Rekonstruksjonsteknikker i CT

Bruken av CT øker, og med den stråledosen til pasientene. Raskere datamaskiner gjør det nå mulig å ta i bruk en "gammel" teknikk som gir lavere stråledose og bedre bildekvalitet.

av Anne Catrine T. Martinsen og Hilde Kjernlie Andersen, Seksjon for diagnostisk fysikk, Intervensjonssenteret, Oslo Universitetssykehus

Rekonstruksjonsteknikker i CT
Eksempel på filtrert tilbakeprojeksjon (til venstre) og iterativ rekonstruksjon (til høyre). Bildene er tatt opp ved CTDI 5,2 mGy på Toshiba AquillionONE. Alle skannparametre er like, med unntak av rekontruksjonsteknikken.

Stor økning i antall CT undersøkelser

Det har vært en stor økning i antall CT undersøkelser utført de siste årene fra 11% av alle radiologiske underøkelser i 2002 til 21% i 2008 (1). Denne økningen gjenspeiles også i en økning i stråledose til pasient i samme periode. I 2008 var 80% av stråledose fra medisinsk stråling til befolkningen relatert til CT (2). Internasjonale strålevernsretningslinjer påpeker at alle undersøkelser skal gjøres i henhold til ALARA-prinsippet (as low as reasonable achievable), det vil si at stråledose skal holdes lavest mulig samtidig som diagnostisk bildekvalitet skal være adekvat for formålet. Kliniske krav til forbedret detaljoppløsning, forbedret lavkontrastoppløsning, volumopptak, raskere bilderekonstruksjon og samtidig reduksjon i stråledose til pasient stiller store krav til CT-leverandørene. Alle de store CT-leverandørene har etterstrebet dette de senere årene, og utviklingen innenfor CT-teknologi har vært formidabel mht dosereduserende tiltak som forbedret detektorteknologi, forbedrede dosemoduleringsprogrammer og forbedrede rekonstruksjonsteknikker. Spesielt har iterativ bilderekonstruksjon blitt relansert og videreutviklet de siste årene. I følge samtlige leverandører forbedrer disse teknikkene bildekvalitet og gir potensial for dosereduksjon. Det er blitt anslått potensial for inntil 80% dosereduksjon ved å bruke disse nye teknikkene sammenlignet med filtrert tilbakeprojeksjon (3-6). Flere studier har vist at det er potensial for å redusere stråledose til pasient ved bruk av iterative rekonstruksjonsteknikker, men at dette er svært avhengig av hvilken iterativ løsning som benyttes og hvilken CT-skanner som benyttes (7-13).

 

Gammel teori - ny i praksis

Filtrert tilbakeprojeksjon har fra 1970-tallet vært den foretrukne rekonstruksjonsteknikken for CT. Årsaken til dette er at den krever mindre datakapasitet og har kortere rekonstruksjonstid sammenlignet med tradisjonell iterativ rekonstruksjon. I filtrert tilbakeprojeksjon gjøres det en rekke forenklinger og antagelser; for eksempel antas det at fokus og detektorelement er uendelig små uten utbredelse (punkt), at stråleknippet ikke har noen utbredelse og at alle projeksjonene er like og frie for støy. Dette innebærer at gjennom rekonstruksjonsprosessen adderes i realiteten støy fra hver enkelt projeksjon, slik at støy dermed forsterkes gjennom denne rekonstruksjonsteknikken. I tillegg er det brukt kantforsterkning i den filtrerte tilbakeprojeksjonsteknikken, for å fremheve detaljer og strukturer i bildet og for å hindre utsmøring. Ulempen med å bruke disse filtrene er at de opererer på de samme frekvenser som støy, og dermed også bidrar til å forsterke støyen i det rekonstruerte bildet.

