Die vorliegende Arbeit behandelt die Ermittlung der patientenäquivalenten Aktivitätskonzentration und Läsionsgrößen im Phantom, den Einfluss der Aufnahmeparameter (Variation von Winkelschritte, Messzeit, Kollimator) zur Ermittlung optimaler Daten in der Phantomstudie, Einfluss der CT - Schwächungskorrektur (CT, Chang, keine) und Streustrahlenkorrektur (TEW, keine) zur Ermittlung der optimalen Schwächungs- und Streustrahlenkorrekturmethode. Hierzu wird ein homogen mit 123I gefülltes Striatal Phantom mit einem SPECT - CT Hybridgerät (Siemens, Symbia T6) gemessen und ausgewertet werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es auch, den Einfluss der CT - Schwächungskorrektur auf die Bildqualität von SPECT - Daten anhand einer Phantomstudie am Beispiel der 123I DAT Szintigraphie zu ermitteln. Abschließend werden die unkorrigierten sowie korrigierten Daten miteinander verglichen.
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Medizinische Grundlagen
2.1.1 Anatomie der Basalganglien
2.1.2 Physiologie mit Pathophysiologie der Basalganglien
2.1.3 Diagnostische Untersuchungsmethoden
2.1.4 DAT Scan
2.1.5 Radiopharmakon
2.2 Technische Grundlagen
2.2.1 SPECT/CT
2.2.2 Symbia T6 SPECT/CT
2.2.3 Grundlagen der DAT Messung
2.2.4 Streustrahlenkorrektur
2.2.5 Triple Energy Window
2.2.6 Schwächungskorrektur
2.2.7 Rechnerische Methode nach Chang
2.2.8 Gemessene Schwächungskorrektur
2.2.9 Low dose Computertomographie
2.2.10 Texturmerkmale
2.2.11 Grauwertübergangsmatrix
3 Material und Methoden
3.1 Messungen am Jaszczak Phantom mit Hohlkugeln
3.1.1 Aktivitätsansatz
3.1.2 Präparation des Jaszczak Phantoms mit Hohlkugeln
3.1.3 Akquisition
3.1.4 Rekonstruktion
3.1.5 Auswertung
3.2 Messungen am Striatum Phantom
3.2.1 Aktivitätsansatz
3.2.2 Präparation des Striatum Phantoms
3.2.3 Akqusition
3.2.4 Rekonstruktion
3.2.5 Auswertung
3.3 Texturanalyse
3.3.1 Statistik erster Ordnung
3.3.2 Statistik zweiter Ordnung
4 Ergebnisse
4.1 Auswertung der heißen Kugeln (visuelle Beurteilung)
4.2 Quantitative Ergebnisse der Streustrahlenkorrektur
4.2.1 Mit Streustrahlenkorrektur nach TEW - Methode
4.2.2 Ohne Streustrahlenkorrektur
4.2.3 Visuelle Beurteilung
4.3 Quantitative Ergebnisse der Schwächungskorrektur
4.3.1 19,8 kBq/ml - sehr kranker Patient
4.3.1.1 Ergebnisse der CT - Schwächungskorrektur
4.3.1.2 Ergebnisse der Schwächungskorrektur nach CHANG
4.3.1.3 Keine Schwächungskorrektur
4.3.1.4 Visuelle Beurteilung
4.3.2 29,6 kBq/ml - eher kranker Patient
4.3.2.1 Ergebnisse der CT - Schwächungskorrektur
4.3.2.2 Ergebnisse der Schwächungskorrektur nach CHANG
4.3.2.3 Keine Schwächungskorrektur
4.3.2.4 Visuelle Beurteilung
4.3.3 37,4 kBq/ml - eher gesunder Patient
4.3.3.1 Ergebnisse der CT - Schwächungskorrektur
4.3.3.2 Ergebnisse der Schwächungskorrektur nach CHANG
4.3.3.3 Keine Schwächungskorrektur
4.3.3.4 Visuelle Beurteilung
4.3.4 44,5 kBq/ml - sicher gesunder Patient
4.3.4.1 Ergebnisse der CT - Schwächungskorrektur
4.3.4.2 Ergebnisse der Schwächungskorrektur nach CHANG
4.3.4.3 Keine Schwächungskorrektur
4.3.4.4 Visuelle Beurteilung
4.3.5 Graphische Darstellung
4.3.6 Korrelation
4.4 Quantitative Ergebnisse der Texturanalyse
4.4.1 Statistik erster Ordnung
4.4.1.1 Texturmerkmale für Aktivitätskonzentration 19,8 kBq/ml
4.4.1.2 Texturmerkmale für Aktivitätskonzentration 29,6 kBq/ml
4.4.1.3 Texturmerkmale für Aktivitätskonzentration 37,4 kBq/ml
4.4.1.4 Texturmerkmale für Aktivitätskonzentration 44,5 kBq/ml
4.4.1.5 Beurteilung
4.4.2 Statistik zweiter Ordnung
4.4.2.1 Analyse der Grauwertverhältnisse nach Haralick - 19,8 kBq/ml
4.4.2.2 Analyse der Grauwertverhältnisse nach Haralick - 29,6 kBq/ml
4.4.2.3 Analyse der Grauwertverhältnisse nach Haralick - 37,4 kBq/ml
4.4.2.4 Analyse der Grauwertverhältnisse nach Haralick - 44,5 kBq/ml
4.4.2.5 Beurteilung
5 Diskussion
6 Zusammenfassung
Anhang
Literaturverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Daten der Symbia T6. Die Werte wurden im Rahmen der Abnahmeprüfung gemessen. (König 2007)
Tabelle 2: “Angestrebte und tatsächlich zur Phantom/ - und Kugelbefüllung verifizierte Aktivitätskonzentrationen“
Tabelle 3: “Erforderliche und verifizierte Aktivitätskonzentration“
Tabelle 4: “ImageJ - Ergebnisse“
Tabelle 5: “Spezifische Bindungsrate in Striatum, N.caudatus und Putamen mit / ohne Streustrahlenkorrektur“
Tabelle 6: “Spezifische Bindung in Striatum, N.caudatus und Putamen nach Schwächungskorrektur (CT, CHANG) bzw. keiner Schwächungskorrektur“
Tabelle 7: “Spezifische Bindungsrate für Striatum, N.caudatus und Putamen nach Korrektur (CT, CHANG) und ohne Korrektur“
Tabelle 8: “Spezifische Bindungsrate für Striatum, N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur (CT, CHANG) und ohne Korrektur“
Tabelle 9: “Spezifische Bindungsrate für Striatum, N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur (CT, CHANG) und ohne Schwächungskorrektur“
Tabelle 10: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die CT-Schwächungskorrekturmethode“
Tabelle 11: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die Schwächungskorrekturmethode nach CHANG“
Tabelle 12: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die CT-Schwächungskorrekturmethode“
Tabelle 13: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die Schwächungskorrekturmethode nach CHANG“
Tabelle 14: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die CT-Schwächungskorrekturmethode“
Tabelle 15: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die Schwächungskorrekturmethode nach CHANG“
Tabelle 16: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die CT-Schwächungskorrekturmethode“
Tabelle 17: „Ergebnisse der Informationsverdichtung für die Schwächungskorrekturmethode nach CHANG“
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: “Transversales nuklearmedizinisches Bild der Hirnstammganglien“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 2: “Basalganglien“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 3: „Normale Darstellung der Basalganglien vs. Verlust des rechten Putamens“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 4: „Strukturelle Läsion in der kraniellen MRT“ (Pirker 2008)
Abbildung 5: “Strukturformel von FP-CIT(DaTSCAN)“ (Neumeyer JL 1996)
Abbildung 6: Symbia T6 SPECT/CT“ (Siemens AG Healthcare Sector 2006)
Abbildung 7: “Lagerung des Patienten mittels Kopfstütze“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 8: “Verlust der Auflösung bei Änderung des Rotationsabstandes; 13cm vs. 20cm“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 9: “Fehlinterpretation durch seitliche Verkippung“ (Umland-Seidler 2004)
Abbildung 10: “Ungeeigneter Schwellenwert 0 - 52% vs. geeigneter Schwellenwert 0 - 100%“ (Jacques et al. 2009)
Abbildung 11: “Triple Energy Window Methode” (Nicoletti et al. 2010)
Abbildung 12: “TEW - Methode integriert im Auswertungs - Workflow“, Quelle: SMZ Ost, Siemens Workstation
Abbildung 13: “Schwächungskorrektur nach Chang - Methode“ (Nicoletti et al. 2010)
Abbildung 14: „Rotation der Röntgenröhre und der gegenüberliegenden Detektoren um die Längsachse des Patienten“ (Kalender 2006)
Abbildung 15: „Messwertaufnahme eines CT - Scanners“ (Kalender 2006)
Abbildung 16: „a) links: CT - Bild, b) mitte: Koregistiertes Bild, c) rechts: SPECT - Bild“ (European Medicines Agency 2007)
