bildkvalitet, vad inverkar? Dosen Hög dos: + Lägre brus + God lågkontrastupplösning + Vackra bilder - Större rörbelastning - Hög patientdos Låg dos: Bör man eftersträva Bildkvalitet Bildkvalitet Bildkvalitet, vad inverkar? LÅGKONTRASTUPPLÖSNING Lågkontrastupplösningen är proportionell mot dosen som träffar detektorn Dos (mas) Algoritm (kernel) Snittjocklek Objektstorlek 13

14 Bildkvalitet, vad inverkar? HÖGKONTRASTUPPLÖSNING Bildkvalitet Pixelstorlek Snittjocklek Algoritm (kernel) Antal projektioner (scantid) Detektor Bildkvalitet, vad inverkar? HÖGKONTRASTUPPLÖSNING Bildkvalitet Pixelstorlek Snittjocklek Algoritm (kernel) Antal projektioner (scantid) Detektor OBS! dosen har ingen inverkan på högkontrastupplösningen 14

15 SNITTJOCKLEKEN Bildkvalitet Bildkvalitet, vad inverkar? Stor: God kontrastupplösning Lägre brus Liten: God geometrisk upplösning Mindre partiella volymartefakter Mindre streckartefakter Högre brus Bildkvalitet 50 ma 150 ma 110 ma 5mm, 3 HU 15

16 Simulation of of Catphan Phantom (20 (20 cm) cm) Bildkvalitet 15 cm 9 cm 3 cm 5 cm 1 HU 2 cm 10 HU 4 cm 7 cm 12 cm 3 HU 5 HU Spiralprincip Spiralprincip Spiraltekniken är en utveckling av den kontinuerliga rotationen Bordet förflyttas kontinuerligt under scannet 16

17 Spiralprincip Spiralprincip Patientdata (rådata) samlas in i ett spiralformat mönster Spiralens tjocklek bestäms av bländaröppningen Spiralens stigning bestäms av bordsförflyttningen Spiralprincip Spiralprincip Rörelsen interpoleras bort Bild kan beräknas i valfritt läge Snittjockleken bestäms i scanmoden för spiralen (vid multislice kan tjockare snitt beräknas) Rådata utan rörelse beräknas med linjär interpolation för valt bildläge 17

18 Spiralprincip Wide (360 ) Algoritm 2 x 360 (2 fulla rotationer) spiral data används för bild rekonstruktion. Fördel: Fler röntgenkvanta medför mindre brus Nackdel: Tjockare effektiv snittprofil Mätt spiral data Önskat läge för bild bords position Pitch: Spiral Parametrar Spiralprincip Bordsförflyttning per rotation dividerad med snittjockleken Pitch = Bordsförflyttning / rotation snittjocklek Även om bordsförflyttningen är större än snittjockleken, blir varje del av patienten avsökt utan luckor. Däremot blir varje del glesare avsökt, vilket medför mer brus i bilden 18

19 Spiral Parametrar Spiralprincip Pitch: Singelslice: Bordsförflyttning per rotation dividerad med snittjockleken Multislice: Bordsförflyttning per rotation dividerad med snittjockleken för en detektorad. (defineras ibland för summan av alla detektoraderna, varför man måste vara observant för använd terminologi) Pitch = Bordsförflyttning / rotation snittjocklek Spiral Parametrar Inkrement: Förflyttning mellan de framräknade bilderna Spiralprincip Bilder kan räknas fram överlappande, ner till 0,1mm mellan bilderna. Detta är viktigt speciellt för postprocessing av 3D och angiobilder. Härigenom kompenseras för att snittjockleken är för stor. En förbättrad upplösningen erhålls i patientens längsaxel 19

20 SOMATOM Volume Zoom Multislice Multislice Vad döljer sig bakom multislice No need to compromise in - slice width - volume coverage - examination time Up to 8 times the performance of a single slice spiral scanner 20

