title: Optimierung von Bewegungsbahnen in der Kegelstrahl-Tomografie
Creators: name: Fehlhaber, Felix
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::004 Datenverarbeitung; Informatik
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: Röntgen
subject: Kegelstrahl-Computertomografie
subject: Bewegungsbahnen
subject: bedarfsgerechte Bildgebung
subject: Reduktion
subject: Dosisreduktion
subject: Strahlenbelastung

description: 3D-Röntgenbildgebung hat sich zur Beantwortung komplexer klinischer Fragestellungen als ein unverzichtbares Hilfsmittel etabliert. Aufgrund herrschender technischer und wirtschaftlicher Limitationen in der Führung von Röntgenquelle und -detektor, wird bei einer Durchleuchtung die komplette Körperregion gleichmäßig mit Strahlung exponiert. Gleichwohl reagieren unterschiedliche Gewebearten im Körper auf Röntgenstrahlung unterschiedlich empfindlich. Radiolog∗innen versuchen deshalb grundsätzlich, bestimmte anatomische Strukturen nicht oder nur wenig zu exponieren. Dazu zählen u. a. Augenlinsen, Drüsengewebe wie Brust- und Schilddrüsen, Fruchtbarkeitsorgane und der Darm. Entsprechend wird eine gewichtete Gleichverteilung der Dosis in den Geweben angestrebt. Diese medizinische Anforderung wird bei der Umsetzung am Markt verfügbarer 3D-Röntgenbildgebungssysteme bisher unzureichend berücksichtigt. Bildgebungskomponenten eines 3D-Röntgensystems – Röntgenquelle und Röntgendetektor – werden sehr häufig auf kreisförmigen Bewegungsbahnen geführt. In der vorliegenden Arbeit wird die Fragestellung untersucht, inwieweit spezialisierte Bewegungsbahnen in der Kegelstrahl-Computertomografie die Strahlenbelastung empfindlicher anatomischer Strukturen reduzieren und dabei die Bildqualität weitestgehend erhalten können. Zur Beantwortung der Fragestellung werden Röntgenvorgänge entlang beliebiger Bewegungsbahnen vollständig virtuell abgebildet und physikalisch realitätsgetreu simuliert. Hierfür wurde eine bestehende, am Fraunhofer IPK, Berlin entwickelte Simulationssoftware für 3D-Röntgenbildgebung erheblich erweitert. Zunächst wurden im Rahmen dieser Arbeit die softwaretechnischen Voraussetzungen geschaffen, um medizinische Objekte und deren strahlenempfindliche und klinisch interessanten Regionen überhaupt zu erfassen und realistisch abzubilden. Für solche Simulationsobjekte – sog. Phantome – sind komplett neue Strukturen und Architekturen eingeführt worden. Darüber hinaus wurde die Messung der verabreichten Strahlendosis während der Simulation implementiert und gleichzeitig die Simulationszeit mehr als halbiert. Es wurden Metriken implementiert und untersucht, die die Bildqualität der rekonstruierten Volumenbilddaten objektiv erfassen und somit vergleichbar machen. Aufbauend auf den nun verfügbaren Leistungsmerkmalen wie Dosismessung, Abbildung anatomischer Strukturen mit medizinischen Daten, Erfassen der interessanten oder kritischen Region sowie einer Qualitätsbewertung der Bilddaten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Optimierungsalgorithmus umgesetzt. Dieser ermittelt optimale Bewegungsbahnen von Röntgenquelle und -detektor bezogen auf eine vorgegebene, klinische Fragestellung. Die resultierenden Bewegungsbahnen finden für die untersuchten anatomischen Strukturen eine optimale Balance zwischen geringstmöglicher Strahlenbelastung der empfindlichen Gewebe und maximal möglicher Bildqualität in den relevanten Regionen. Zur Verifikation des erarbeiteten Algorithmus sind in der vorliegenden Arbeit zunächst die entstandenen Methoden untersucht worden. Bei der Dosismessung zeigten sich die erwarteten Abhängigkeiten zur Photonenzahl und -energie. Die zwei eingeführten und untersuchten Qualitätsbewertungsverfahren (strukturell und gradientenbasiert) entsprachen für sich genommen den Erwartungen. Allerdings wurde die erwartete Korrelation zwischen diesen beiden Bewertungsverfahren nicht nachgewiesen, sodass im Algorithmus beide Qualitätsbewertungen angewendet werden müssen. Ferner wurde nachgewiesen, dass der Optimierungsalgorithmus immer in endlicher Zeit zu Lösungen findet und zielstrebig die Optimierungskriterien erreicht. Anschließend wurde in Experimenten die Simulation und Optimierung an zwei Phantomen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt – einem technischen Multi-Zylinder-Phantom und einem medizinischen Phantom des Beckens mit Keimdrüsen. Mit dem Multi-Zylinder-Phantom wurde die Funktionsfähigkeit des gesamten Algorithmus bestätigt. Bei der Bewegungsbahnoptimierung am Beckenphantom wurde eine Bewegungsbahn ermittelt, die die effektive Dosis um 99 % reduziert und dabei die Bildqualität um ca. 20 % verschlechtert. Gleichwohl die bei den Versuchen verwendeten Phantome nicht vollständig modelliert waren, wird die Dosisreduktion als nachgewiesen betrachtet. Abschließend wurde aufgezeigt, dass die implementierten Leistungsmerkmale in zukünftigen Arbeiten weiterentwickelt werden müssen, damit sie in der Praxis sinnvoll Anwendung finden können. Insbesondere die Modellierung der Phantome sollte detaillierter erfolgen und die Simulation weiter beschleunigt werden. Gleichzeitig ist diese Arbeit ein weiterer Schritt dahin, Röntgenbildgebung an den Bedarfen der Ärzt∗innen und Patient∗innen auszurichten und das untersuchte Gewebe tatsächlich nur so stark zu belasten, wie es unbedingt nötig ist.
