Verfahren zur Dosisoptimierung bei der Computertomographie im Kindesalter
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Zusammenfassung
Die Computertomographie (CT) als bildgebende Modalität hat seit ihrer Einführung im klinischen Alltag stetig an Stellenwert gewonnen. Sie zählt heute zu den aussagefähigsten diagnostischen Verfahren in der Radiologie. Der Trend zur Ausweitung der CT-Anwendungen hat aber dafür gesorgt, dass die CT für den größten Teil der medizinisch bedingten Bevölkerungsdosis verantwortlich ist [BfS 2005a]. Aufgrund des erhöhten Risikos bei der Untersuchung von Kindern hat das Thema Strahlenschutz hier eine besondere Bedeutung [Chapple 2002]. Zusätzlich besteht insbesondere bei CT-Untersuchungen von Kindern die Möglichkeit, durch Optimierung der Untersuchungsparameter die Strahlenbelastung in vielen Fällen erheblich zu reduzieren [Kalra 2004]. Ziel der Arbeit war, ein interaktives Verfahren zur Dosisoptimierung bei der CT im Kindesalter zu entwickeln. Die Untersuchungsparameter sollten auf den einzelnen Patienten und dessen spezielle Fragestellung abgestimmt werden können. Dazu sollte der physikalisch bedingte Zusammenhang zwischen Bildqualität und der damit verbundenen Strahlenexposition auf anschauliche Weise deutlich gemacht werden. Die Methode sollte den Anforderungen des klinischen Alltages entsprechen und für den Einsatz in der klinischen Routine geeignet sein. Um die Suche nach dosisoptimierten Untersuchungsparametern zu ermöglichen, wurde eine Software entwickelt, in der insgesamt 162 Beispieluntersuchungen aus 328 repräsentativen Schädeluntersuchungen (Siemens® Balance, Forchheim) direkt miteinander verglichen werden können. Die zugrunde liegende Datenbank ist in acht Gewichts- / Altersgruppen untergliedert und beinhaltet Bildbeispiele mit unterschiedlichen Scan- und Rekonstruktionsparametern. Innerhalb dieser nach Dosiswerten sortierten Bildergalerie werden dann die Untersuchungsparameter der jeweils zugrunde liegenden Untersuchung angezeigt. Damit kann der Untersucher im Vorfeld einer Untersuchung durch Auswahl eines auf den Patienten abgestimmten Beispielbildes mit für die Fragestellung ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis und möglichst geringer Dosis situationsspezifische Untersuchungsparameter ermitteln [Haras 2003]. In einem zweiten Schritt sollte das Verfahren weiterentwickelt werden. Das Grundprinzip der Optimierung von CT-Untersuchungsparametern anhand der Auswahl von Beispielbildern sollte unverändert bleiben. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu erreichen, sollten die Beispielbilder aber nicht als Fallsammlung vorliegen, sondern möglichst ausgehend von wenigen repräsentativen Patienten in verschiedenen Dosisstufen simuliert werden. Dazu sollten CT-Rohdaten bereits vor Durchführung der Bildrekonstruktion mithilfe einer auf quantenphysikalischen Grundlagen beruhenden, prototypischen Verrauschungssoftware (Siemens® Somatom Noise+, Forchheim) modifiziert werden [Haras 2006]. Insgesamt wurden dazu 329 CT-Rohdatensätze (Siemens® Sensation 16, Forchheim) von Kopf-, Thorax-, Abdomen- und Beckenuntersuchungen aus kinderradiologischen Abteilungen von fünf europäischen Universitätskliniken (Deutschland / Schweiz / Frankreich) gesammelt. Aus diesen Untersuchungen wurden dann die am besten geeigneten Datensätze als Repräsentanten für jede Körperregion und Gewichts- / Altersgruppen ausgewählt und in standardisierten Dosisstufen verrauscht und rekonstruiert. Um das Verfahren für die Siemens CT- und Bildbearbeitungskonsolen verfügbar zu machen, wurde anschließend ein Prototyp (Siemens® Patient Image Gallery, Forchheim) entwickelt, der in die Siemens Standardplattform integriert werden kann. Dem Anwender bietet sich dabei neben allen gewohnten Funktionen der Siemens Software auch die Möglichkeit, die simulierten Beispielbilder Gewichts- / Altersgruppen