Abbildung 17: “Über die Verteilung der Grauwerte eines Bildes gibt das Histogramm der relativen Häufigkeiten Auskunft“ (Jähne 2005)
Abbildung 18: “Wahrscheinlichkeit P, dass p1 und p2 Grauwerte g1 und g2 haben“ (Jähne 2005)
Abbildung 19: “Elemente C (i, j) der Grauwertmatrix geben an, wie häufig eine Relation (iRj) im Bild G erfüllt ist“ (Haralick et al. 1973)
Abbildung 20: “ Symbia T6 SPECT/CT mit Kopfhalterung“
Abbildung 21: “Befülltes Jaszczak Phantom”
Abbildung 22: “SPECT - Akquisition des Jaszczak Phantoms mit Hohlkugeln”
Abbildung 23: “ Stacks der rekonstruierten Serie, Farbskala Warm Metal“
Abbildung 24: “Plot Z - axis Profile“
Abbildung 25: “Striatum Phantom mit befüllbaren Kammern“
Abbildung 26: “Präpariertes Striatum Phantom“
Abbildung 27: “Akquisition des Striatum Phantoms“
Abbildung 28: “Workflow Diagramm“
Abbildung 29: “Kranielle Magnetresonanztomographie einer gesunden Kontrollperson“
Abbildung 30: “Überlagerung der MRT mit Mean - Template“
Abbildung 31: “Überlagerung mit 3D - Overlaymap“
Abbildung 32: „Ursprungsbild (Text Image der Basalganglien) und das dazugehörende Histogramm“
Abbildung 33: „Links ist eine Achternachbarschaft mit vier eingezeichneten Winkeln. Zur Berechnung einer CoMa werden vier CoMa gebildet. Deren Displacements haben jeweils den Betrag 1 und die Winkel 0°, 45°, 90° und 135°. Rechts sind die vier Displacements einzeln abgebildet “ (Haralick et al. 1973)
Abbildung 34: „3 - HR - 25, 3 - HR - 30, 6 - HR - 30“
Abbildung 35: „3 - ME - 25, 3 - ME - 30, 6 - ME - 30“
Abbildung 36: “Einfluss von Winkel, Kollimator und Messzeit auf den Kontrast“
Abbildung 37: “Bestimmung der Specific Ratio in Striatum mit Streustrahlenkorrektur“
Abbildung 38: “ Bestimmung der Specific Ratio in N.caudatus und Putamen mit Streustrahlenkorrektur“
Abbildung 39: “Bestimmung der Specific Ratio in Striatum ohne Streustrahlenkorrektur“
Abbildung 40: “Bestimmung der Specific Ratio in N.caudatus und Putamen ohne Streustrahlenkorrektur“
Abbildung 41: “Bestimmung der Specific Ratio in Striatum mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 42: “Bestimmung der Specific Ratio in N.caudatus und Putamen mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 43: “Bestimmung der Specific Ratio in Striatum mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 44: “Bestimmung der Specific Ratio in N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 45: “Bestimmung der Specific Ratio in Striatum ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 46: “Bestimmung der Specific Ratio in N.caudatus und Putamen ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 47: “Specific Ratio für Striatum mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 48: “Specific Ratio für N.caudatus und Putamen mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 49: “Specific Ratio für Striatum mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 50: “Specific Ratio für N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 51: “Specific Ratio für Striatum ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 52: “Specific Ratio für N.caudatus und Putamen ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 53: “Spezifische Bindungsrate für Striatum mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 54: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 55: “Spezifische Bindungsrate für Striatum mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 56: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 57: “Spezifische Bindungsrate für Striatum ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 58: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 59: “Spezifische Bindungsrate für Striatum mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 60: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen mit CT - Schwächungskorrektur“
Abbildung 61: “Spezifische Bindungsrate für Striatum mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 62: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen mit Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 63: “Spezifische Bindungsrate für Striatum ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 64: “Spezifische Bindungsrate für N.caudatus und Putamen ohne Schwächungskorrektur“
Abbildung 65: “Specific Ratio in Abhängigkeit von der Aktivitätskonzentration für die Region Striatum“
Abbildung 66: “Specific Ratio in Abhängigkeit von der Aktivitätskonzentration für N.caudatus“
Abbildung 67: “Spezific Ratio in Abhängigkeit von der Aktivitätskonzentration für Putamen“
Abbildung 68: “Vergleich der Spezific Ratio mit pathologisch / normaler Aktivitätskonzentration für die Regon Striatum“
Abbildung 69: “Vergleich der Specific Ratio mit pathologisch / normaler Aktivitätskonzentration für die Region N.caudatus“
Abbildung 70: “Vergleich der Specific Ration mit pathologisch / normaler Aktivitätskonzentration für die Region Putamen“
Abbildung 71: „Text Image und das Grauwerthistogramm der CT-Schwächungskorrektur“
Abbildung 72: „Text Image und das Grauwerthistogramm der Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 73:“Text Image und das Grauwerthistogramm der CT-Schwächungskorrektur“
Abbildung 74: „Text Image und das Grauwerthistogramm der Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 75: „Text Image und das dazugehörende Grauwerthistogramm der CT-Schwächungskorrektur“
Abbildung 76: „Text Image und das dazugehörende Grauwerthistogramm der Schwächungskorrektur nach CHANG“
Abbildung 77: „Text Image und das dazugehörende Grauwerthistogramm der CT-Schwächungskorrektur“
Abbildung 78: „Text Image und das dazugehörende Grauwerthistogramm der Schwächungskorrektur nach CHANG“
1 Einleitung
Im Zuge der Implementierung der DAT - Untersuchung an den neuen SPECT - CT Systemen der Nuklearmedizin (Siemens Symbia T6) hat sich gezeigt, dass eine Reihe von Parametern das Ergebnis der Quantifizierung beeinflusst. Wird die Schwächung von Photonen durch Knochenstrukturen nicht erkannt bzw. berücksichtigt, so führt dies zu falsch-positiven Ergebnissen der visuellen und quantitativen Bildanalyse. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss der unterschiedlichen Größen auf das quantitative Ergebnis anhand einer Phantomstudie zu ermitteln und die Aufnahme- Rekonstruktions- und Auswerteparameter hinsichtlich einer möglichst eindeutigen Befundung zu optimieren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: “Transversales nuklearmedizinisches Bild der Hirnstammganglien“ (Umland-Seidler 2004)1
Die vorliegende Arbeit behandelt die Ermittlung der patientenäquivalenten Aktivitätskonzentration und Läsionsgrößen im Phantom, den Einfluss der Aufnahmeparameter (Variation von Winkelschritte, Messzeit, Kollimator) zur Ermittlung optimaler Daten in der Phantomstudie, Einfluss der CT - Schwächungskorrektur (CT, Chang, keine) und Streustrahlenkorrektur (TEW, keine) zur Ermittlung der optimalen Schwächungs- und Streustrahlenkorrekturmethode. Hierzu wird ein homogen mit123 I gefülltes Striatum Phantom mit einem SPECT - CT Hybridgerät (Siemens, Symbia T6) gemessen und ausgewertet werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es auch, den Einfluss der CT - Schwächungskorrektur auf die Bildqualität von SPECT - Daten anhand einer Phantomstudie am Beispiel der123 I DAT Szintigraphie zu ermitteln. Abschließend werden die unkorrigierten sowie korrigierten Daten miteinander verglichen.
