Iterative Rekonstruktion – Klinische Anwendungen in der qualitäts- und dosisoptimierten Computertomographie
Creators: name: Kahn, Johannes
Publisher: name: Charité - Universitätsmedizin Berlin
Year: 2020
Subjects: subject: computer tomography
subject: dose reduction
subject: radiation dose
subject: iterative reconstruction
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit

description: Ein Hauptaugenmerk in der klinischen Weiterentwicklung der CT der letzten Jahre liegt auf der Verbesserung der Dosiseffizienz, d.h. es soll eine Dosisreduktion erreicht werden, ohne dabei diagnostische Qualitätseinbußen Bild in Kauf nehmen zu müssen. Die wachsende Sorge vor möglichen strahleninduzierten Erkrankungen durch die ionisierende Strahlung in der CT hat bei gleichzeitigem Anstieg der weltweit durchgeführten CT Untersuchungen entscheidend zu der Fokussierung auf diese Weiterentwicklung beigetragen. Ein vielversprechender Ansatz um dieses Ziel zu erreichen, ist die iterative Rekonstruktion (IR) der akquirierten CT Rohdaten, die ein qualitativ verbessertes Bild durch ein niedrigeres Bildrauschen erzeugt. Dieser Umstand kann wiederum dazu genutzt werden, dosisbeeinflussende Faktoren wie Röhrenspannung und –strom indikationsabhängig zu modifizieren, um so eine Dosiseinsparung bei konstanter Bildqualität zu erreichen. Wie jede Innovation muss auch die IR vor ihrer Implementation in die klinische Routine hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Grenzen getestet werden. Die in dieser Schrift zusammengefassten Arbeiten evaluieren die Bildqualität und das mögliche Dosisreduktionspotential der IR an verschiedenen Patientenkollektiven im Vergleich zum herkömmlichen Algorithmus der Bildberechnung – der filtered back projection (FBP) – und erarbeiten in einem schrittweisen Prozess konkrete Protokollempfehlungen für eine optimierte CT-Untersuchung. Zunächst wurde an einem primär gesunden Patientenkollektiv (Originalarbeit 1, Nierenspender, n=53) gezeigt, dass auch feinste anatomische Strukturen wie die Verästelung von Nierenarterien bei Einsatz der IR mit einer Dosisreduktion von etwa einem Viertel zuverlässig zu beurteilen sind. Originalarbeit 2 (n=177) zeigte die sinnvolle Einsatzmöglichkeit der IR bei adulten Patienten in der häufig angeforderten Kopf-CT. Bei vergleichbarer Bildqualität wurde hier eine Dosisreduktion von über 40% erzielt. In den Originalarbeiten 3 (n=78) und 4 (n=124) wurden Kollektive sehr junger Patienten untersucht, bei denen eine Reduktion der applizierten Strahlendosis insbesondere in Hinblick auf stochastische Strahlenschäden von außerordentlicher Bedeutung ist. Es konnte ein Stufenkonzept entwickelt werden, das in Abhängigkeit der individuellen Fragestellung eine Kombination aus Anpassung des Grades der genutzten IR und einer Röhrenspannungs-Reduktion zur Dosisreduktion anbietet, um bei diagnostisch ausreichender Bildqualität eine möglichst geringe Dosis gemäß des ALARA Prinzips zu applizieren. Die Originalarbeiten 5 (n=122) und 6 (n=61) untersuchten die Methode der IR bei polytraumatisierten Patienten, ein Kollektiv, bei dem eine herausragende Bildqualität zur zeitkritischen Detektion feiner, dennoch potentiell lebensgefährlicher Verletzungen von fundamentaler Bedeutung ist. Insofern werden in diesem Kontext hohe Anforderungen an Technik und Befunder gestellt. Es konnte eine konkrete CT-Protokollempfehlung ausgesprochen werden, die eine Optimierung der Untersuchungsparameter erlaubt und die optimale Bildqualität für spezifische Untersuchungsregionen gewährleistet. Gleichzeitig konnte mit der klinischen Implementation dieses CT-Protokolls in diesem Patientenkollektiv eine Dosisreduktion von 40% erreicht werden, von dem alle polytraumatisierten Patienten unseres Zentrums profitieren. Die vorliegende Arbeit soll somit einen Beitrag zur individualisierten, patientenbezogenen Optimierung des CT Untersuchungsprotokolls leisten, um den unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Fragestellung gerecht zu werden.
description: A major focus in the clinical development of CT in recent years has been on improving dose efficiency meaning a dose reduction should be achieved without having to accept diagnostic quality losses. The growing concern about possible radiation-induced diseases due to ionizing radiation in CT has contributed significantly to the focus on this development, while the CT examinations carried out worldwide have increased significantly. A promising approach to achieve this goal is the iterative reconstruction (IR) of the acquired raw CT data, which produces a qualitatively improved image through lower image noise. This fact can in turn be used to modify dose-influencing factors such as tube voltage and current depending on the indication, in order to achieve a dose saving with constant image quality. Like any innovation, the IR must be tested for its possibilities and limits before it is implemented in clinical routine. This work evaluates the image quality and the possible dose reduction potential of the IR in different patient groups compared to the conventional algorithm of image calculation - the filtered back projection (FBP) - and develops step-by-step process protocol recommendations for an optimized CT examination. First of all, it was shown in a primarily healthy patient collective (original work 1, kidney donors, n = 53) that even the finest anatomical structures such as the branching of renal arteries can be reliably assessed with a dose reduction of about a quarter when using IR. Original work 2 (n = 177) showed the sensible application of IR in adult patients in the frequently requested head CT. With comparable image quality, a dose reduction of over 40% was achieved. In the original works 3 (n = 78) and 4 (n = 124), collectives of very young patients were examined in whom a reduction in the applied radiation dose is of extraordinary importance, especially with regard to stochastic radiation damage. A step-by-step concept was developed which, depending on the individual question, offers a combination of adjusting the degree of IR used and a tube voltage reduction for dose reduction in order to apply the lowest possible dose in accordance with the ALARA principle. The original papers 5 (n = 122) and 6 (n = 61) investigated the method of IR in polytraumatized patients, a collective in which an outstanding image quality is of fundamental importance for the time-critical detection of fine, but potentially life-threatening injuries. A concrete CT protocol recommendation could be made, which allows optimization of the examination parameters and guarantees the optimal image quality for specific examination regions. At the same time, with the clinical implementation of this CT protocol, a dose reduction of 40% was achieved in this patient population, from which all polytraumatized patients of our center benefit. The present work is intended to contribute to the individualized, patient-related optimization of the CT examination protocol in order to meet the different requirements of the respective clinical question.