Hochauflösende Bildgebung und Volumetrie : Vergleich des Prototypen eines Volumencomputertomographen mit Flachbilddetektoren mit einem klinischen CT-System

Abstract

In dieser Arbeit wurden volumetrische Messungen mit einem Volumencomputertomographen mit Flachbilddetektoren (VCT) im Vergleich zu einem klinischen Mehrschicht-Computertomographen (MSCT) durchgeführt. Es wurde untersucht, wie genau beide Tomographen kleine Volumina im Bereich von Kubikmillimetern messen und inwiefern diese Messungen von verschiedenen Umgebungskontrasten beeinflust werden. Genormte Kunststoffkugeln, deren Durchmesser (1 mm bis 25 mm) durch eine Herstellerangabe zertifiziert war, wurden mit beiden Tomographen gescannt. Zur Simulation unterschiedlicher Umgebungskontraste waren die Messobjekte, deren HU-Wert in etwa dem des menschlichen Gewebes entsprach, jeweils von unterschiedlichen Medien (Luft, Wasser bzw. Kontrastmitteln) umgeben. Durch die Herstellerangabe war es möglich, den prozentualen Messfehler (PMF) bei den verschiedenen Messungen zu berechnen und eine Aussage über die Messgenauigkeit der Tomographen zu treffen. Von Luft umgebene Kunststoffkugeln (Hochkontrastbereich) mit einem Durchmesser von 3,5 mm 6 mm wurden vom VCT mit einem geringeren PMF gemessen (zwischen 0,09% und 4,5%) als mit dem MSCT (PMF zwischen 6% und 24%). Auch Kugeln mit einem Durchmesser von 6 mm - 15 mm wurden mit dem VCT erheblich genauer (PMF zwischen 0,09% und 2,7%) als mit dem MSCT (PMF zwischen 3,1% und 8,3%) gemessen. Bei geringeren HU-Differenzen zwischen den Kugeln und dem sie umgebenden Medium (Wasser bzw. Kontrastmittellösungen) war es mit dem VCT im Gegensatz zum MSCT jedoch meist nicht möglich, die Kugeln von der Umgebung zu segmentieren und somit auszumessen. Außerdem wurde eine Kunststoffkugel in 25 Teile geschnitten und die Kugelfragmente, deren einzelnes Volumen addiert dem Gesamtvolumen der ganzen Kugel entsprechen muss, von beiden Tomographen gemessen. Die von Luft umgebenen Fragmente wurden vom VCT (PMF 0,38 %) mit einem kleineren Fehler gemessen als vom MSCT (PMF 1,53 %). Bei geringeren Umgebungskontrasten wurden die Messwerte des MSCT gegenüber dem VCT jedoch zunehmend genauer. In einem weiteren Experiment wurde der minimale Kontrast einer Kugel zu deren Umgebung bestimmt, ab dem eine genaue Volumenmessung mit dem VCT erfolgen konnte. Ab einer Differenz von ca. 100 HU war eine Volumenbestimmung mit einem PMF von ca. 2% möglich. Zudem wurde die Fähigkeit beider Tomographen untersucht, minimale Volumenänderungen zu bestimmen. Die Volumenzunahme eines Latexballons, dem man mit einer Präzisionsspritze wenige Mikroliter Wasser injizieren konnte, wurde gemessen. Volumenänderungen von 10 µl wurden vom VCT ohne Messfehler bestimmt. Beim MSCT betrug der PMF 10%. Auch die Zugabe von 5 µl Wasser wurde vom VCT genauer (PMF 20 %) bestimmt, als mit dem MSCT (PMF 40 %). Die kleinste Volumenänderung von 1,667 µl wurde vom MSCT nicht wahrgenommen. Vom VCT wurde sie, wenn auch mit einem hohen Messfehler, registriert. Der Quellvorgang von Reiskörnern in Wasser wurde in einem Experiment über einen Zeitraum von ca. 35 Minuten verfolgt. Ihr Volumen wurde mit beiden Tomographen in vorgegebenen Zeitintervallen gemessen. Zusammengefasst lagen die Vorteile des VCT-Prototypen in einer deutlich höheren Ortsauflösung, was eine sehr exakte Volumenmessung mit geringeren Messfehlern ermöglichte und das Potential der VCT unterstreicht. Resultierend aus den unterschiedlichen Detektoreigenschaften der Tomographen, war der MSCT dem VCT lediglich bei Volumenmessungen im Niedrigkontrastbereich überlegen.Aufgrund der exakten Volumetrie im Hochkontrastbereich ist es mit der VCT möglich, die Wachstumsdynamik einer Struktur in kürzeren Scanintervallen als bisher festzustellen. Die Kleintierbildgebung und Spezialanwendungen in der Medizin können in hohem Ausmaß von diesen Eigenschaften profitieren. Ein klinischer Anwendungsbereich liegt u.a. bei der Lungentumordiagnostik. Durch eine frühere und genauere Feststellung der Tumorvolumenverdopplungszeit wäre eine schnellere Dignitätsbeurteilung eines Rundherdes als bisher