2 Grundlagen
2.1 Medizinische Grundlagen
2.1.1 Anatomie der Basalganglien
Als Basalganglien werden unterhalb der Großhirnrinde (Cortex cerebri) gelegene und in jeder Hirnhälfte angelegte Kerngebiete zusammengefasst (Abb. 2). Sie sind für wichtige funktionelle Aspekte motorischer, kognitiver und limbischer Regelungen von großer Bedeutung. Die Basalganglien bilden einen wesentlichen Bestandteil der von Kinner Wilson 1912 als extrapyramidalmotorisches System (EPMS) bezeichneten Strukturen. Basalganglien sind nicht nur für die Steuerung der Willkürmotorik zuständig, vielmehr sind sie in den Gesamtkomplex exekutiver Leistungen wie z.B. Spontanität, Affekt, Initiative, Willenskraft, Antrieb, sequentielles Planen, Antizipation und motorische Selektion eingebunden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: “Basalganglien“ (Umland-Seidler 2004)2
Zu den Basalganglien (auch als Stammganglien bezeichnet) zählt man anatomisch Nucleus caudatus (geschweifter Kern) und Nucleus lentiformis (linsenförmiger Kern). Der linsenförmige Kern besteht aus Putamen (Schalenkörper) und Globus pallidum (bleiche Kugel) mit einem internen (Pallidum mediale) und einem externen Segment (Pallidum externum). Nucleus caudatus und Putamen liegen in der frühen Embryonalentwicklung zusammen und werden durch das Durchwachsen der Capsula interna getrennt. Über feine Streifen grauer Substanz bleiben sie miteinander verbunden und werden als Striatum (das Gestreifte) bezeichnet. Funktionell zu den Basalganglien zählt man die Substantia nigra (schwarze Substanz) und den Nucleus subthalamicus. Über Nucleus accumbens („Fundus striatum“) sind Nucleus caudatus und Putamen ventral verbunden (Trepel 2009)3.
2.1.2 Physiologie mit Pathophysiologie der Basalganglien
Über die komplexe Funktion der Basalganglien wird gegenwärtig hypothetisch postuliert, dass sie sowohl an der spezifischen Selektion und Prozessierung von aktuell erforderlichen motorischen und nicht-motorischen (höher - integrativen) Handlungsmustern beteiligt sind als auch gleichzeitig an der Suppression bzw. Inhibition aktuell nicht geforderter (unerwünschter) und damit zu unterdrückender Aktivierungsmuster. Die Stammganglien sind als ein Filterprozess (Gating) in eine komplexe Regelschleife (loop) eingebunden, die von der Großhirnrinde ausgeht und über die Stammganglien und den Thalamus zurück zum Großhirn (Frontallappen) verläuft. Von der Großhirnrinde gelangen Informationen zum Striatum als der Eingangsstation der Stammganglien in Form kortiko - striataler Verbindungen. Über die Ausgangsstation der Stammganglien, der Substantia nigra und den Globus pallidus internus gelangt die von Stammganglien verarbeitete Endinformation zum Thalamus und vom Thalamus zur frontalen Hirnrinde zurück. Die von der Substantia nigra ausgehende dopaminerge Projektion stellt heute einen stark erforschten Modulationsweg innerhalb der Stammganglien dar, da seine Störung infolge von einer vorzeitigen Degeneration („Alterung“) zu den Symptomen der Parkinsonschen Krankheit führt (Schmidt et al. 2005)4.
Zu den häufigsten neurologischen Krankheiten gehören Parkinson - Syndrome (wie z.B. Parkinson - Krankheit, Multisystematrophie), Dystonie - Syndrome (wie z.B. Tardive Dystonie, Athetose), Choreatische Syndrome (Chorea Huntington) und Tic - Störungen (Tourette - Syndrom). Bei Morbus Parkinson kommt es infolge einer chronisch fortschreitenden Degeneration der von der Substantia nigra ausgehenden dopaminergen Transmission zu einer pathologischen Veränderung der striatalen Modulation, die im unterschiedlichem Ausmaß zu Muskeltonusveränderungen (Rigor), Bewegungsstörung (Hypokinesie), Zittern (Tremor), Haltungsinstabilität und anderen Symptomen führen kann (Abb. 3) (Straub 2007)5.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: „Normale Darstellung der Basalganglien vs. Verlust des rechten Putamens“ (Umland-Seidler 2004)6
2.1.3 Diagnostische Untersuchungsmethoden
Bei Morbus Parkinson basiert die Diagnose primär auf Anamnese und klinischer Untersuchung. Abgrenzung zwischen milden extrapyramidalen Störungen bei gesunden älteren Personen, Patienten mit psychiatrischen Erkrankungen, medikamenteninduzierten und vaskulären Parkinsonsyndromen sowie von Tremorsyndromen kann schwierig sein. Differenzialdiagnose zwischen M. Parkinson und atypischen Parkinsonerkrankungen (wie z.B. Multisystematrophie, progressive supranukleäre Paralyse) ist im Frühstadium klinisch häufig nicht möglich. Bildgebende Untersuchungen tragen zur Diagnostik wesentlich zu und haben in den letzten Jahren einen wichtigen Stellenwert erlangt.
Zum Ausschluss läsioneller Parkinsonsyndrome dienen die kraniale Computertomographie und die konventionelle Magnetresonanztomographie (Raumforderungen im Frontallappen bzw. Basalganglien), wobei im Vergleich zur Computertomographie die Magnetresonanztomographie die sensitivere Methode darstellt (Abb. 4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: „Strukturelle Läsion in der kraniellen MRT“ (Pirker 2008)7
Vaskuläre Veränderungen finden sich bei bis zu einem Drittel der Patienten mit degenerativen Parkinsonsyndromen. Daher sollte vor SPECT - Untersuchung eine Computertomographie oder Magnetresonanztomographie durchgeführt werden um Fehlinterpretationen zu vermeiden (strukturelle Läsionen) (Pirker 2008)8.
2.1.4 DAT Scan
„DAT Scan ist das erste zugelassene SPECT - Diagnostikum zur Darstellung der präsynaptischen Dopamin - Transportproteine vornehmilich im Striatum“ (Kitchen 2002)9.
