Spektrale CT-Bildgebung

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Spektrale CT-Bildgebung19. APT Seminar – 3. Theo Schmidt –Symposium – Nürnberg

Ewald RößlPhilips Research Hamburg

13. Juni 2015

Übersicht

• Spektral Detektor CT

• Röntgentomographie mit Photon-zählenden Detektoren

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Übersicht

• Spektral Detektor CT

• Röntgentomographie mit Photon-zählenden Detektoren

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IQon – Spectral CT

Weltweiter erster Spektral Detektor CT

- Gleichzeitigkeit

- Retrospektiv

- Niedrigdosis

Z Eff

4

- Niedrigdosis

- Routine

Der IQon – Detektor• 16 x 16 x 2 Tile; pitch wie bei iCT

• Oberer Szintillator: niederenergetische Photonen

• Unterer Szintillator: hochenergetische Photonen

• Kein Filter zwischen den Schichten

• Seitwärtsgerichtete Photodioden für verbesserte

5

• Seitwärtsgerichtete Photodioden für verbesserte

Lichtausbeute

• Wolfram Schirmung gegen direkte Bestrahlung der

Photodioden, X-Talk Unterdrückung und

mechanische Robustheit

• 2mm dickes GOS im unteren Szintillator

(iCT: 1.4mm); Detektoreffizienz: >99%

Photo

Img.

Scatter

Img.

Photo Proj. Data

Scatter Proj. Data

Combined Proj.

Data

Conventional

Combined

Img.

Philips’

Spectral

Reconstruction

Spectral-Base Images

for all spectral results

and applications

-Mono Chromatic Images

-Virtual Non-Contrast Images

-Material Specific Images

-Material Removal Images

-Iodine Maps

-Effective Atomic Number

Philips‘ Spektrale Rekonstruktion

6

Modell für anti-

korreliertes Rauschen

Regularisierte

Log-Likelihood

funktion

Synchronisation mit

dem herkömmlichen

Bild

-Effective Atomic Number

-Electron Density

-Proton-Stopping Power Maps

…

Courtesy to A. Altman, GRAD CT, Haifa, Israel

Spektrale Materialtrennung

Ca

CaCa

Ca

II

I

Gammex Phantom Conventional CT image

7

Ca

Ca

Ca

IIICa

Courtesy to A. Altman, GRAD CT, Haifa, Israel

600

800

1000

1200

Conventional image - Gammex phantom

Ph

oto

ele

ctri

c

Scatter-plot diagram

Iodine

FBP Reconstruction

Ca

CaCa

Ca

II

I

Spektrale Materialtrennung

8

0 200 400 600 800

0

200

400

600

Ph

oto

ele

ctri

c

Compton Scatter

CalciumCa

Ca

Ca

IIICa

Courtesy to A. Altman, GRAD CT, Haifa, Israel

600

800

1000

1200

Ph

oto

ele

ctri

c

FBP Reconstruction

Iodine

Philips’ Spectral Recon

Ca

CaCa

Ca

II

I

Conventional image - Gammex phantomScatter-plot diagram

Spektrale Materialtrennung

9

0 200 400 600 800

0

200

400

600

Compton Scatter

Ph

oto

ele

ctri

c

CalciumCa

Ca

Ca

IIICa

Courtesy to A. Altman, GRAD CT, Haifa, Israel

10 Courtesy to E. Shefer CT, Haifa, Israel

Lesion CharacterizationPower of retrospective analysis

Lesion vs. Debris

Iodine no H2O [mg/ml]Conventional 120kVp

Images courtesy of Hadassah Medical Center, Jerusalem, Israel

Slide 3 – Clinical 10Increased Diagnostic Confidence

Slide 4 – Clinical 7

120kVp 200keV

Coronary Stenosis AssessmentReduced Calcium Blooming

200keV120kVp

Courtesy of UH Hospitals, Cleveland, OH, USA

Spectral Monochromatic 50keV Brain Example

CT R&D, GRAD, WCIP LabConfidential

FBP Philips’ Spectral Reconstruction

Übersicht

• Spektral Detektor CT

• Röntgentomographie mit Photon-zählenden Detektoren

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Von Schwarz-Weiss-, zu Farbbildgebung in der Röntgencomputertomographie Schwarz-Weiss