21 Multislice Volym... Volymavsökning i topogram hastighet Förbättrad undersökning av patienter som ej kan sammarbeta Optimalt bildmaterial med tunna snitt för postprocessing, t.ex. Virtuell Colonoscopy 5 mm Pitch s 40 s 30 cm 4x5 mm Pitch 6 5 s Multislice Adaptive Array Detector Den snabbaste detektorn i industrin: upp till 80 mm/s volym avsökning In mm 40 mm 21

22 Multislice Optimal klinisk prestanda med lägsta dos Tunna snitt, 0.5 mm för hög upplösning AAD Detektormellanrummet är minimerat vilket ger ett känsligt mätsystem med marknadens i särklass lägsta patientdos 2 x 10 mm 4 x 5 mm 4 x 2.5 mm 4 x 1 mm 2 x 0.5 mm SOMATOM Volume Zoom 8 bilder/sek Sure View Adaptiv interpoleringsalgoritm för valfri snittjocklek du får den snittjocklek du valt, oberoende av pitch 0,5mm snittjocklek 500 ms rotationstid Spirallängd 160 rotationer Steglöst valbar pitch Autom. ma kompensering för pitch Bildprocessor 1.5 bilder/sek Dubbelkonsol för maximalt arbetsflöde Multislice 22

23 Multislice Single Slice CT och Multislice Scanners av andra fabrikat Slice-width (FWHM of the SSP) FWHM / collimation LI 180LI Snittjockleken ökar vid större pitch mas (per per scannad volym) minskar vid större pitch Pitch Multislice Sure View: Ingen snitt breddning & konstant mas 4.5 Slice-Width (FWHM of the SSP) 2 ma for Constant Pixel Noise FWHM /Collimation No slice broadening with pitch Constant mas/dose due to varied ma 23

24 Multislice SureView: Konstant snitt känslighets profil 4*1mm Collimation, olika Pitch, 2mm Slice-Width Pitch 3: FWHM=2.05mm Pitch 5: FWHM=2.1mm Pitch 7: FWHM=2.1mm z in mm z in mm : kalkylerad :uppmätt z in mm SOMATOM Volume Zoom 8 bilder/sek Sure View, Adaptiv interpoleringsalgoritm för valfri snittjocklek du får den snittjocklek du valt, oberoende av pitch 0,5mm snittjocklek 500 ms rotationstid Spirallängd 160 rotationer Steglöst valbar pitch Autom. ma kompensering för pitch Bildprocessor 2 bilder/sek Dubbelkonsol för maximalt arbetsflöde Multislice 24

25 SOMATOM Workstream TM Concept Multislice Scanning Processing 3D Viewing Transparent DICOM Volume Navigator Volume Wizard 3DVirtuoso SOMATOM Volume Zoom 8 bilder/sek scanning Sure View,Adaptiv interpoleringsalgoritm för valfri snittjocklek du får den snittjocklek du valt, oberoende av pitch 0,5mm snittjocklek 500 ms rotationstid Spirallängd 160 rotationer Steglöst valbar pitch Autom. ma kompensering för Pitch Bildprocessor 1.5 bilder/sek Dubbelkonsol för maximalt arbetsflöde Multislice 25

26 Optioner Heart View Motion freezing speed Clear depiction of the coronaries 75 year old female with acute ischemic stroke Optioner With Stroke Patients: Time is BRAIN! Precontrast CT Flow Image Time to Peak Image *The information about this product is preliminary. The product is under development and not yet commercially available in the U.S., and its future availability cannot be ensured. 26

27 Optioner Get to the Point Faster with C.A.R.E. Vision CT! Real Time Guidance (up to 8 fps) Excellent Image Quality Low Risk Faster Procedures (up to 2/3 faster than non-fluoroscopic procedures) Shorter hospital stay Optioner Dental, baserad på MIP och MPR Definition av rekonstruktioner Lättanvänt Snabbt The creative power in CT. 27

28 Optioner 3DVirtuoso The Power To See It All Hur ska vi granska alla 1000 bilderna? Stereo, ett måste för kirurgerna 28

29 Nya användningsområde: t.ex colon Skelettundersökning på CT 29