Morbus Parkinson zeichnet sich durch selektive Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra und ihrer Nervenendungen im Striatum. Im weiteren Krankheitsverlauf kommt es zu einer Abnahme der Dichte von Dopamintransportern (DAT), die selektiv an dopaminergen Nervenendungen im Striatum exprimiert sind. DAT-Untersuchungen zeigen beim M. Parkinson eine progressive Reduktion der striatalen Tracerspeicherung. Bei Patienten mit Hemiparkinson ist die Reduktion der DAT - Bindung im Putamen ausgeprägter als im Kopf des Nucleus caudatus. „Die DAT - Untersuchung kann mit nahezu 100%iger Sensitivität zwischen gesunden Personen und Patienten mit M. Parkinson differenzieren“ (Pirker 2008)10. Des Weiteren ist eine Differenzierung des Essentiellen Tremor (ET) von den Parkinson Syndromen (PS) und der idiopathischen Parkinson’schen Krankheit (PD) möglich.
Bei atypischen Parkinsonerkrankungen zeigt die DAT - Untersuchung eine Reduktion der striatalen Bindung. Anhand der striatalen DAT - Bindung ist keine Differenzierung zwischen M. Parkinson, Multisystematrophie (MSA) und progressiver supranukleären Paralyse (PSP) möglich (Pirker 2008)11. Vor der DAT - Untersuchung soll eine Medikamentenanamnese erhoben werden, da eine Interaktion mit den DAT möglich ist. Dies gilt besonders für Serotonin - Wiederaufnahmehemmer (SSRI-Antidepressiva). Typische Parkinsonmedikamente (Dopamine und Dopaminagonisten) haben in normaler Dosierung keinen Einfluss auf das Ergebnis (Meckbach 23.04.2008)12.
2.1.5 Radiopharmakon
DaTSCAN ist eine Injektionslösung (74 MBq/ml) mit dem Wirkstoff Ioflupan(123 I).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: “Strukturformel von FP-CIT(DaTSCAN)“ (Neumeyer JL 1996)13
DaTSCAN wird angewendet, um den Verlust von Nervenzellen, die den chemischen Botenstoff Dopamin freisetzten, im Striatum (Streifenkörper) nachzuweisen. Ioflupan (123 I), ein Wirkstoff von DaTSCAN, ist eine radioaktive Markersubstanz (European Medicines Agency 2007)14. Sie besteht aus der Substanz Ioflupan, die mit123 I (Iod - 123), einer radioaktiven Form des chemischen Elements Iod, markiert ist (Abb. 5). DaTSCAN ist eine 5%ige (V/V) ethanolische Lösung (klar, farblos) zur intravenösen Injektion und muss unverdünnt angewendet werden(Tatsch)15. Durchstichflaschen mit 2,5 ml enthalten 185 MBq Ioflupan am Kalibriertermin. Die klinische Wirksamkeit wurde mit Aktivitäten von 111 bis 185 MBq belegt. Daher sollen nicht weniger als 110 und nicht mehr als 185 MBq verabreicht warden (European Medicines Agency 2007)16. Um mögliche Schmerzen an der Injektionsstelle zu vermeiden, wird langsame (15 - 20 Sekunden dauernde) intravenöse Injektion in eine Armvene empfohlen. Bei der Verabreichung von DaTSCAN müssen die Patienten außerdem ein weiteres Arzneimittel (z.B. Irenattropfen) einnehmen, damit ihre Schilddrüse das in DaTSCAN enthaltene Iod nicht aufnimmt (Iod - 123 ist ein bekannter Auger - Elektronen - Strahler). Dies wird eine Stunde vor und bis zu 72 Stunden nach der Verabreichung von DaTSCAN oral eingenommen. Nach der intravenösen Injektion verteilt sich das Ioflupan (123 I) über den Blutkreis im ganzen Körper und sammelt sich im Striatum an, wo es sich an die Transporterstrukturen bindet. Die SPECT - Untersuchung sollte drei bis sechs Stunden nach der Injektion durchgeführt werden. Die Verabreichung von Ioflupan (123 I) in einer Dosierung von 185 MBq ergibt eine im Uterus absorbierte Dosis von 3.0 mGy. Da Strahlendosen über 0.5 mGy als potenzielles Risiko für den Feten betrachtet werden, ist die Untersuchung bei Schwangeren kontraindiziert.123 I hat eine physikalische Halbwertzeit von 13,2 Stunden und zerfällt unter Emission von Gammastrahlung mit Energien von 159 keV und Röntgenstrahlung von 27 keV. Die effektive Äquivalentdosis beträgt 4,35 mSv für einen Erwachsenen mit 70 kg Körpergewicht) (European Medicines Agency 2007)17. Die Qualitätsüberprüfung erfolgt vom Hersteller vor Auslieferung der fertigen Injektionslösung. Die radiochemische Qualitätskontrolle kann vor Ort mittels Instant Thin Layer Chromatography (ITLC) Methode mit Silica Gel (SG) impregnated Papier vom Gelman/ oder Pall durchgeführt werden. Messung erfolgt am Stripscanner. Die radiochemische Reinheit soll mindestens 95% betragen. Die Haltbarkeit des Präparates beträgt 7 Stunden nach Kalibriertermin (31 Stunden ab Ende der Herstellung) (European Medicines Agency 2007)18.
2.2 Technische Grundlagen
2.2.1 SPECT/CT
Die nuklearmedizinische in - vivo - Diagnostik ist eine bildgebende Funktionsdiagnostik. Nach Verabreichung eines Radiopharmakons wird dessen Verteilung im Körper bestimmt. Die Radioaktivitätsverteilung wird als Szintigramm dargestellt. Szintigramme beinhalten örtlich zugeordnete Informationen wie z.B. Durchblutung, Speicherung, Stoffwechsel, Rezeptordichte etc. Als Messgerät wird die Gamma- oder Szintillationskamera eingesetzt. Es handelt sich also um ein Messgerät für Gammastrahlung, welches eine räumliche, dreidimensionale Aktivitätsverteilung messen und als zweidimensionales Bild wiedergeben kann (Nicoletti et al. 2005)19. Häufig verwendete Matrixgrößen sind 64 x 64, 128 x 128 und 256 x 256. Die vom Patienten ausgehende Strahlung trifft auf den Kollimator. Photonen, die den Kollimator senkrecht passieren, treffen den Detektorkristall und erzeugen Lichtblitze. Die Lichtblitzverteilung ist somit ein Projektionsbild der Aktivitätsverteilung. Die Lichtblitze werden von Photomultipliern in elektrische Impulse umgewandelt. Eine spezielle Elektronik wertet die Impulse der Elektronenröhren aus und erzeugt in weiterer Folge ein digitales Bild der Aktivitätsverteilung (Szintigramme), welches anschließend im Rechner gespeichert wird. Digitale Szintigramme können mit Hilfe von speziellen Computerprogrammen weiter verarbeitet und auf Film oder Papier ausgegeben werden (Nicoletti et al. 2005)20. Unter SPECT/CT versteht man das Zusammenführen zwei bildgebender Untersuchungsmodalitäten (Nuklearmedizin/Computertomographie) zeitgleich an einem einzigen Gerät (Hybridkamera). Dadurch wird eine aussagekräftige Bildgebung möglich, welche die Darstellung von Stoffwechselvorgängen (Szintigraphie) im Organismus mit einer exakten anatomischen Zuordnung (radiologische Schnittbildverfahren) optimal verbindet. Nuklearmedizinische Verfahren ermöglichen die Darstellung von Auffälligkeiten des Stoffwechsels im Organismus bevor diese in Röntgenuntersuchungen nachzuweisen sind. Bisher gab es keine Möglichkeit einen unmittelbaren Vergleich mit Röntgenbildern anzustellen, da Patienten erst zu einem Röntgenfacharzt überwiesen werden mussten. Die Bilder konnten erst zu einem späteren Zeitpunkt miteinander verglichen und ausgewertet werden. Durch das zeitgleiche Erfassen funktioneller als auch morphologischer Bilder an einem Gerät entfällt dieses Problem. Die Konsequenz ist Zeitersparnis für den Patienten, umfassende und exakte Befundungsmöglichkeit und Genauigkeit in der Erstellung des Befundergebnisses. Differenzen in der Aufnahmetechnik (unterschiedliche Lagerung) fallen weg und ermöglichen eine einheitliche fusionierte Darstellung (Uhlenbrock & Partner)21.