Bildgebung

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Farbbildgebung

Innovative Detektortechnologie

Prinzip des HalbleiterröntgendetektorsCadmium-Zink-Tellurid (CZT)

Elektronen

Löcher

Hochspannung

(~ 1000V)V

Röntgenphoton

CZT

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Kathode

17

Hochspannung

(~ 1000V)V

t

T1

DigitalesZählregister

DigitalesZählregister

T1

T2

…

TnT2

DigitalesZählregister

DigitalesZählregister

Tn

DigitalesZählregister

DigitalesZählregister

Pulshöhe ist indikativ für die Energie des Primärphotons

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

Anoden

Anwendungsgebiete in der Computertomographie

• Quantitative Bildgebung

• Reduktion der Strahlendosis

• Verbesserte räumliche Auflösung

• Verbesserung der Bildqualität

• Verbesserung der Differenzierung

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• Verbesserung der Differenzierung

von Weichteilgeweben

• Reduktion von Beam-hardening

• Neuartige bildgebende Methoden:

– e.g. K-Kantenbildgebung zur

selektiven Detektion von

spezifisch bindenden Kontrast-

mittelnVerbesserte Darstellung von Läsionen in Karotidenarterien durch K-Kantenbildgebung(Simulation)

Photon-zählender CT Prototyp

Parameter Spezifikation

Platform Philips iCT

Röhrenspannung [kVp] 80, 100, 120

Röhrenstrom [mA] 10-120

Fokusgröße [mmxmm] 0.6 x 0.7

Gantry Rotation [s] 0.75

Ortsauflösung [lp/cm] > 20

19

Ortsauflösung [lp/cm] > 20

Coverage im Iso-

zentrum [mm]

2.5

FOV [mm] 168

Sensor Material CZT

Installiert an Universität Lyon, Prof. Douek, Prof. Boussel 2015

Philips Research und Philips CT

Verbesserte räumliche Auflösung

20

Auflösungsphantom

Scan eines Beinphantoms

120kVp, 100mA, T=1s, SW=0.27mm

HU BildqualitätDelrin Phantom (Polyoxymethylene, POM), Dichte=1.41 g/cm3

Scan Parameter:• 120 kVp

• 100 mA

• Niedrigste E-schwelle : 30 keV

• 1s axialer scan , 360 deg.

• 2400 Projektionen

Phantom Größe

Gd

21

Phantom Größe• 13 cm Durchmesser

Gd and Ca in hoherKonzentration

HU Bild aus allen Energiebins

erzeugt

L: 0 HU, W: 1200 HU

Ca

HU Bildqualität – Delrin-Iod PhantomDelrin (Polyoxymethylene, POM), Dichte=1.41 g/cm3

Scan Parameter:• 120 kVp

• 100 mA

• 1s Scanzeit über 360 deg.

• 2400 Projektionen

22

Phantom Größe:• 13 cm Durchmesser

Iod Konzentration:

7.0, 3.5, 2.0, 1.0, 0.5, 0.25 mg/cm3

HU Bildqualität – Delrin-Iod

Linearität des Iodkontrast im HU Bild

y = 33,817x + 2,4355200

250

300

CT

Imag

e V

alu

e [

HU

]

HU Werte - ROI IodIodine

23

L 50HU / W 250 HU

y = 33,817x + 2,4355

R² = 0,9995

-50

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8

CT

Imag

e V

alu

e [

HU

]

Iodkonzentration [mg/cm3]

Spektrale MaterialtrennungGadolinium-Kalzium Trennung

Gd1 Ca

Gd1 : 36mg/cm3

Gd2 : 15mg/cm3

Gd3 : 7mg/cm3

24

Scan Parameter:• 120 kVp, 100 mA

• Niedrigste E-schwelle : 30 keV

• 1s axialer Scan , 360 deg.

