Nieuwste ontwikkelingen op gebied van Computer Tomografie

Ultra fast- en Ultra lowdose CT scanning

Het is nu ongeveer 40 jaar geleden dat de Computer Tomografie (CT) zijn intrede maakte binnen de Nederlandse ziekenhuizen. Het maken van röntgenopnamen waarbij een patiënt virtueel in plakjes wordt verdeeld bestond al vanaf 1930 in de vorm van conventionele tomografie (tomos is het Griekse woord voor plak). Door een röntgenbuis rondom een stilstaande vlak te laten bewegen werd de plak zelf scherp afgebeeld en de omgeving sterk vervaagd. Als detectiemateriaal werd een röntgenfilm gebruikt. Bij CT wordt een geavanceerd detectorsysteem gebruikt om de door de patiënt verzwakte straling om te zetten in beeld. Röntgenbuis en detectoren draaien hierbij samen rond de patiënt. In tegenstelling tot b.v. MRI onderzoek is het grote nadeel van CT dat er straling bij nodig is. 

De Somatom Flash en Force zijn beiden Dual Source CT’s. Kenmerkend voor dit type scanner is de aanwezigheid van 2 röntgenbuizen (Dual Source) die naast elkaar onder een hoek van ongeveer 90 graden rond de patiënt draaien (afbeelding 2). In combinatie met een snelle tafelbeweging (pitch) en een rotatiesnelheid tot maar liefst 0.25 sec. kan een hele thorax  in 0.6 sec. gescand worden. Hierbij beweegt de tafel bij de Force-CT in de High-Pitch Spiral Mode (Turbo-Flash-mode) tot maar liefst 73 cm/sec! Doordat de tafel een aanloopje neemt merkt de patiënt er zelf vrijwel niets van. Het is ongeveer vergelijkbaar met het rijden op een snelweg met 120 km/uur. Pas als je vlak naast de autobaan gaat staan besef je pas hoe snel het allemaal gaat.

Door deze super snelle manier van scannen kan de scantijd bij kinderen teruggebracht worden tot onder de 0.4 sec. Het vasthouden van de ademhaling is geen voorwaarde meer. Zelfs bij onrustige patiënten waaronder vaak ook kleine kinderen kan nog steeds adequate diagnostiek plaatsvinden. Narcose kan dan ook steeds vaker achterwege blijven, het inbakeren van baby’s en neonaten is in veel gevallen voldoende. De dosis die hierbij wordt gegeven ligt ook nog eens ruim onder de 1 mSv met name door het gebruik van 70 kV en iteratieve reconstructie. Ter vergelijking, de jaarlijkse dosis aan achtergrondstraling die we allemaal oplopen is ongeveer 2.5 mSv.

Bij cardio-CT speelt snelheid ook een grote rol. Je kunt het vergelijken met de sluitertijd van een fototoestel, hoe korter de opnametijd hoe minder kans op beweging. Normaliter wordt een CT-beeld gegenereerd uit een 360 graden rotatie (1 rondje). Bij de Force-CT wordt deze 360 graden rotatie gehaald in maar liefst 0.25 sec. Het is een gegeven dat tot 180 graden (halve rotatie, 0.125 sec) er zonder al teveel kwaliteitsverlies een CT-beeld uitgerekend kan worden. Door de aanwezigheid van 2 röntgenbuizen die tegelijkertijd elk 90 graden (samen 180 graden) bewegen kan de scantijd bijna nog eens worden gehalveerd naar 0.06 sec (66msec). Deze ultrakorte opnametijd wordt door geen enkele andere scanner geëvenaard. Bij een hartslag onder de 65 slagen per minuut worden vrijwel altijd haarscherpe opnamen van de kransslagaders gemaakt. Het is zelfs mogelijk om met gebruikmaking van de Turbo-Flash mode bij een relatief lage hartslag tussen 2 hartslagen in het hele hart in 1 keer te scannen, met een dosis van ongeveer 0.5 mSv (afbeelding 3). Omdat andere firma’s met 1 buis werken wordt daar de oplossing in een brede detector gezocht. Met een detectorbreedte van 16 cm kan ook hier in dezelfde tijd als de Turbo-Flash het hele hart in een halve rotatie gescand worden.