2.2.2 Symbia T6 SPECT/CT
Die Symbia SPECT/CT Hybridkamera ermöglicht durch moderne HD - Detektoren eine gute Bildqualität und klinische Genauigkeit der Bilder. Routinemäßige Systemkalibrierungen werden durch Echtzeitkorrekturen und Abgleich der Photomultiplier ergänzt. Die Ultrafast Ceramic Detektoren erlauben schnelle CT - Aufnahmen mit bestmöglicher Dosisausnutzung. Das Gesichtsfeld der Kamera entspricht jenem einer e - cam (533 x 387mm²).
Die Bildqualität wird durch die führende SPECT - Rekonstruktionsmethode Flash3D deutlich verbessert. Flash3D Rekonstruktionsmethode ermöglicht höhere räumliche Auflösung, geringere Verzerrung und Artefaktreduktion (Siemens AG Healthcare Sector 2006)22.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Symbia T6 SPECT/CT“ (Siemens AG Healthcare Sector 2006)23
Durch den iterativen Algorithmus kann das Rauschen in den resultierenden Aufnahmen minimiert werden. Iterative Rekonstruktionsverfahren erhöhen die Bildauflösung und den Kontrast von SPECT - Untersuchungen des Gehirns (Kauppinen T. 2000)24. Die Schwächungskorrektur kann durch mittels CT erstellten μ - maps erfolgen, während die in den Algorithmus implementierte Streustrahlkorrektur durch einen Mausklick aktiviert werden kann (Köchle 2008)25. Für die beiden Detektorköpfe ist im Donauspital eine Bestückung mit vier Kollimatortypen vorgesehen (Low Energy High Resolution (LEHR), Low Energy All Purpose (LEAP), Medium Energy Low Penetration (MELP) und High Energy (HE)). Für die vorliegenden Messungen wurden der LEHR und MELP Kollimator herangezogen. Die für die Messungen interessantesten Systemspezifikationen und Eckdaten sind in der Tabelle 1 angeführt. Die Kamera ist seit 2007 in den nuklearmedizinischen Routinebetrieb im Donauspital integriert (Siemens AG Healthcare Sector 2006)26. Die Abnahmeprüfung erfolgte im September 2007 (König 2007)27.
Tabelle 1: Daten der Symbia T6. Die Werte wurden im Rahmen der Abnahmeprüfung gemessen. (König 2007)28
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2.3 Grundlagen der DAT Messung
Die Datenakquisition für123 I - DAT soll 3 Stunden nach Injektion erfolgen. Das Zeitfenster zwischen Applikation und Beginn der Datenakquisition liegt für [123 I] FP-CIT bei 3 bis 6 h post injectionem (p. i.). Um eine Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen zu erreichen, ist es empfehlenswert, stets ein festgelegtes Zeitintervall zwischen Injektion und Beginn der Szintigraphie zu verwenden (Jacques et al. 2009)29. Für die DAT - Szintigraphie wird im Donauspital die Symbia T6 SPECT/CT Zweikopfkamera und Low Energy High Resolution (LEHR) Kollimator eingesetzt. Der Patient wird über die Gesamtdauer der Untersuchung informiert und möglichst bequem gelagert (Kopfstütze). Der Kopf des Patienten wird dabei nur leicht fixiert (Orbitomeatallinie vertikal), die Schultern bleiben außerhalb des Gesichtsfeldes (Abb. 7).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: “Lagerung des Patienten mittels Kopfstütze“ (Umland-Seidler 2004)30
Außerdem wird der Patient ersucht, absichtliche Kopfbewegungen zu vermeiden. Bei unzureichender Kooperation wird dem Patienten eine orale Sedierung verabreicht. Während der Kamerarotation wird ein kleinstmöglicher Rotationsradius (13 - 15 cm) eingehalten (kreisförmige Rotation, kein autocontouring) (Jacques et al. 2009)31. Ein Rotationsradius über 15 cm führt zum Verlust der Auflösung (Abb. 8).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: “Verlust der Auflösung bei Änderung des Rotationsabstandes; 13cm vs. 20cm“ (Umland-Seidler 2004)32
Weitere Parameter:
1) Matrix : 128x128
2) Winkelschritte : 6° ( 180° Rotation )
3) Zoom: 1.23 (Pixelgröße 3,9 mm); ideale Pixelgröße: 3.0 - 4.5mm (Pixelgröße = Feldgröße (mm) / Matrixgröße x Zoom) (Umland-Seidler 2004)33
4) Akquisitionsmodus : Step - and-Shoot Technik
5) Energiefenster : 15% bei 159 keV
6) Tischhöhe : 16 cm
7) Gesamtcounts: > 3 Millionen (Minimum 1 Mio.cnts)
8) Gesamtscanzeit an der Symbia T6 beträgt 30 Minuten ( z.B. 120 Projektionen, 60 Projektionen / Kamerakopf, 30 Sekunden / Projektion )
Vor der Bildverarbeitung sollen die Projektionsdaten im Cine - Modus überprüft werden, um mögliche Bewegungsartefakte zu beurteilen (Sinogramm - Form) (Umland-Seidler 2004)34
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: “Fehlinterpretation durch seitliche Verkippung“ (Umland-Seidler 2004)35
Die Rekonstruktion der Projektionsdaten erfolgt mit iterativer Rekonstruktion. Im Vergleich zur gefilterten Rückprojektion gilt die iterative Rekonstruktion als weniger fehler- und artefaktanfällig (Süßmair 2007)36. Andere Filtertypen müssen mit Vorsicht eingesetzt werden, da diese zu stark glätten und daher keine Abgrenzung möglich ist. Ziel in der Rekonstruktion ist die Abgrenzung des Nucleus caudatus von dem Putamen (Umland-Seidler 2004)37. Das rekonstruierte Volumen soll das Hirn komplett einschließen. Im nächsten Schritt sollen die rekonstruierten Daten Streustrahl-/ und Schwächungskorrigiert werden.
Methoden der Schwächungskorrektur:
a) Errechnete homogene Korrektur-Matrix nach Chang (linearer Korrektur-Koeffizient für123 I: μ = 0,10 - 0,12 cm-1 ) (European Medicines Agency 2007)38. Wenn bei SPECT - Daten eine Streustrahlenkorrektur durchgeführt wurde, sollte dieser Wert höher sein (Jacques et al. 2009)39. Laut Vorgabe der Firma Siemens wird an der e - soft Workstation der lineare Schwächungskoeffizient mit μ = 0,15 cm-1 bereits verwendet (Siemens AG Healthcare Sector 2006)40. Die Konturgrenze soll nicht nur die graue Substanz einschließen, sondern auch die Schädelkalotte. Die Konturen müssen für jeden transaxialen Schnitt angepasst werden.
b) Gemessene Korrektur auf Basis eines Transmissionsscans oder einer CT - Untersuchung (bei SPECT/CT Hybridgeräten). In der vorliegenden Arbeit wird die CT - Korrekturmethode näher beschrieben.