Iterativ rekonstruksjon er en mer robust teknikk med færre forenklinger og antagelser enn filtrert tilbakeprojeksjon.  Iterativ rekonstruksjon er en matematisk ”prøve-og-feile”-teknikk, der rekonstruksjonen skjer i en loop og gradvis gir bedre og riktigere resultat. Utgangspunktet er en gitt bakgrunnsinformasjon, så gjøres en første rekonstruksjon, og resultatet sammenlignes med bakgrunnsinformasjon. Denne prosessen gjentas inntil systemet godkjenner sluttproduktet. I iterativ rekonstruksjon tas det blant annet høyde for at fokus ikke er et punkt, at detektor-elementene har en utbredelse, at røntgenstrålen har vifteform, samt detektorrespons og skannergeometri. Dermed er denne teknikken mer robust mht spredt stråling i pasient, artefakter (metall, filtrering av strålen og bevegelse). Denne teknikken krever stor datakapasitet, og dette var årsaken til at man valgte å bruke den enklere filtrerte tilbakeprojeksjonen som standard rekonstruksjon for CT-bilder fra slutten av 70-tallet og frem til dag. Nå har ny datateknologi gjort det mulig å gjøre disse avanserte beregningene på relativt kort tid, og dermed gjort det mulig å bruke disse teknikkene i en klinisk hverdag.

Hilde Kjernlie Andersen er Enhetsleder for røntgen ved Seksjon for diagnostisk fysikk, Intervensjonssenteret, Oslo Universitetssykehus.

Mange veier til målet

Det finnes flere typer iterativ rekonstruksjon på markedet i dag. AIDR 3D(Toshiba) og IRIS (Siemens) gjør iterasjonene i bildedata, dvs de prosesserte dataene. Hovedfokus for disse teknikkene er støyreduksjon. ASiR (GE), iDose4 (Philips) og Safire (Siemens) er hybridteknikker, der det gjøres støyreduksjon og noe artefaktreduksjon gjennom iterasjoner i rådata, og så gjøres det påfølgende iterasjoner i prosesserte data. For alle disse teknikkene kan man velge grad av iterativ rekonstruksjon.  VEO (GE), ADMIRE (Siemens) og IMR (Philips) er ”ekte” modellbaserte iterative teknikker, det vil si at de gjør flere iterasjoner i rådata og korrigerer med både geometriske (fokusstørrelse, detektorelementstørrelse og skannergeometri) og statistiske modeller (støystruktur). Disse teknikkene er mer tidkrevende, men gir også størst potensial for forbedret bildekvalitet og reduksjon i dose til pasient (7-9).

Anne Catrine Trægde Martinsen (PhD) er Førsteamanuensis og Seksjonsleder for diagnostisk fysikk, Intervensjonssenteret, Oslo Universitetssykehus

Må prøves ut

Når nye rekonstruksjonsteknikker tas i bruk, kan disse påvirke blant annet bildeteksturen, bildestøy, lavkontrast- og høykontrastoppløsning (se figur 1). Bildene vil se annerledes ut enn det radiologene er vant til fra eksisterende system i avdelingen, og selv om alle de ulike iterative rekonstruksjonsteknikkene vil redusere støynivået i bildene, er det allikevel ikke gitt at diagnostisk kvalitet vil øke. Dette avhenger blant annet av anatomisk område, pasientstørrelse og relevant patologi, og det er derfor viktig med en innkjøringsperiode der man tester og evaluerer ny teknikk mot gammel teknikk systematisk. Eventuell dosereduksjon bør skje gradvis ettersom man lærer den nye teknikken å kjenne, for å være sikker på at man ikke mister lesjoner og patologi.  Det er viktig å være klar over at ulike iterative rekonstruksjonsteknikker gir ulike resultat for radiologiske undersøkelser. Jensen et al sammenlignet fem ulike iterative rekonstruksjonsteknikker, og fant at kun to av teknikkene som ble testet forbedret lesjonsdeteksjon i et leverfantom. De ulike teknikkene påvirket den diagnostiske bildekvaliteten forskjellig, og det var store forskjeller mellom de ulike teknikkene for forskjellige dosenivå (7). Det var store variasjoner mellom de ulike teknikkene mht potensiell dosereduksjon, og det var også store forskjeller mellom de ulike teknikkene mht for hvilke doseområder de fungerte best. Noen fungerte godt over hele området som ble testet (fra 5 mGy til 15 mGy), mens andre fungerte best for høye doser og atter andre fungerte best for lave doser. Dette viser at det er viktig at brukerne setter seg godt inn i hvordan deres system fungerer, og hvordan den iterative teknikken påvirker bildetekstur og bilderekonstruksjon.