Rol van iteratieve reconstructie

Toen de natuurkundige Allan Cormack in 1963 zijn theorie over een nieuwe manier van stralendetectie en reconstructie op papier zette waren er nog geen efficiënte computers en middelen om deze theorie in de praktijk te brengen. In 1969 pakte de elektrotechnicus Godfrey Hounsfield de draad weer op door een praktisch werkend model te ontwikkelen dat onder diverse hoeken opnamen kon maken tezamen met een uitleesbare detector. Ook ontwikkelde de groep rond Hounsfield een computer om beelden te kunnen reconstrueren. Terwijl Hounsfield daar mee bezig was kwam hij de publicatie tegen die Cormack een aantal jaren eerder had geschreven. Aanvankelijk bestond daardoor het idee om het CT-beeld bestaande uit een matrix van horizontale en verticale pixels vanuit elke meethoek door berekening en herberekening in te vullen. Deze methode wordt ook wel forwardprojection of iteratieve reconstructie genoemd.

Er was destijds wel een probleem. Zelfs de simpelste berekening duurde enkele dagen, dus deze methode werkte niet in de praktijk. Gelukkig was er een veel snellere, maar helaas ook minder goede methode voor handen, de backprojection. Hierbij wordt de informatie vanuit het detectorsysteem simpelweg lineair in een matrix teruggeprojecteerd richting de stralenbron. Het grote nadeel hiervan is dat het gedetecteerde signaal niet aangeeft waar precies de verzwakking heeft plaatsgevonden. Dit resulteert steevast in extra ruis en de vorming van streakartefacten bij hoge densiteiten zoals metaal.of gebitsvullingen (afbeeldingen 4 en 5). Deze backprojection, wordt tot op de dag van vandaag nog in veel scanners toegepast. 

Door de huidige ontwikkelingen in de computertechnologie is de originele iteratieve reconstructie weer in beeld gekomen. Het resultaat mag er zijn! Hoewel streakartefacten nog steeds in beperkte mate aanwezig zijn, zijn ze wel minder prominent en wat nog belangrijker is, de ruis is aanzienlijk afgenomen. Hierdoor is de kwaliteit, lees oplossend vermogen en onderscheid in contrasten, aanmerkelijk verbeterd. Omgekeerd bezien kan met een gelijkblijvende kwaliteit de dosis flink worden gereduceerd. En dat laatste gebeurt nu massaal in de CT-wereld. In december 2014 is iteratieve reconstructie op de afdelingen Radiologie en Nucleaire Geneeskunde (PET-CT) vrijwel overal ingevoerd. Door gelijktijdig de buisstroom (mA) met 1/3 te reduceren is een dosisreductie tot wel 40% gerealiseerd (afbeelding 6). Dit laatste komt mede door de eveneens vernieuwde Automatic Exposure Control  (AEC). Op basis van de gemeten verzwakking op een vooraf geproduceerde scoutopname, wordt volledig automatisch een bij de patiënt passende buistroom (mA) en buisspanning (kV) gekozen (zie deze link). 

Iteratieve reconstructie maakt meer mogelijk. Een goed voorbeeld is de IMAR (Iterative Metal Artifact Reduction) van Siemens waarbij storende metalen en andere hoge densiteiten op een slimme manier uit de reconstructie worden verwijderd. Op basis van een snelle berekening met de backprojection methode wordt het metaal gelokaliseerd en vervolgens verwijderd uit de ruwe dataset. Hierna wordt de reconstructie met de iteratieve methode overgedaan, gevolgd door terugplaatsing van de verwijderde pixels met hoge densiteit. Het resultaat is verbluffend (afbeelding 6). Ook de andere firma’s hebben vergelijkbare software pakketten ontwikkeld of zijn hiermee bezig.

Iteratieve reconstructie zal absoluut bepalend zijn in het toekomstbeeld van de CT. Met name door dosisverlaging kan de CT nu ook weer beter competeren met de MRI. Er komen ook nieuwe technieken in beeld die eerder door de hoge stralenbelasting niet haalbaar waren zoals Dynamische- en Perfusie-CT. Voor meer informatie zie deze link.