Falls notwendig, können die schwächungskorrigierten Schnitte reanguliert werden (Reproduzierbarkeit bzw. Standardisierung) (Jacques et al. 2009)41. Bei der semiquantitativen Auswertung werden ROI’s angewendet, um die spezifische DAT Bindung im Striatum und in den striatalen Teilregionen zu bestimmen. Für die Bestimmung der unspezifischen Bindung werden Referenzregionen mit fehlender oder niedriger DAT Dichte (Cerebellum, okzipitaler Kortex) verwendet. Die Größe der ROI’s beruht auf einer individuellen morphologischen Information (MRT Bildfusion) unter Verwendung eines Templates. Für die Auswertung werden transversale Schnitte herangezogen wobei die Auswertung an den Schnitten mit höchster striataler Bindung erfolgt. Das Ergebnis wird in Form spezifischer Bindungswerte (Specific Ratio) seitengetrennt für beide Striati und ihre Teilregionen angezeigt. Ungeeignete Schwellenwerte bei der Bilddarstellung können Artefakte bilden oder zu einer Überbewertung führen (Abb. 10). Eine Änderung des oberen Schwellenwertes (100%) und unteren Schwellenwertes (0%) ist nicht empfehlenswert (Jacques et al. 2009)42.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: “Ungeeigneter Schwellenwert 0 - 52% vs. geeigneter Schwellenwert 0 - 100%“ (Jacques et al. 2009)43
2.2.4 Streustrahlenkorrektur
Bei den in der nuklearmedizinischen Diagnostik verwendeten Radionukliden tritt fast ausschließlich die Compton Streuung auf. Das gestreute Photon ändert seine Richtung und wird dadurch falsch geortet. Das führt in weiterer Folge zu einer Bildverfälschung (Rauschen). Der Compton - Streuanteil hängt von der Objektform und Dichteverteilung des Absorbers, der Breite des Energiefensters und von der örtlichen Verteilung der Aktivität ab. Der Compton - Anteil liegt bei der SPECT zwischen 40 und 60%. Bevor die SPECT - Ergebnisse quantitativ ausgewertet werden ist eine Streustrahlenkorrektur sinnvoll. Hierzu werden mathematische und messtechnische Lösungen angewendet. Sinnvoll erscheint es, den Streustrahlenanteil gleich bei der Akquisition zu reduzieren (Energiemessung) (Geworski 2003)44. Durch den Einsatz verschiedener Energiefenster bei der Datenakquisition kann der Streustrahlenanteil abgeschätzt und mittels Korrekturfaktoren in die Rekonstruktionsverfahren eingebracht werden (Hacker 2002)45.
Die einfachste Methode der Comptonkorrektur ist die Unterkorrektur. Sie ist direkt in den zur Schwächungskorrektur verwendeten Algorithmus implementiert. Durch Absorptions- und Streuprozesse wird die primäre Photonenenergie abgeschwächt und das führt in weiterer Folge zu einer Reduktion der Counts in jedem Voxel. Für eine genaue Korrektur dieser Effekte muss ein Absorptionskoeffizient bekannt sein. Dieser kann mittels einer Transmissionsmessung ermittelt werden. Der Schwächungskoeffizient bestimmt das Maß der Photonen, die durch Schwächung und Streuung verloren gehen. Für homogenes Gewebe beträgt der Absorptionskoeffizient μ = 0,15cm-1. Wird zur Schwächungskorrektur ein kleinerer Wert eingesetzt (μ = 0,12 - 0,13cm-1 ), verringert sich der Anteil an gestreuten und nicht gestreuten Photonen entlang eines Strahles gleichermaßen (Jaszczak et al. 1984)46. Durch die Wahl eines kleineren Absorptionskoeffizienten kann der zusätzliche Anteil an Counts (verursacht durch gestreute Photonen) nach unten korrigiert warden (Ruthner 2008)47. In der vorliegenden Arbeit wird näher die Triple Energy Window Methode behandelt.
2.2.5 Triple Energy Window
Die Subtraktionsmethode wurde erstmals von Ogawa (Ogawa et al. 1991)48 vorgestellt. Bei dieser Methode wird die Anzahl an Streustrahlung in jedem Pixel abgeschätzt. Durch zwei zum Photopeak - Fenster benachbarte Referenzenergiefenster werden Rückschlüsse auf den Anteil an Streustrahlung im Photopeak - Fenster gezogen (Abb. 11) (Ichihara et al. 1993)49.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: “Triple Energy Window Methode” (Nicoletti et al. 2010)50
Zur Findung des Messschwerpunkts im Photopeak - Fenster wird ein Gauß - Fit gelegt (Weißhaar 2003)51.
Bedingt durch die geringe Energieauflösung der NaI - Kristalle kommt es zu einer Unschärfe im Spektrum, aus dem Peak wird eine Gaußkurve und diese überlagert sich mit dem Spektrum der Streustrahlung. Am unteren und oberen Ende der Gaußkurve wird ein niederenergetisches und höherenergetisches Referenzenergiefenster positioniert. In der Annahme, dass im unteren Referenzfenster mehr Streustrahlung gemessen wird als im oberen und der Anteil an gestreuten Photonen im Hauptfenster mit steigender Energie abnimmt, lässt sich die geschätzte Anzahl an gestreuter Streustrahlung im Hauptfenster anhand folgender Formel berechnen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 1
wobei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Anzahl der detektierten Gammaquanten im unteren sowie im oberen Referenzfenster sind, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Breite des Hauptfensters, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Breite der angrenzenden Referenzfenster und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die geschätzte Anzahl an gestreuten Gammaquanten im Hauptfenster ist. Der Anteil an Streustrahlung wird für jedes Pixel nach dieser Formel berechnet und subtrahiert (Ichihara et al. 1993)52.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: “TEW - Methode integriert im Auswertungs - Workflow“, Quelle: SMZ Ost, Siemens Workstation
Die im Auswertungsalgorithmus integrierte Triple Energy Window Methode hilft den Anteil an Streustrahlung im akquirierten Datensatz abzuschätzen und zu subtrahieren (Abb. 12). Die Triple Energy Window Methode wurde gewählt, weil die Gammakamera keine ideale Energieauflösung hat und somit nicht eindeutig geschwächte (Streuartefakte) von nicht geschwächten (Ausgangsenergie unverändert) Gammaquanten unterscheiden kann.
2.2.6 Schwächungskorrektur
Eine Schwächung der Photonenstrahlung (Absorption, Streuung) tritt bei der Wechselwirkung von Quantenstrahlung mit Materie auf. Bei der Emissionstomographie stellt die Photonenabsorption im Gewebe eine Störung der Messwerte dar, indem sie den linearen Zusammenhang zwischen der Aktivitätsverteilung im Objekt und den gemessenen Projektionen verfälscht. Die veränderten Messdaten führen in weiterer Folge zu starken Bildverfälschungen. Mit Hilfe einer Schwächungskorrektur ist es möglich, die hervorgerufenen Fehler im rekonstruierten Objekt aufzuheben (Geworski 2003)53. Funktionsdefekte können auch ohne Schwächungskorrektur mit SPECT - Untersuchungen lokalisiert werden, aber eine richtige Darstellung der Aktivitätsverteilung im rekonstruierten Volumen ergeben sich nach einer durchgeführten Schwächungskorrektur.
Zurzeit gibt es zwei Korrekturmöglichkeiten:
a) Anwendung einer rechnerischen Methode nach Chang (Chang 1978)54 (für homogene Schwächung) mit Vorgabe des Schwächungskoeffizienten und Kontur
b) Gemessene Schwächungskorrektur (inhomogene Schwächung) mit Hilfe einer externen Quelle (individuelle Transmissionsmessung) (Nicoletti et al. 2005)55.