und Körperregionen spezifisch auszuwählen, das Dosisniveau zu variieren und die Aufnahmen mit zugeordneten Standardbildern von Untersuchungen mit allgemein üblichen Untersuchungsparametern zu vergleichen. Mithilfe einer Dosisanzeige kann jeweils abgeschätzt werden, welche Auswirkungen die Variation der Untersuchungsparameter gegenüber dem angezeigten Standardbild auf die Dosis hat. Eine Farbcodierung dient zusätzlich zur Orientierung, ob die ausgewählten Untersuchungsparameter mit einem eher hohen oder niedrigen Dosisniveau für die selektierte Kombination aus Gewichts- / Altersgruppe und Körperregion einhergehen. Durch Vergleich der Bildqualität der zugehörigen Untersuchungen wird dann deutlich, welcher Informationsgewinn durch eine höhere Dosis erreicht wird oder welche Abstriche bei reduzierter Dosis in Kauf genommen werden müssen. Um die Genauigkeit der Verrauschungssoftware zu überprüfen, wurden im Rahmen einer technischen Evaluation wiederholt Aufnahmen von CT-Phantomen (Kopf-, Thorax-, Abdomen- und Beckenphantom) in verschiedenen Dosisstufen durchgeführt. Die Rohdaten der Phantom-Messungen mit dem jeweils höchsten Röhrenstrom wurden mit der Verrauschungssoftware entsprechend der Messungen mit niedrigerem Röhrenstrom verrauscht und rekonstruiert. Das Bildrauschen in den Messungen und den Simulationen wurde in korrespondierenden Strukturen mit der CT-Gerätesoftware bestimmt. Bei einer durchgeführten Regressionsanalyse konnte kein signifikanter Unterschied (p << 0,0001) der Regression nachgewiesen werden. Die Unterschiede des Bildrauschens von 57 durchgeführten Vergleichen lagen mit Ausnahme von drei Fällen (1,2 HU; 1,9 HU; 2,4 HU) im Bereich von deutlich unter einem HU. Im Rahmen einer klinischen Evaluation wurde zusätzlich überprüft, ob anhand der simulierten Beispielbilder auch unter den Bedingungen eines Einsatzes in der klinischen Routine auf eine zu erwartende Bildqualität geschlossen werden kann. Ebenfalls sollte geklärt werden, wie sich das Dosisniveau im Vergleich zu Standarduntersuchungen beim Einsatz der Patient Image Gallery verändert [Honnef 2006]. Für diese Studie wurden 53 CT-Untersuchungen mithilfe der Patient Image Gallery geplant. Vier Radiologen verglichen im Anschluss daran die Bildqualität der Planungsgrundlage mit der Bildqualität der durchgeführten Untersuchung. Die verwendeten Untersuchungsparameter wurden zusätzlich mit an das Patientengewicht adaptierten Kinderprotokollen und mit Standard-Erwachsenenprotokollen verglichen. Die statistische Auswertung wurde mit einem T-Test nach Student durchgeführt. Es konnte kein signifikanter Unterschied (Thorax p>0,17; Abdomen p>0,17; Becken p>0,36) zwischen der Bildqualität der Planungsbilder und der Bildqualität der durchgeführten Untersuchungen nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Kinderprotokollen, die an das Patientengewicht adaptiert wurden, konnte mithilfe der Patient Image Gallery eine weitere, deutliche Dosisreduktion im Abdomen (MW 41,7 %) und im Becken (MW 44,1 %), jedoch nicht im Thorax (MW 0,7 %) erzielt werden. Eine beträchtliche Dosiseinsparung konnte erwartungsgemäß im Vergleich zu den vom Hersteller empfohlenen Erwachsenen-Standardprotokollen erreicht werden (Thorax MW 75,7 %; Abdomen MW 68,1 %; Becken MW 65,9 %). Das entwickelte Verfahren wird schon heute in der klinischen Routine zur Dosisoptimierung von CT-Untersuchungen bei Kindern in Abhängigkeit des Körpergewichts und der klinischen Fragestellung eingesetzt. Der Untersucher kann beurteilen, ob er auf der Beispielaufnahme das sieht, was er bei der geplanten Untersuchung sehen muss. Die Strahlenexposition wird damit in vielen Fällen deutlich gesenkt. Die vorgelegte Arbeit ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen Medizin und medizintechnischer Industrie.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen : VVB Laufersweiler 2008