Alleen maar voordelen? Iteratieve reconstructie heeft ook een keerzijde. Door de sterke afname van de hoeveelheid ruis gaan de beelden er “anders”uit zien. Waar zich eerst ruis bevond ontstaan nu egaal grijze gebiedjes (afbeelding 7). Hoe sterker de IR-techniek staat ingesteld hoe “plasticachtiger” het beeld. De grote vraag is of de radioloog hierdoor daadwerkelijk informatie verliest of dat alleen het gevoel overheerst. Het lijkt een kwestie van wennen te zijn. Als de radioloog echter aangeeft dat nuances in de ruis medebepalend zijn wordt het verhaal lastiger. In ziekenhuizen met een nieuwe generatie, vaak jonge radiologen, speelt dit fenomeen aanzienlijk minder. 

Mogelijkheden van Dual Energy CT

Dual Energy CT (DECT) staat voor het scannen met 2 verschillende energieën. Elke ingestelde plafondwaarde (b.v. 140 kV) wordt begeleid door een stralenspectrum met lagere energieën. Daarbij heeft elke buisspanning een eigen verzwakkingpatroon in verschillende soorten weefsel. Hierbij vormen dus zowel de buisspanning als het doorstraalde weefsel variabelen. Dat is de basis van Dual Energy CT. Door de verschillende absorptiewaarden kunnen weefsels van elkaar worden gescheiden. Dat kan onderscheidt zijn tussen weke delen en bot, maar ook tussen weke delen en contrast of tussen contrast en bot.

Aan de fysiologische eigenschappen van de patiënt valt niets te veranderen, aan de wijze waarop acquisitie plaatsvindt wel. Er zijn inmiddels diverse varianten bedacht waarmee DECT uitgevoerd kan worden. Dat kan variëren van het twee maal scannen van hetzelfde gebied met verschillend kV, het (snel) switchen van kV (Toshiba, GE) tot het gebruik van een dubbele laag detectoren waarbij de bovenste de lage energieën absorbeert en de onderste de hoge energieën (Philips). Het plaatsen van een tinfilter tot halverwege de stralenbundel splitst de bundel in een hoge en lage energie (alternatief Siemens). Als laatste noem ik de Dual Source CT, waarbij met 2 buizen tegelijkertijd met 2 verschillende kV’s gescand kan worden. Door toevoeging van een tinfilter bij het hoge kV kunnen de spectra nog verder van elkaar worden gescheiden. Het UMCG beschikt over 2 van dit type scanners (Flash en Force). 

De mogelijkheden van DE zijn legio. Calcium en Jodium hebben elk een eigen verzwakkingpatroon t.o.v. weke delen bij het gelijktijdig scannen met verschillende energieën. Hierdoor vallen zowel Calcium als Jodium uit de beelden te verwijderen. Dat vormt de basis voor zowel de automatische Bone Removal (afbeelding 8), als de Jodiummapping (afbeelding 9). Bij de eerste zijn alleen weke delen en contrast zichtbaar zonder storende verkalkingen of benige structuren. Waar vaten en bot elkaar raken is dit een ideale tool, zoals in de schedelbasis bij het zoeken naar een aneurysma (zwakke plek in de vaatwand). Naast het verwijderen van bot kan ook het Jodiumcontrast uit de dataset worden geëxtraheerd. Dit geeft weer mogelijkheden om het vaatstelsel exact in beeld te brengen, voor veel vaatchirurgen belangrijke preoperatieve informatie.

Een kleine opsomming van de overige mogelijkheden van Dual Energy:

• Bij het scannen van een lever met contrast kan door DE een virtuele blanco scan worden vervaardigd, simpel door het verwijderen van contrast uit de serie.
• Absorptie verschillen van contrast in een tumor geven met name informatie over perfusie, levensvatbaarheid en de respons op de behandeling door de mogelijkheid tot kwantificatie van Jodiumopname in de afwijking. De uitkomst kan beleidsmakend zijn.
• Het differentiëren in de compositie van nierstenen.
• Het opsporen van ontstekingen, reuma etc. 

Dual Energy staat nu nog in de kinderschoenen, maar met alle potentiële voordelen zal het zeker een hoge vlucht gaan nemen. Het is daarbij te hopen dat de firma’s de verworven techniek en kennis op een of andere manier met elkaar willen delen. Maar ondanks of misschien juist wel daardoor ziet de toekomst er voor de CT zeer positief uit.