möglich. Eine weitere klinische Einsatzmöglichkeit stellt die Osteoporosediagnostik dar. Durch die hohe Ortsauflösung des VCT gelingt eine sehr exakte Darstellung der trabekulären Knochenstruktur. Bis die VCT jedoch für die klinische Routine einsetzbar ist, bedarf es aber noch weiterer technischer Verbesserungen. In this analysis, volumetric measurements with Volumetric Computed Tomography (VCT) were compared to those of a multi-section CT (MSCT) scanner. The analysis investigated the precision with which both tomographers can measure objects with volumes of few cubic milimeters and how far the measurements were influenced by different contrast media in the surroundings of the objects. Standardized synthetic globes, whose diameters (1mm to 25 mm) were certified by the manufacturer were scanned by both tomographers. The globes CT-Number corresponded to those of human tissue. To simulate variations of their potential surroundings, the objects were scanned lying in air, water and various other media. Given the manufacturers certification it was possible to calculate the percentage error for any measurement and thus evaluate the metering precision of the tomographers. Globes with a diameter of 3,5 mm - 6 mm which were surrounded by air, were scanned by VCT and MSCT. As a result the percentage measurement error (PMF) for the VCT-scans was 0,09% to 4,5%, for the MSCT 6% to 24%. Globes with a diameter of 6 mm - 15 mm were also measured more precisely by VCT (PMF 0,09% - 2,7% for VCT and 3,1% - 8,3% for MSCT- scans). Scanned in a lower contrast (globes lying in water or contrast media) it was not possible to segment (and so to measure) the globes from their surroundings by VCT.In another experiment, one globe was cut in 25 parts and scanned by both tomographers. Given the fact that the volume of all 25 parts added is equal to the volume of the complete globe, it was possible to calculate the PMF for every scan. Fragments surrounded by air were scanned with a PMF of 0,38% by VCT and 1,53% by MSCT. At lower contrast, the MSCT measurements were more precise compared to VCT. In the next experiment, the minimal contrast of a globe to its surrounding that could make an accurate measurement by VCT was investigated. Starting with a difference of 100 CT-numbers, precise measurements could be done (PMF 2%).Furthermore, the ability to detect a minimal change of volume was tested by measuring the volume increase of a synthetic latex balloon. Using a calibrated syringe, it was possible to insert a defined small volume of water into the ballon in order to change its volume. A volume increase of 10 µl was measured without any error by VCT and with a PMF of 10% by MSCT. A water-injection of 5 µl was also detected more precisely by VCT (PMF 20%) than by MSCT (PMF 40%). The smallest increase in volume of 1,667 µl was registered by VCT with a high measurement error. By the MSCT it was not even detected.In another experiment, we analysed the maceration of rice grains in water within 35 minutes and measured their change of volume every seven minutes for both tomographers. All in all, the advantages of VCT to MSCT include its higher spatial resolution which enables very exact volume measurements and the illustration of defined anatomic structures. MSCT could only measure objects of lower contrast more precisely, resulting from a different X-ray-detector to VCT. Based on its superior spatial resolution VCT detects growth of even small structures accurately and within very short scan intervalls. Small-animal imaging and special applications in medicine can exceedingly benefit from its performance. A clinical area of application may be the diagnosis of lung tumors. An earlier and more precise determination of the tumors doubling time, finally leading to the right diagnosis, may become possible with VCT-imaging. It can also be recommended for the diagnosis of osteoporosis. Resulting from VCTs high spatial resolution the trabecular bone structur can be visualized very clearly. There are, however, still some technical improvements required until VCT is suitable for clinical routine.