2.2.7 Rechnerische Methode nach Chang
Diese Art der Schwächungskorrektur wird in den Hirn - SPECT Untersuchungen oft angewendet, da der Schwächungskoeffizient im untersuchten Volumen konstant ist. Diese Methode stellt eine Näherung an die wirklichen Verhältnisse dar und kann nur bei Körperregionen mit homogener Dichte angewendet werden. Im rekonstruierten Bild wird mit einer Ellipse als Näherung die Körperkontur eingezeichnet (Abb. 13). Alle Bildpunkte innerhalb der Ellipse werden mit einem Korrekturfaktor multipliziert (abgeleitet vom Schwächungskoeffizienten), der für die Bildpunkte in der Mitte am größten ist und für Bildpunkte gegen den Rand hin kleiner wird (Nicoletti et al. 2005)56.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: “Schwächungskorrektur nach Chang - Methode“ (Nicoletti et al. 2010)57
2.2.8 Gemessene Schwächungskorrektur
Für die Korrektur auf Basis der gemessenen Schwächungskoeffizienten wird eine Transmissionsmessung mit einer externen Strahlenquelle angefertigt. Damit erhält man die tatsächliche Dichteverteilung im Patienten. Die Transmissionsquelle rotiert um den Patienten herum und stellt neben dem zusätzlichen zeitlichen Aufwand auch eine Erhöhung der Strahlenexposition dar (Geworski 2003)58.
Typische Transmissionsquellen sind:
a) Linienquellen ((Kollimierung notwendig)
b) Punktquellen
c) Röntgenröhre
Um statistischen Schwankungen entgegen zu wirken, wird eine segmentierte Schwächungskorrektur verwendet, welche drei bis vier Dichtebereiche unterscheidet (Nicoletti et al. 2005)59.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Schwächungskorrektur anhand von CT - Daten vorgestellt. Neben einer Schwächungskorrektur, ermöglichen die CT - Daten auch eine Bildfusion der funktionellen SPECT - Aufnahmen mit der anatomischen CT - Information.
2.2.9 Low dose Computertomographie
Die low - dose - CT wird ohne intravenöse Kontrastmittelverstärkung (CT - nativ) angefertigt. In der CT - Gantry wird ein Röntgenstrahlenfächer erzeugt und der Patient durchstrahlt. Um die Schwächungsdaten zu bestimmen, wird die Intensität der Röntgenstrahlen vor und nach dem Durchgang durch den Patienten gemessen. Aus den gewonnenen Intensitätsquotienten ergibt sich die Schwächung entlang des Strahlenpfades. Die Vorgangsweise wird aus vielen Richtungen wiederholt, sodass alle Volumenelemente von der Röntgenstrahlung erfasst werden (Abb. 14) (Nicoletti et al. 2010)60.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: „Rotation der Röntgenröhre und der gegenüberliegenden Detektoren um die Längsachse des Patienten“ (Kalender 2006)61
Es entsteht in jeder Richtung ein Schwächungsprofil der untersuchten Schichten. Aus Schwächungsprofilen lassen sich per Computer die Dichteverteilungen („attenuation map“) errechnen, welche als Basis der Schwächungskorrektur sind (Abb. 15).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15: „Messwertaufnahme eines CT - Scanners“ (Kalender 2006)62
Die Dichtewerte werden in Hounsfield - Einheiten (HE) angegeben. Jedem Dichtewert wird eine Graustufe zugeordnet: weiß bei starker Absorption und hohen HE - Werten (Knochen), schwarz bei fehlender Absorption und negativen HE - Werten (Luft). Die zusätzliche Strahlenbelastung ist viel niedriger (1mSv) als bei einer durchgeführten diagnostischen (full - dose - Technik) CT (z.B. CT der Lunge ca. 8 - 10 mSv) (Kalender 2006)63. Die Untersuchung dauert für den Patienten nur wenige Sekunden länger, als bei einer Szintigraphie ohne low - dose - CT. Die low – dose - CT-Transmissionsbilder sind artefaktfrei und können für die Fusion (Überlagerung) mit szintigraphischen Bildern verwendet werden (Abb. 16). Dadurch wird eine exakte anatomische Zuordnung (Co-registration) als auch eine exakte Berechnung der Strahlungsabschwächung möglich, so dass eine individuelle Schwächungskorrektur angefertigt werden kann (European Medicines Agency 2007)64.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 16: „a) links: CT - Bild, b) mitte: Koregistiertes Bild, c) rechts: SPECT - Bild“ (European Medicines Agency 2007)65
Die Gantries sind bei der Symbia T6 im selben Gehäuse untergebracht und nicht einzeln von außen sichtbar. Die rekonstruierten Bilder werden mit Hilfe eines eigens dafür erstellten Workflow’s im Computer automatisch reformatiert und danach fusioniert.
2.2.10 Texturmerkmale
Die grundlegende Eigenschaft einer Textur ist das kleine elementare Muster, das sich periodisch im Raum wiederholt wie das Muster auf einer Tapete. Mit unserem Sehsystem können wir Muster leicht erkennen und voneinander unterscheiden. Viel schwieriger ist die Charakterisierung und Unterscheidung der diffusen Größen einer Textur mit definierten Parametern. Ein Computersystem kann mit mathematischen Operatoren eine Textur analysieren und Unterscheidung von Mustern ermöglichen. Mit Hilfe dieser Operatoren lassen sich auch komplexe Muster mit charakteristischen Größen beschreiben. Das Problem der Mustererkennung wird auf die einfache Unterscheidung von Grauwerten reduziert. In der Bildanalyse kann das kleine Grundmuster und die Wiederholungsregel beschrieben werden. Die Wiederholungsregel definiert die charakteristische Größe einer Textur. Die in dieser Arbeit aufgeführte Beschreibung bezieht sich auf Grauwertbilder, in denen zur Quantisierung (von lat. Quantitas - Menge) der Bildintensität jedem Pixel ein Byte zugeordnet wird. Somit verfügt man über Grauwerte, welche sich im Bereich zwischen 0 (schwarz) und 255 (weiß) befinden. Alle dazwischen liegenden Werte werden dunkel und hellgrau dargestellt. Ein Histogramm der Bytes einer Region beschreibt deren Textur. (Jähne 2005)66
Die lokale Verteilung und Variation der Grauwerte in einem Bereich des Bildes oder einer Fläche (Grundtexturfläche) bestimmen die Textur einer Objektoberfläche. Die Teilflächen wiederholen sich und bilden ein Texturgebiet. Die Grundtextur beinhaltet die notwendigen Texturinformationen und wird als texturerzeugendes Muster betrachtet. Mittels einer computerunterstützten Auswertung erhält man ein Texturfenster, mit welchem die Abhängigkeit der Textur von der Betrachtungsweise erkannt werden kann. Das Texturfenster hat die Größe der Grundtexturfläche und erlaubt die Extraktion aller notwendigen Texturmerkmale. Diese Merkmale haben einen abstrakten Charakter und sind ohne visuellen Bezug. Einfache Merkmale, womit eine Textur beschrieben werden kann, sind lokaler Graumittelwert und die lokale Varianz (Intensitätsschwankungen) der Grauwerte des Ursprungsbildes (Grauwerthistogramm - statistik erster Ordnung). Das Histogramm enthält somit die Information, wie viele Pixel welchen Grauwert besitzen (Abb. 17). (Jähne 2005)67
