Development and experimental implementation of a physical concept for quality assurance of new CT methods [Elektronische Ressource] / Claudia Christine Brunner

Description

PHYSIK–DEPARTMENTDevelopment and experimentalimplementation of a physical concept forquality assurance of new CT methodsDoktorarbeitvonClaudiaChristineBrunnerTECHNISCHE UNIVERSITÄTMÜNCHENTECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHENFachbereich StrahlenphysikDevelopment and experimental implementation of a physical concept for qualityassurance of new CT methodsClaudia Christine BrunnerVollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität Münchenzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaftengenehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Martin ZachariasPrüfer der Dissertation:1.Hon.-Prof. Dr. Herwig G. Paretzke2.Univ.-Prof. Dr. Franz PfeifferDie Dissertation wurde am 24.11.2010 bei der Technischen Universität München eingereichtund durch die Fakultät für Physik am 21.03.2011 angenommen.ContentsZusammenfassung 11. Introduction 31.1. History of Computed Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. Health risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3. Aims of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82. Theoretical background 112.1. Image reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.1. The filtered backprojection algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.2. The reconstruction algorithm OPED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 49
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

PHYSIK–DEPARTMENT

andvelopmentDexperimentale

implementationofaphysicalconceptfor

qualityassuranceofnewCTmethods

arbeitDoktor

onv

ClaudiaunnerBristineChr

TECHNISCHE

UNIVERSITÄT

MÜNCHEN

MÜNCHENTÄUNIVERSITTECHNISCHE

ysikStrahlenphachbereichF

Developmentandexperimentalimplementationofaphysicalconceptforquality
assuranceofnewCTmethods

ChristineClaudiaBrunner

VollständigerAbdruckdervonderFakultätfürPhysikderTechnischenUniversitätMünchen
zurErlangungdesakademischenGradeseines

Dissertation.genehmigten

NaturwissenschaftenderDoktors

Vorsitzender:Univ.-Prof.Dr.MartinZacharias
Dissertation:derPrüfer

1.Hon.-Prof.Dr.HerwigG.Paretzke
2.Univ.-Prof.Dr.FranzPfeiffer

DieDissertationwurdeam24.11.2010beiderTechnischenUniversitätMüncheneingereicht
unddurchdieFakultätfürPhysikam21.03.2011angenommen.

Contents

Zusammenfassung

oductionIntr1.1.1.HistoryofComputedTomography........................
1.2.Healthrisks....................................
1.3.Aimsofthiswork.................................

oundkgrbacTheoretical2.2.1.Imagereconstruction...............................
2.1.1.Thefilteredbackprojectionalgorithm..................
2.1.2.ThereconstructionalgorithmOPED...................
2.2.ThenewscanninggeometryCTdOr.......................
2.3.Imagequalityanalysis..............................
2.3.1.Fourierbasedapproach..........................
2.3.2.Image-spacebasedapproach.......................

vicesDegingIma3.3.1.FDAlaboratoryCTsystem............................
3.2.ClinicalCTscanner................................
3.3.C-armdevice...................................
3.4.NewCTdOrtechnology.............................
3.4.1.CTdOrdemonstrator..........................
3.4.2.CTdOrcombinedwiththeC-armdevice................
3.4.3.ImprovedCTdOrcombinedwiththeclinicalCTscanner.......

4.ocessingprData4.1.FDAlaboratorysystem..............................
4.2.ClinicalCTscanner................................
4.2.1.Analysisoftherawdata.........................
4.2.2.Analysisofthereconstructedimages..................
4.3.CTdOrcombinedwiththeC-armdevice....................
4.4.CTdOrcombinedwiththeclinicalCTsystem.................
4.4.1.Imagereconstruction...........................

1

3368

1111111518202225

3131333637373840

4343464652545858

v

vi

Contents

4.4.2.Analysisofthereconstructedimages..................65

69measurementsDose5.5.1.FDAlaboratorysystem..............................69
5.2.CTdOrcombinedwiththeclinicalCTscanner.................71
5.2.1.CalibrationoftheTLDs.........................71
5.2.2.Dosemeasurement............................72

6.Analysisofimagequality77
6.1.FDAlaboratoryCTsystem............................77
6.2.ClinicalCTsystem................................85
6.2.1.Rawdata.................................85
6.2.2.Reconstructedimages..........................88
6.3.CTdOrcombinedwiththeclinicalCTsystem.................97

OutlookandlusionsConc7.