Referanser

  1. Saxebøl, Gunnar, Olerud Hilde M. (Eds.) Radiation use in Norway. Useful use and good radiation protection for society, humans and the environment. Contributing authors: Levernes, Sverre; Olerud Hilde M.; Unhjem, Jan F.; Øvergaard, Sindre; Sekse, Tonje; Wøhni, Tor; Hannevik, Merete; Paulsen, Gudrun U.; Saxebøl, Gunnar. StrålevernRapport 2014:2 Østerås: Statens strålevern, 2014
  2. Almén A, Friberg EG, Widemark A, Olerud HM. Radiology in Norway anno 2008. Trends in examination frequency and collective effective dose to the population. Strålevernsrapport 2010:12. Østerås: Norwegian Radiation Protection Authority, 2010.
  3. Thibault JB (2011) A model-based paradigm: A new frontier in image reconstruction. In: GE Healthcare CT publication GE Healthcare. http://www.gehealthcare.com/usen/ct/products/docs/CT_Clarity_062411_pg63-65.pdf
  4. Scibelli A (2011) iDose4 iterative reconstruction technique. Healthcare, Philips
  5. Grant K, Raupach R (2012) SAFIRE: Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction. http://usa.healthcare.siemens.com/computed-tomography/single-source-ct/somatom-perspective/technical-specifications
  6. Irwan R, Nakanishi S, Blum A (2011) AIDR 3D - Reduces dose and simultaneously improves image quality. Toshiba Med Syst 1–8. www.toshibamedical.eu/upload/TMSE_CT/White%20Papers/Toshiba_White%20paper%20CT_nov11.pdf 
  7. Jensen K, Martinsen ACT, Tingberg A, Aaløkken TM, Fosse E. Comparing five different iterative reconstruction algorithms for computed tomography in an ROC study. Eur Radiol (2014) 24:2989–3002
  8. Solomon J, Mileto A, Ramirez-Giraldo JC, Samei E. Diagnostic performance of an advanced modeled iterative reconstruction algorithm for low-contrast detectability with a third-generation dual-source multidetector CT skanner. Radiology 2015;275(3):735-745
  9. Khawaja RDA et al. Ultra-low dose abdominal MDCT:Using a knowledge-based iterative modell reconstruction technique for substantial dose reduction in a prospective clinical study. Eur J Radiol 2015;84:2-10
  10. Andersen HK, Jensen K, Berstad AB, Aaløkken TM, Kristiansen JF, Edwin B vG, Hagen G, and Martinsen ACT. Choosing the Best Reconstruction Technique in Abdominal Computed Tomography: A Systematic ApproachComput. J Assist Tomogr 2014;38: 853–858
  11.  Martinsen AC, Saether HK, Hol PK, et al. Iterative reconstruction reduces abdominal CT dose. Eur J Radiol. 2012;81:1483–1487.
  12. Yasaka K, Katsura M, Akahane M, et al. Model-based iterative reconstruction for reduction of radiation dose in abdominopelvic CT:m comparison to adaptive statistical iterative reconstruction. SpringerPlus. 2013;2:209.
  13. Varutvardhanabhuti V, Sumaira I, Gutteridge C, et al. Comparison of image quality between filtered back-projection and the adaptive statistical and novel model-based iterative reconstruction techniques in abdominal CT for renal calculi. Insights Imaging. 2013;4:661–669.
  14.  Desai GS, Thabet A, Elias AYA, et al. Comparative assessment of three image reconstruction techniques for image quality and radiation dose in patients undergoing abdominopelvic multidetector CT examinations. Br J Radiol. 2013;86:20120161.
  15. KalraMK,Woisetschläger M, DahlströmN, et al. Radiation dose reduction with sinogram affirmed iterative reconstruction technique for abdominal computed tomography. J Comput Assist Tomogr. 2012;36:339–346.

Mer om emnene