• 2400 Projektionen

Phantomgröße• 13 cm DurchmesserL: 200 HU, W: 1500 HU

Gd3Gd2

Bild aus allenEnergiebins erzeugt

Messung der Spektralen Detektorantwortfunktion

Europäische Synchrotronquelle ID 17

25 In Zusammenarbeit mit Prof. P. Douek and Prof. L. Boussel, M. Sigovan, F. Peyrin

ESRF, Grenoble, France

Spektrale MaterialselektionMaximum-Likelihood Methode zur Materialtrennung

in Photo/Compton/Gd

• 120 kVp, 100 mA

• Niedrigste Energieschwelle: 30 keV

• 1s axialer scan , 360 deg.

• 2400 Projektionen

Photo-elektrischer Effekt Compton Effekt Gadolinium

26

L: 200 HU, W: 1500 HU

Imagegenerated from all energy bins !

• Sehr gute spektrale Materialtrennung

• Hohe Anforderung an spektrale Kalibration (Bildartefakte)

Gd1

Gd2 Gd3

Ca

Spektrale BildgebungMonochromatische Schwächungsbildgebung

50 keV

Gd1

Ca

51 keV

Gd1

Ca

K-Kante von Gd: 50.3 keV

CT# 50keV 51keV

Gd1 685 ± 135 1940 ± 135

Gd2 275± 120 775 ± 125

Gd3 185± 115 520 ± 100

Ca 935 ± 150 1000 ± 110

27

Gd1

L : 0 HU

W: 2000 HU

Gd1

185 HU

L : 0 HU

W: 2000 HU

Gd2 Gd2

Gd3 Gd3

520 HU

Spektrale Trennung von Gadolinium und KalziumQuantitative mono-chromatische Bildgebung

0,2

0,25

0,3

0,35

µ(E

) [m

m-1

]

Ca ROI

Ca

0,2

0,25

0,3

0,35

1]

Gd1 ROI

Gd

Gemessene Schwächung in Gd und Ca ROIs

28

0

0,05

0,1

0,15

0,2

10 30 50 70 90 110 130µ

(E)

[mm

E[keV]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

10 30 50 70 90 110 130

µ(E

) [m

m-1

E[keV]

Präzise Quantifizierung der Schwächung aus mono-chromatisch Bilder

Spektrale BildgebungCT Bildgebung aus einzelnen Energiebins

120keV, 100mA 1s axial scan

30keV - 50keV - 80keV -

L: 0 HU, W: 1200 HU

Gd

Ca

29

L: 0.023 mm-1

W: 0.046 mm-1Starke Reduktion von “Beam-Hardening”

Demonstration der spekralen Materialtrennung

3D Druck desselbigen 3D ModellsVirtuelles 3D Modell eines Herz CT Scans

Cavities filled with iodine orgadoliniumsolution

Gadolinium or iodine rod

30

Calciumrods

Spektrale MaterialtrennungGadolinium und Kalzium Trennung

HU image Compton Effekt

Compton

HU

31

Gadolinium Photoeffekt Photo

Gd

K-Kantenbildgebung von GadoliniumPhantomstudie: Stenosephantom

HU Bild MonoE 48 keV MonoE 52keV

Gd Basisbild(Volume rendering)

32

Scan Details120kVp, 100mA

48000 spiral CT

FOV (z) = 2,2 cm

Gd 7.8 g/cm3 = 50 mM

In Zusammenarbeit mit Prof. P. Douek and Prof. L. Boussel

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Spektrale Bildinformation – MonoE BildgebungEnergieabhängigkeit der Schwächung30 keV 40 keV 50 keV

Gd

Ca

34

51 keV 70 keV51 keV 60 keV

L : 0 HU, W: 2000 HU

Gd

Ca

HU – BildqualitätLinearität des Gadoliniumkontrast im HU Bild

y = 40,921x + 3,8957

R² = 0,9999

250

300

350

400

[HU

]

HU Werte – ROI GdGadolinium

35

-50

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8

CT

Imag

e V

alu

e [

HU

]

Gd Konzentration [mg/cm3]L 50HU / W 250 HU