103

A.MathematicsforthereconstructionoftheCTdOrdata107
A.1.CTdOrcombinedwiththeC-armdevice....................107
A.1.1.DataoftheC-armdevice.........................107
A.1.2.DataoftheCTdOrdemonstrator....................110
A.2.CTdOrcombinedwiththeclinicalCTsystem.................111
A.2.1.DataoftheCTdOrdemonstrator....................112
A.2.2.DataoftheclinicalCT..........................113

yliographBib

115

Zusammenfassung

UmderstetigsteigendenStrahlenbelastungdurchdieComputertomographieentgegenzu-
wirken,werden,unteranderem,neuartigeCT-Systemeentwickelt.ObdieseSystemeaber
tatsächlichmitwenigerDosisdiegleicheBildqualitäterzielen,mussmitgeeignetenVerfahren
untersuchtwerden.DeshalbbeschäftigtsichdieseArbeitmitneuenMethodenzurQualität-
sanalysevonCT-BildernundihrerAnwendungaufdieneuentwickelteCT-GeometrieCT
dOr.StandardmäßigwirddieBildqualitätheutemitaufFouriertransformationbasierenden
Methodenausgewertet,beidenendieAuösungmitderModulationsübertragungsfunktionund
dasRauschenmitdemRauschleistungsspektrumbestimmtwird.DabeiderFouriertransfor-
mationAnnahmengemachtwerden,dievondigitalenSystemennichterfülltwerden,wurdein
dieserArbeitzusätzlicheinpixel-basiertesVerfahrenverwendet,dasdieDatenimBildraum
analysiert.NachdemdieserAnsatzbishernuraufdie2-dimensionaleRadiographieangewen-
detwurde,musstenzuerstentsprechendeMethodenzurMessungundDatenverarbeitung
fürCT-BildermithilfebekannterSystemeentwickeltundgetestetwerden.Diesgeschahin
ZusammenarbeitmitderU.S.FoodandDrugAdministration,anderenLabor-CT-Systemdie
erstenUntersuchungendurchgeführtwurden.Außerdemwurdediebildraum-basierteMethode
auchaneinemkonventionellenCT-GerätdesKlinikumsrechtsderIsarderTechnischen
UniversitätMünchengetestetunddieErgebnissewurdenmitdenenderStandardverfahren
glichen.ervAnschließendwurdenbeideVerfahrenaufdieBilderdesCTdOrSystemsangewendet.Dazu
wurdedervorhandeneCTdOrDemonstratorsoumgebaut,dassernuninKombinationmit
einemklinischenCT-Gerätbetriebenwerdenkann.DieDatenverarbeitungwurdeimVergle-
ichzumVorgängerprojektdeutlichverbessertundfürdieKombinationmitCT-Datenoptimiert.
AußerdemwurdeerstmalsdieDosisimCTdOrgemessenundmitderDosisimherkömm-
glichen.ervCTlichenEszeigtesich,dassdurchdieAbschirmungendesDemonstratorsdieDosisimRingumüber
60%reduziertwird.DieBildqualitätbleibtjedochvorallemaufgrunddergeringenSensitivität
undAnzahlderimDemonstratorverwendetenDetektorenhinterdervonherkömmlichenCT-
zurück.GerätenDieAnwendungdesbildraum-basiertenVerfahrensaufdieverschiedenenSystemeergab,
dassderAnsatzeinendeutlichhöherenMess-undRechenaufwandmitsichbringtalsdie
Standardverfahren.DieEigenschaftendesbildgebendenSystemswerdenaberteilweisebesser
beschriebenalsdurchdieFouriermethoden.

1

oductionIntr1.

