Verfahren zur Dosisoptimierung bei der Computertomographie im Kindesalter

Abstract

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. Since its introduction in a clinical routine setting the importance of Computed Tomography (CT) as an imaging modality has been continuously increased. Today CT is considered one of the most powerful diagnostic techniques in radiology. Due to its extended use CT currently accounts for the majority of medical radiation exposure in the general population [BfS 2005a]. Radiation protection issues are of particular importance for children because of their increased radiation risk [Chapple 2002]. In many cases the radiation exposure of CT examinations of children can be significantly reduced by simply optimizing the scan parameters [Kalra 2004]. The purpose of this study was to develop an interactive method that allows optimizing dose settings in CT examinations of children. This requires adapting scan parameters to the individual patient and his particular diagnostic issue. A tool that allows the direct illustration of the physical relationship between image quality and ensuing radiation exposure was considered a suitable approach. Another aim was to make the method adaptable for everyday practice and make it suitable for routine clinical use. To allow searching for dose optimized scan parameters for a specific setting, a dedicated software tool was developed. Within this application a total of 162 sample images selected from 328 typical cranial CT examinations (Siemens® Balance, Forchheim, Germany) can be directly compared. The underlying database classifies sample images into eight weight / age groups with different scan and reconstruction parameters. This image gallery is sorted by dose levels and documents the applied scan parameters. Using this tool the user can determine adequate scan parameters with minimum dose for a specific diagnostic task by selecting an appropriate example image with adequate signal to noise ratio from the gallery [Haras 2003]. A second step was aimed at refining the method. The basic principle of finding optimal scan parameters by selection from a set of sample images was kept. In order to improve comparability the sample images were not presented in the form of a casebook but rather in the form of a few typical patient studies with various simulated dose levels. To simulate scans at lower dose levels CT raw data were modified before image reconstruction with a prototype quantum noise adding software (Siemens® Somatom Noise+, Forchheim, Germany) [Haras 2006]. Altogether 329 CT raw datasets (Siemens® Sensation 16, Forchheim, Germany) of head, chest, abdomen and pelvis examinations were collected from five European University Hospitals (Germany / Switzerland / France). For each body region and weight / age group the most suitable datasets were chosen from this collection. Noise was added, so that standardized dose levels resulted and images were reconstructed. To make the method available on Siemens CT and image processing workstations, prototype software (Siemens® Patient Image Gallery, Forchheim, Germany) was developed that can be integrated into the Siemens standard software platform. With this approach the user has access to all common workstation functionality. Additionally he is able to select specific simulated sample images for each body region and weight / age group with the associated scan parameters, to vary the dose levels and to compare the result with images of typical standard examinations. A dose display allows estimating the impact of modifying the standard scan parameters. Graphical color coding is used to allow a quick visualization, whether the chosen examination parameters rather lead to higher or lower dose levels for the corresponding body region and weight / age group. Comparing the image quality of the associated examinations clearly demonstrates which information can be gained by increasing dose and which restrictions have to be accepted when reducing dose. During a technical evaluation the accuracy of the used noise adding software was verified by repeatedly scanning CT-Phantoms (head, chest, abdomen and pelvis phantom) with various dose levels. Noise was added to the CT raw data measured with the highest tube current setting so that the measurements performed with lower tube current settings were simulated. Image noise in corresponding structures of the original images and the simulated images was determined by using the CT workstation software. A linear regression analysis showed no significant difference (p << 0.0001). For a total of 57 comparisons the image noise difference was considerably lower than one HU with the exception of three outliers (1.2 HU; 1.9 HU; 2.4 HU). As part of a clinical evaluation was also checked whether the Patient Image Gallery allow extrapolating expected image quality in clinical routine use. Additionally the resulting change in dose level was determined [Honnef 2006]. 53 CT examinations were prospectively planned using the Patient Image Gallery. Four radiologists subsequently compared the image quality of the planning basis with the actual examination. The used protocols were also compared with weight-adapted pediatric protocols and with standard adult protocols. The statistical analysis was performed using Student s t-test. There was no significant difference (chest p>0.17; abdomen p>0.17; pelvis p>0.36) between the image quality of the planning basis and the image quality of the actual examination. In comparison to weight-adapted pediatric protocols using the Patient Image Gallery further decreased radiation dose markedly in abdomen (MW 41.7 %) and pelvis (MW 44.1 %) scans but not in chest (MW 0.7 %) scans. Compared to the standard adult protocols recommended by the manufacturer radiation dose was considerably decreased for all body parts, as expected (chest MW 75.7 %; abdomen MW 68.1 %; pelvis MW 65.9 %). The method developed is already being used in clinical routine for the optimization of CT examinations of children depending on body weight and the clinical question. Based on the sample examination the user can determine if the resulting image quality shows what he needs to see. In many cases this allows to substantially lower radiation exposure. The presented work is an example of a successful cooperation between medicine and medical industry.