Hidajat, Nico: Bestimmung und Optimierung der Strahlendosis des Patienten bei der Computertomographie - Methoden, Probleme und Lösungsmöglichkeiten -

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Kapitel 3. Physikalische Dosisgrößen bei der CT

Die heute gebräuchlichen physikalischen Dosisgrößen bei der CT sind der Computertomographie-Dosisindex (CTDI), die Achsendosis und das Dosislängenprodukt (DLP). Alle diese Dosisgrößen werden dazu benutzt, um die Energiedosen an bestimmten Orten quantitativ zu erfassen.

Der CTDI ist definiert als das Integral des Energiedosisprofils einer Einzelschicht entlang einer Senkrechten zur Schichtebene, dividiert durch die nominelle Schichtdicke. Eingeführt wurde der CTDI von Shope und Mitarb. (1981). Dabei wurde berücksichtigt, daß das Dosisprofil sehr weit über die Schicht hinausgeht. Daher wurde zunächst das Integral über eine unendliche Länge gebildet, d.h.

wobei sd die nominelle Schichtdicke und D(z) die Dosis als Funktion der Position entlang der z-Achse-Koordinate bedeutet. Da bei einer CT-Untersuchung in der Regel mehrere Schichten angefertigt werden, wurde, ebenfalls von Shope und Mitarb., der Multiple Scan Average Dose (MSAD) eingeführt und definiert als

wobei sa der Schichtabstand, n die Anzahl der Schichten und Dn,sa(z) die Dosis als Funktion der Position entlang der z-Achse-Koordinate bedeutet.

Bereits Jucius und Kambic (1977) und Suzuki und Suzuki (1978) diskutierten darüber, daß das Integral eines Einzelschichtdosisprofils gleich dem Integral des Dosisprofils über der zentralen Schicht einer Serie von Schichten ist. Shope und Mitarb. konnten veranschaulichen und mathematisch zeigen, daß der CTDI und MSAD praktisch gleich sind, wenn die Schichtdicke gleich dem Schichtabstand und die Anzahl der Schichten groß genug gewählt wird. In solchen Fällen gilt


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Die Gleichheit resultiert daraus, daß die in die Bestimmung des CTDI eingehenden Teile des Dosisprofils außerhalb der Schicht durch die in die Bestimmung des MSAD eingehenden Teile der Dosisprofile benachbarter Schichten quantitativ repräsentiert werden. Bei genügend großer Anzahl von Schichten tragen die erste und letzte Schicht der Schichtserie nicht mehr signifikant zu der Dosis in der zentralen Schicht bei. Diese Bedingung ist erfüllt bei 10 bis 12 lückenlos aneinandergereihten Schichten (Shope und Mitarb. 1981). Ist der Schichtabstand nicht gleich der nominellen Schichtdicke, so gilt

Die Beziehung zwischen CTDI und MSAD macht verständlich, daß durch die Division des Integrals des Einzelschichtdosisprofils durch die nominelle Schichtdicke die durchschnittliche Dosis im Zentrum einer Serie von Schichten innerhalb einer Strecke, die dem Schichtabstand entspricht, bestimmt wird.

Als Meßkörper für die Messung von CTDI dienen zwei zylindrische Phantome aus Plexiglas mit einer Länge von mindestens 14 cm und einem Durchmesser von 16 cm und 32 cm, die auch als Kopf- und Körperphantom bezeichnet werden. Die Phantome enthalten zur Aufnahme des Dosisdetektors fünf parallel zur Symmetrieachse ausgerichtete Bohrungen, die in dieser Achse und 1 cm unterhalb der Phantomoberfläche in 90°-Abständen lokalisiert sind. Das Kopf-Phantom kann auf der Patientenkopfschale und das Körper-Phantom auf dem Patiententisch liegen, so daß die Phantomachse mit der Systemachse des CT-Gerätes zusammenfällt und die Schichtebene durch die Mitte des Phantoms und des Dosisdetektors verläuft. Die CT-Geräte und CTDI-Phantome von General Electric (GE) besitzen eine Einrichtung, die erlaubt, daß das Phantom an das Ende des Patiententisches angehängt wird und


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praktisch frei in Luft hängt. Dies erlaubt sehr exakte Messungen des CTDI ohne Kopfschale oder Tisch als störende Absorber. In die bei einer Messung nicht benutzten Bohrungen können genau passende Einsatzteile eingebracht werden. Damit der Dosisdetektor in den Bohrungen genau anliegt, kann ein Adapter verwendet werden. Sowohl Einsatzteile als auch Adapter müssen aus dem gleichen Material sein wie das Phantom. Das CT-Gerät muß auf Einzelschichtbetrieb eingestellt sein.

Gemessen wird der CTDI bei allen für den Anwender zur Verfügung stehenden Röhrenspannungen und nominellen Schichtdicken. Das mAs-Produkt ist wegen des linearen Zusammenhangs zwischen Dosis und mAs-Produkt im Prinzip frei wählbar. In der Regel wird der CTDI/100 mAs oder CTDI/mAs angegeben. Für jede Einstellung werden die 4 peripheren CTDI-Werte und der zentrale CTDI für jedes der beiden Phantome bestimmt.