1.1.HistoryofComputedTomography

OrdinaryX-rayexaminationsoftheheadhadshowntheskullbones,butthebrainhadre-
mainedagray,undifferentiatedfog.Now,suddenly,thefoghadcleared.Withthesewords
ProfessorTorgnyGreitzawarded1979theNobelPrizeinPhysiologyandMedicinetoAllan
McLeodCormackandSirGodfreyHounsfieldfortheinventionofthecomputedtomography
(CT).TheirworkwasbasedonthefindingsofJohannRadon,anAustrianmathematician,that
thedistributionofamaterialormaterialpropertyinanobjectlayercanbecalculatedifthe
integralvaluesalonganynumberoflinespassingthroughthesamelayerareknown[Rad17].
Inthe1960s,AllanMcLeodCormackfromTuftsUniversityinMassachusetts[Cor73]andSir
GodfreyHounsfieldinHayes,UnitedKingdomatEMICentralResearchLaboratories[Hou73]
appliedthistheorytomedicalapplications.HounsfieldwasluckytoworkforEMI,whichmade
itsmoneythosedaysmostlywiththeenormoussuccessoftheBeatles,providingHounsfield
withalmostunlimitedfundingsforhisresearch[Goe10].Therefore,hewasabletobuildthe
firstprototypeofaCTscannerin1971.AnimageofitisshowninFig1.1aincomparisontoa
modernCTscannerinFig.1.1b.
ThetypeofCTscannerpresentedbyHounsfieldin1971iscalledfirstgenerationCT.It
consistedofasinglepencilbeamandasingledetectorelement,whichwererigidlyconnected.

(a)

(b)

Figure1.1:TheveryfirstCTprototypeinventedbyGodfreyHounsfield(a)andamodernCT
scannerforcomparison(b).(Source:Wikipedia)

3

4

oductionIntr1.

Thesourcewastranslatedacrossthepatienttoobtainasetof160parallelprojectionmeasure-
mentsinonedirectionasshownschematicallyinFig.1.2a[Hsi03].Thesource-detectorpair
wasthenrepeatedlyrotatedabout1°andsubsequentsetsofmeasurementswereobtainedduring
eachtranslationpassingthepatient.Inthiswaythescanofasingleslicetookseveralminutes,
whichledtosevereimagequalityproblemsduetopatientmotion.

Figure1.2:Firstgeneration(a)andsecondgeneration(b)CTscannergeometry.

Inordertoreducethedataacquisitiontime,thesecondgenerationofCTscannersuseda
sourcewithanarrowfanbeamandarowofdetectorstosamplethedata.Aschemeofthe
geometryisprovidedinFig.1.2b.Itallowedthecollectionofseveralprojectionsduringone
translationwhatmadethedataacquisitionsignificantlymoreefficientandwithabout20sec-
ondsperslicealsomuchfasterthanthefirstgenerationscanners.
Thethirdgenerationusesawidefanbeamcombinedwithanarcofdetectorsconcentric
tothesource,whichrotatesaroundthepatient(Fig.1.3).Thefanbeamandthesizeofthe
detectorislargeenoughsothattheentirepatientisinthefieldofviewineachprojection
andthetranslationalmovementisthereforeredundant.Theearlymodelsofthethirdgeneration
scannerssufferedfromproblemswithentangledcables,whichrequiredanalternatingclockwise
andcounterclockwiserotationofthegantry.Thesocalledslip-ringssolvedthisproblemand
clearedthewayforspiralCTdevices[Kal90].Nearlyallstate-of-artscannersonthemarket
todayarethirdgenerationspiralCTs.
Fourthgenerationscannerstriedtoovercomethedrawbacksofthethirdgeneration,suchas
detectorinstabilityandaliasing,withanencloseddetectorring,whichremainsstationaryduring
thescan,whilethex-raysourcerotatesaroundthepatient[Hsi03].Thisgeometryhoweversuf-
fersfromsevereproblemswithscatteredradiation,becauseeachdetectorcellreceivesphotons

1.1.HistoryofComputedTomography

Figure1.3:Thirdgenerationscannergeometry

5

overawideanglesothatnoeffectiveandpracticalscatterrejectioncanbeperformedbypost-
patientcollimation.Furthermore,thehugeamount