Einführung in die Medizinische Informatik 2023/24 - Teil 9 PDF

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2023/24 – Teil 9 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 6. Januar 2025 uni-siegen.de 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.2 Projektionsröntgen Entstehung von Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung tritt auf, wen...

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2023/24 – Teil 9 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 6. Januar 2025 uni-siegen.de 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.2 Projektionsröntgen Entstehung von Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung tritt auf, wenn beschleunigte Elektronen mit einem Atom in Wechselwirkung treten. Es entsteht: – Charakteristische Strahlung Wenn ein eintreffendes Elektron ein weiteres Elektron aus dem Atomverbund herausschlägt, rückt ein Elektron aus höheren Schalen unter Aussendung charakteristischer Strahlung nach. Dies erzeugt diskrete Strahlungs-„Peaks“ – Bremsstrahlung Wenn ein eintreffendes Elektron durch den Atomkern abgelenkt (und damit abgebremst) wird, wird Bremsstrahlung ausgesendet Dies erzeugt ein kontinuierliches Strahlungsspektrum Eigenschaften von Röntgenstrahlung – Ionisierende Strahlung – Photonenenergie zwischen 100 eV und einigen MeV – Wellenlängen zwischen 10 nm und 1 pm EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 4 Röntgenröhre Elektronenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen Einfachste Form: – Kathode: emittiert Elektronen und beschleunigt diese unter Hochspannung zur Anode – Anode: Aufprallen der Elektronen aus der Kathode und Eindringen in das Anodenmaterial Dabei interagieren sie mit dem Anodenmaterial und erzeugen charakteristische Strahlung und Bremsstrahlung. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 5 Aufbau einer Röntgenröhre Die eingebrachte Energie wird zu 99% in Wärme und nur zu 1% in Röntgenstrahlung umgesetzt. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 6 Röntgendetektoren Röntgenröhre Die von der Anode ausgesandten Röntgenquanten durchstrahlen das Untersuchungsobjekt und treffen in abgeschwächter Form auf einen Röntgendetektor, von dem sie für die weitere Bearbeitung zugänglich gemacht werden. Relevante Bewertungsgrößen – Geometrische Effizienz (Füllfaktor): Anteil der Detektorfläche, die zur Strahlendetektion genutzt werden kann Röntgendetektor EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 7 Röntgendetektoren Aufbau eines Festkörperdetektors (für die Verwendung in CT-Geräten) – Kollimator (antiscatter grid) Lässt nur Röntgenquanten aus einer Richtung parallel zu den Kollimatorblechen durch. – Szintillator (scintillation crystal) setzt Röntgenstrahlung in Photonen um. – Photodioden (photodiode) Wandeln die vom Szintillator erzeugten Photonen in ein elektrisches Signal um. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 8 Röntgendetektoren Flat-Panel-Detektor EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 9 Einfache Röntgenprojektion Guter Kontrast bei Objekten mit starker Absorption z. B. Knochen. Schlechter Kontrast bei weichen Geweben. Es wird jeweils die Dämpfung eines gesamten Körperdurchgangs pro Bildpunkt abgebildet. Damit liegen in Projektionsrichtung hintereinander angeordnete Gewebestrukturen quasi übereinander und führen zu Bildverwischungen. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 10 Einfache Röntgenprojektion Röntgenabsorption verschiedener Gewebetypen (Hounsfield-Skala) – Jeder Gewebetyp besitzt einen spezifischen Schwächungskoeffizienten µGewebe – Die CT-Zahl eines Gewebes betrachtet dessen Schwächungskoeffizienten in Relation zu Wasser gemäß der unten stehenden Formel. – Der so ermittelte Wert wird in Hounsfield-Units HU gemessen. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 11 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.3 Computertomographie Beispiele von CT-Aufnahmen EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 13 Beispiele von CT-Aufnahmen EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 14 CT-Geräte 2022 EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 15 Computertomographie Gantry Idee: – Man erzeuge Röntgenprojektionen einer bestimmten Körperregion aus vielen verschiedenen Winkeln. – Aus den so entstandenen Einzelprojektionen rekonstruiere man ein Schnittbild. – Ursprung der Bildrekonstruktion Radon-Transformation Patiententisch – Davon abgeleitetes praktisch relevantes Verfahren Gefilterte Rückprojektion Bedienkonsole EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 16 Radon-Transformation Für jeden Aufnahmewinkel γ wird die resultierende Strahlintensität nach dem Körperdurchgang pγ(ξ) über die gesamte Länge des Detektorarrays aufgetragen (ξ). Dies wird für alle relevanten Aufnahmewinkel vorgenommen (gewöhnlich ein Bereich von 180°). – Mathematisch entspricht dieser Vorgang der nach dem österreichischen Mathematiker Johann Radon benannten Integraltransformation, die dieser 1917 (!) einführte*. … * Johann Radon: Über die Bestimmung von Funktionen längs gewisser Mannigfaltigkeiten. In: Berichte über die Verhandlungen der Königlich-Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften zu Leipzig. Mathematisch-Physische Klasse. Band 69, 1917, S. 262–277 EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 17 Radon-Transformation … Grauwertcodiert und aufgetragen über einen Winkelbereich von 0° bis 180°entsteht daraus ein Bild, in dem die Positionen jedes einzelnen Objekts sinusförmig „verschmiert“ sind, ein Sinogramm. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 18 Radon-Transformation Beispiel: Sinogramm eines Körperquerschnitts EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 19 CT-Bildrekonstruktion Prinzip – Bilderzeugung: Projektion (Erzeugen des Sinogramms) EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 20 CT-Bildrekonstruktion Prinzip – Berechnung des Bildes des Körperquerschnittes: Rückprojektion EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 21 Bildrekonstruktion Einfache Rückprojektion – Man betrachte den Bildraum als Pixelmatrix. – Man addiere (integriere) für alle Projektionen den jeweils 6 gemessenen Wert auf alle Matrixelemente, die bei  5+4  4 9 winkelgerechter Rückprojektion getroffen werden. 3+2 5+2 Problem 5 3+5 7 13 – Man „verschmiert“ so den jeweiligen Einzelwert über einen 9 5+3 8 3+9 11 9 gesamten Streifen in der Matrix. 3 12 12 7 7 – Man sammelt in jedem Matrixelement auch akquirierte Daten 5+7 3+5 aus Bereichen, die nicht zum Zielpunkt gehören. 6 16 8 3+3 5 5+1 – In Folge erscheint das rekonstruierte Bild unscharf und 10 12 6 verwischt. 6 10 Abhilfe: Gefilterte Rückprojektion – Filterung: Die Projektionen werden mittels Hochpassfilterung 4 normiert. – d. h. man betrachtet nicht die absoluten Werte der einzelnen Matrixelemente, sondern die Unterschiede zwischen benachbarten Elementen (Kantendetektion). Prinzip der einfachen Rückprojektion EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 22 Bildrekonstruktion Die Anwendung der Filterung betont die Kanten in den Projektionen (die Grenzen zwischen anatomischen Strukturen entsprechen) und führt so zu einer weniger verwischten Darstellung. Beispiel: Bildrekonstruktion bei unterschiedlicher Anzahl von Aufnahmewinkeln NP gefiltert einfach EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 23 Weitere Rekonstruktionsverfahren Iterative, algebraische Rekonstruktion – Gegeben: Das Sinogramm der CT-Aufnahme (pi). – Aufgrund von Modellannahmen wird daraus das zugehörige Bild „geschätzt“ (aif). – Für das geschätzte Bild wird das Sinogramm berechnet und mit dem bekannten Originalsinogramm verglichen (aif-pi). – Die Abweichungen werden pixelweise berechnet und aus der maximalen Abweichung Korrekturwerte ermittelt. – Mit den Korrekturwerten wird ein neues Modellbild generiert. – Dieses Verfahren wird so lange wiederholt, bis die Abweichungen zum Originalsinogramm ausreichend klein sind. – Nachteil: Hoher Berechnungsaufwand (der jedoch mit heutiger Rechentechnik gut bewältigt werden kann). – Im Moodle-Bereich zur Vorlesung finden Sie einen Simulator, mit dem Sie die iterative CT-Rekonstruktion experimentell erproben können. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 24 Aufbau von CT-Geräten 1. Generation: Nadelstrahl (Pencil-Beam) – Röntgenröhre wird für jeden Aufnahmewinkel parallel zum Detektorarray geführt – Nadelstrahl erreicht jeweils ein einzelnes Detektorelement. EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 25 Aufbau von CT-Geräten Schleifringtechnik 2. Generation 3. Generation 4. Generation Fächerstrahl, 10° Fächerstrahl, 40° - 60° geschlossener Detektorring Erreicht mehrere Erreicht gleichzeitig 400 – 1000 Elemente Nur Röntgenquelle rotiert um Detektorelemente im Detektorbogen umlaufenden Detektorring gleichzeitig Detektor rotiert synchron zur Strahlquelle mit bis zu 5000 Elementen Erfordert immer noch Schleifringtechnik ermöglicht Setzt sich wg. hoher Kosten Bewegung der Röntgenröhre unterbrechungsfreie Rotation nicht durch EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 26 Detektoreinheit eines CT-Gerätes 3. Generation EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 27 Aufbau von CT-Geräten Ein CT-Gerät der 3. Generation in Aktion: – https://www.youtube.com/watch?v=ih_mTjMrrb0&list=WL&index=3 EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 28 Spiral-CT 1989 von Prof. Willi Kalender bei Siemens Medical Systems in Erlangen eingeführt. Voraussetzung war die Verfügbarkeit der Schleifringtechnik. Während der synchronisierten unterbrechungsfreien Rotation der Strahl- und Detektionseinheit bewegt sich der Tisch kontinuierlich unter der Gantry hindurch. Dadurch wird ein spiralförmiger Pfad über den gesamten Patientenkörper abgetastet. Dies ermöglicht eine zusammenhängende („scheibenfreie“) 3D-Aufnahme. ohne Voraussetzung war die Entwicklung der sog. z-Interpolation, die z-Interpolation Bewegungsartefakte sicher kompensieren kann. mit EMI - Vorlesung Teil 9 – 2024/25 29 Vielen Dank Prof. Dr. Kai Hahn Am Eichenhang 50 57076 Siegen [email protected] Einführung in die Medizinische Informatik 6. Januar 2025 30