description: 3D X-ray imaging has established itself as an indispensable tool for answering complex clinical questions. Due to prevailing technical and economic limitations in the guidance of the X-ray source and detector, the entire body region is evenly exposed to radiation during fluoroscopy. Nevertheless, different types of tissue in the body react differently to X-rays. Radiologists therefore always try to avoid or minimize exposure to certain anatomical structures. These include among others eye lenses, glandular tissue such as the mammary and thyroid glands, fertility organs and the intestines. Accordingly, the aim is to achieve a weighted equal distribution of the dose in the tissues. These medical requirements have so far been insufficiently taken into account in the implementation of 3D X-ray imaging systems available on the market. Imaging components of a 3D X-ray system – X-ray source and X-ray detector – are very often guided on circular trajectories. The present work examines the extent to which specialized trajectories in cone-beam computed tomography can reduce the radiation exposure of sensitive anatomical structures while maintaining image quality as far as possible. To answer the question, X-ray processes along arbitrary trajectories are completely virtually mapped and physically realistically simulated. For this purpose, an existing simulation software for 3D X-ray imaging developed at Fraunhofer IPK, Berlin was significantly extended. First of all, the software requirements were created in this work in order to capture and realistically depict medical objects and their radiosensitive and clinically interesting regions. Completely new structures and architectures have been introduced for such simulation objects – so-called phantoms. In addition, the measurement of the administered radiation dose during the simulation was implemented and at the same time the simulation time was more than halved. Metrics have been implemented and analyzed to objectively measure the image quality of the reconstructed volume image data and thus make it comparable. Based on the now available performance features such as dose measurement, mapping of anatomical structures with medical data, detection of the interesting or critical regions as well as a quality assessment of image data, an optimization algorithm is implemented as part of this work. The algorithm determines optimal trajectories of the X-ray source and detector in relation to a given clinical question. The resulting trajectories find an optimal balance between the lowest possible radiation exposure of the sensitive tissue and the maximum possible image quality in the relevant regions for the anatomical structures examined. To verify the algorithm developed, the methods developed were first examined in this study. The dose measurement showed the expected dependencies on photon number and photon energy. The two quality assessment methods introduced and investigated (structural and gradient-based) corresponded to expectations. However, the expected correlation between these two evaluation methods was not proven, so that both quality evaluations must be used in the algorithm. Furthermore, it was proven that the optimization algorithm always finds solutions in finite time and achieves the optimization criteria with determination. Subsequently, the simulation and optimization were carried out in experiments on two phantoms with different parameters - a technical multi-cylinder phantom and a medical phantom of the pelvis with gonads. The functionality of the entire algorithm was confirmed with the multi-cylinder phantom. During the trajectory optimization on the pelvic phantom, a trajectory was determined that reduces the effective dose by 99% while degrading the image quality by approx. 20%. Although the phantoms used in the experiments were not fully modeled, the dose reduction is considered proven. In conclusion, it is shown that the implemented performance characteristics must be further developed in future work so that they can be applied in practice in a meaningful way. In particular, the modeling of the phantoms should be more detailed and the simulation should be further accelerated. At the same time, this work is a further step towards aligning X-ray imaging with the needs of physicians and patients and only exposing the examined tissue to as much stress as is absolutely necessary.