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 17: “Über die Verteilung der Grauwerte eines Bildes gibt das Histogramm der relativen Häufigkeiten Auskunft“ (Jähne 2005)68
2.2.11 Grauwertübergangsmatrix
Grauwertübergangsmatrix oder Co - occurrence - Matrizen (Spatial Greylevel Dependance Matrix - SGLD) sind ein wichtiges Werkzeug zur Texturanalyse womit Texturmerkmale, abgeleitet aus dem Ortsbereich, beschrieben werden können. Das Ziel der CoMa-Anwendung ist auch die Beschreibung der Grauwertverhältnisse in der näheren Umgebung des jeweiligen aktuellen Pixels. Die Grauwertmatrix lässt sich anhand folgender Formel berechnen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 2
wobei C die Co - occurrence Matrix und G die Grautonanzahl der absoluten Häufigkeit des gemeinsamen Auftretens der Grautöne i und j ist. Co - occurrence Matrix repräsentiert die Korrelation zwischen den Pixeln. Pixel p1 und p2 sind ein Paar, wenn sie Abstand d haben und auf einer Linie mit einem gegebenen Winkel α zur x-Achse liegen (Abb. 18). (Jähne 2005)69
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 18: “Wahrscheinlichkeit P, dass p1 und p2 Grauwerte g1 und g2 haben“ (Jähne 2005)70
Der Co - occurrence Algorithmus nutzt statistische Methoden um die Grauwertabhängigkeiten zu erfassen. Dazu werden zweidimensionale Matrizen eingesetzt, die Verbindungswahrscheinlichkeiten von Pixeln getrennt nach Distanz der Pixeln (d) für eine gegebene Richtung (r) angeben. Dabei treten wiederholende Grauwertunterschiede auf. Die Differenzen der Grauwertunterschiede lassen Rückschlüsse auf die Art der Strukturen zu. Die Operationen zur Erstellung einer Co - occurrence Matrix beschränken sich also auf das Zählen bestimmter Grauwertkombinationen an vorgegebenen Orten des Ursprungsbildes (Abb. 19). In weiterer Folge bedarf es noch einer Auswertung, die brauchbare Daten zur Beschreibung der Textur liefert. Beim Co - occurrence Verfahren ist es das Ziel, die einzelnen Matrizen in aussagekräftige Parameter zu überführen. Typische Parameter sind Energie, Kontrast, Entropie, Homogenität und Korrelation. (Haralick et al. 1973)71
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 19: “Elemente C (i, j) der Grauwertmatrix geben an, wie häufig eine Relation (iRj) im Bild G erfüllt ist“ (Haralick et al. 1973)72
Parameter i und j stellen die Grauwerte des Bildes dar, wo hingegen die Relation iRj z.B. folgende Bedeutung haben kann:
- Grauwert i ist rechter Nachbar von Grauwert j
- Grauwert i ist oberer Nachbar von Grauwert j
- Grauwert i ist übernächster linker Nachbar von Grauwert j etc. (Haralick et al. 1973)73
3 Material und Methoden
3.1 Messungen am Jaszczak Phantom mit Hohlkugeln
Die SPECT - Untersuchung wurde an einer Siemens Symbia T6 Doppelkopfkamera (E - Cam Detektorköpfe) durchgeführt. Die Symbia T6 ist mit einem vollwertigen 6 Zeiler Computertomographen ausgestattet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 20: “ Symbia T6 SPECT/CT mit Kopfhalterung“
Mit einer Rotation von 180 Grad konnten alle Projektionen aus 360 Grad aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnung der Bilder erfolgte mit einer Matrix von 128 x 128 Pixel und transversale Schnittbilder wurden mit einer Pixelgröße und Schichtdicke von 3,9 mm rekonstruiert. Insgesamt wurden sechs Aufnahmen des Jaszczak Phantoms mit sechs verschiedenen Aufnahmeparametern und zwei verschiedenen Kollimatortypen angefertigt. Alle Aufnahmen wurden mit einem Photopeak - Hauptfenster von 140 keV und zwei Referenzfenstern (Streustrahlkorrektur) erstellt und mit einem entsprechenden Auswerteworkflow rekonstruiert. Im vorliegenden Abschnitt sollen die optimalen Aufnahmeparameter ermittelt werden.
3.1.1 Aktivitätsansatz
Für die Messung wurde zuerst eine 101 MBq123 I Standardprobe vorbereitet. Am Aktivimeter erfolgte eine Messung der vollen Spritze zwecks Verifizierung der benötigten Aktivität. Daraus wurden 9 MBq123 I für den Ansatz der Hohlkugeln entnommen und im Aktivimeter verifiziert. Der Ansatz wurde anschließend unter Verwendung von destilliertem Wasser auf 300 ml verdünnt (Tab. 2). Im Nachhinein erfolgte die Rückmessung der leeren Spritze. Für die Füllung des Hintergrunds des Jaszczak Phantoms wurden 45 MBq123 I in destilliertem Wasser angesetzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: “Angestrebte und tatsächlich zur Phantom/ - und Kugelbefüllung verifizierte Aktivitätskonzentrationen“
[...]
1 Umland-Seidler 2004
2 Umland-Seidler 2004
3 Trepel 2009
4 Schmidt et al. 2005
5 Straub 2007
6 Umland-Seidler 2004
7 Pirker 2008
8 Pirker 2008
9 Kitchen 2002
10 Pirker 2008
11 Pirker 2008
12 Meckbach 23.04.2008
13 Neumeyer JL 1996
14 European Medicines Agency 2007
15 Tatsch
16 European Medicines Agency 2007
17 European Medicines Agency 2007
18 European Medicines Agency 2007
19 Nicoletti et al. 2005
20 Nicoletti et al. 2005
21 Uhlenbrock & Partner
22 Siemens AG Healthcare Sector 2006
23 Siemens AG Healthcare Sector 2006
24 Kauppinen T. 2000
25 Köchle 2008
26 Siemens AG Healthcare Sector 2006
27 König 2007
28 König 2007
29 Jacques et al. 2009
30 Umland-Seidler 2004
31 Jacques et al. 2009
32 Umland-Seidler 2004
33 Umland-Seidler 2004
34 Umland-Seidler 2004
35 Umland-Seidler 2004
36 Süßmair 2007
37 Umland-Seidler 2004
38 European Medicines Agency 2007
39 Jacques et al. 2009
40 Siemens AG Healthcare Sector 2006
41 Jacques et al. 2009
42 Jacques et al. 2009
43 Jacques et al. 2009
44 Geworski 2003
45 Hacker 2002
46 Jaszczak et al. 1984
47 Ruthner 2008
48 Ogawa et al. 1991
49 Ichihara et al. 1993
50 Nicoletti et al. 2010
51 Weißhaar 2003
52 Ichihara et al. 1993
53 Geworski 2003
54 Chang 1978
55 Nicoletti et al. 2005
56 Nicoletti et al. 2005
57 Nicoletti et al. 2010
58 Geworski 2003
59 Nicoletti et al. 2005
60 Nicoletti et al. 2010
61 Kalender 2006
62 Kalender 2006
63 Kalender 2006
64 European Medicines Agency 2007
65 European Medicines Agency 2007
66 Jähne 2005
67 Jähne 2005
68 Jähne 2005
69 Jähne 2005
70 Jähne 2005
71 Haralick et al. 1973
72 Haralick et al. 1973
73 Haralick et al. 1973
- Arbeit zitieren
- Zoran Siljic (Autor:in), 2012, Anwendung der CT-Schwächungskorrektur in der Basalgangliendiagnostik: CT-Schwächungskorrektur vs. Korrektur nach CHANG, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/197068