Die Integrationsstrecke wird in der Praxis unterschiedlich festgelegt. Die Food and Drug Administration (FDA) forderte im Jahre 1985 eine Integrationsstrecke von 14 Schichtdicken (Department of Health and Human Services 1985). Alle Hersteller von CT-Geräten sind in den USA verpflichtet, die CTDIFDA-Werte anzugeben. Nach der Europäischen Norm DIN EN 61223-2-6, die den Status einer Deutschen Norm besitzt, muß ab dem 1.4.2000 der CTDI über 14 Schichtdicken mindestens halbjährlich und bei jeder größeren Wartungsarbeit gemessen werden (DIN 1997a). In den europäischen Leitlinien für Qualitätskriterien in der Computertomographie wird eine Integrationsstrecke von 10 cm festgesetzt (Europäische Kommission 1998). Der CTDI10cm wird in manchen Arbeiten auch als praktischer CTDI (PCTDI) bezeichnet (Leitz und Mitarb. 1995, Scheck und Mitarb. 1998a). Häufig hängt die Integrationsstrecke von der Länge des verwendeten Dosisdetektors ab. Mit längerer Integrationsstrecke wird das axiale Dosisprofil vollständiger erfaßt.

Ein sehr häufig gebrauchter Begriff ist der CTDIw (gewichteter CTDI). Dieser ursprünglich als DAVE bezeichnete Begriff stellt die Summe von 1/3 des zentralen CTDI10cm und 2/3 des mittleren peripheren CTDI10cm dar (Leitz und Mitarb. 1995). Unter den vereinfachenden Annahmen, daß der CTDI von der Peripherie zum Zentrum hin linear abfällt, die Dosis außerhalb der nominellen Schicht verschwindet


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und innerhalb der Schicht die Dosis gleich dem CTDI ist, wird durch den CTDIw der mittlere CTDI innerhalb der Schicht in einem CTDI-Phantom ausgedrückt.

Die vereinfachte Form des CTDI ist die Dosis in der Systemachse, kurz auch Achsendosis genannt (Lemke und Mitarb. 1995, Hidajat und Mitarb. 1997b). Die Achsendosis ist mathematisch mit der ursprünglichen Form des CTDI identisch, wird aber ohne Phantom frei in Luft gemessen. Es findet sich häufig auch die Bezeichnung CTDILuft, CTDIair, DLuft oder Dair. Die Bestimmung der Achsendosis ist ein Bestandteil der Abnahmeprüfung und muß bei jedem Röhrenwechsel erfolgen. Nach DIN 6868 Teil 53 muß die Integrationsstrecke dabei mindestens 10 cm betragen (DIN 1999).

Der Begriff des Dosislängenproduktes (DLP) wird für eine Einzelschicht, aber auch für eine beliebige Anzahl von Schichten oder Rotationen benutzt. Das DLP ist gleich dem Integral des Energiedosisprofils, d.h.

Das DLP für eine Einzelschicht taucht im DIN 6868 Teil 53 im Zusammenhang mit der Messung der Achsendosis in der Abnahmeprüfung auf (DIN 1999). Eine erweiterte Form des DLP stellt das Produkt des Integrals des Dosisprofils mit der Anzahl n der Schichten bei der konventionellen CT bzw. der Rotationen bei der Spiral-CT für die eingestellte nominelle Schichtdicke sd dar. Falls es sich um eine Messung frei in Luft handelt, gilt

DLPair = Dair x sd x n

und falls die Messungen im CTDI-Phantom erfolgen

DLP = CTDIw x sd x n


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3.1 Meßverfahren

Zur Bestimmung der physikalischen Dosisgrößen kommen die Ionisationsdosimetrie, die Thermolumineszenzdosimetrie und die Filmdosimetrie zur Anwendung.

Bei der Ionisationsdosimetrie wird zur Bestimmung der Energiedosis eine Ionisationskammer verwendet. Die Ionisationskammer wird durch ein von zwei Elektroden begrenztes Gasvolumen dargestellt. Bestrahlt man dieses mit ionisierender Strahlung, so fließt beim Anlegen einer Spannung ein elektrischer Strom, der durch Wanderung der gebildeten Gasionen im elektrischen Feld erzeugt wird. Der Zusammenhang zwischen der Ladung und der am Ort der Kammer erzeugten Dosis wird durch den sogenannten Kammerfaktor hergestellt. Der Kammerfaktor wird vom Hersteller für jede einzelne Kammer angegeben und hängt von der Strahlenenergie, dem Material und der Stärke der Kammerwand, dem Volumen und der Form der Kammer ab. Bei der CT wird zweckmäßigerweise die Bleistift-Ionisationskammer verwendet, die in die Bohrungen des CTDI-Phantoms eingebracht werden kann. Die Mitte der Ionisationskammer muß in der Schichtebene liegen. Das angeschlossene Dosimeter zeigt die Energiedosis an. Dabei hat es sich im europäischen Raum durchgesetzt, die Energiedosis als Luft-Energiedosis anzugeben (Europäische Kommission 1998). Entsprechend ist das Dosimeter vorher zu kalibrieren.

Thermolumineszenzdetektoren (TLD) haben die Eigenschaft, absorbierte Strahlungsenergie zu speichern und unter Erwärmung die gespeicherte Energie in Form von sichtbarem Licht zu emittieren. Die beim Ausheizen emittierte Lichtsumme ist der im Detektor gespeicherten Energiedosis proportional. Das Licht wird in Form einer Glowkurve ausgesendet, die in der Regel mehrere Maxima aufweist. Für die Ermittlung der mit einem TLD gemessenen Dosis wird entweder die Höhe des Hauptmaximums der Glowkurve oder für eine höhere Genauigkeit das Integral bzw. die Lichtsumme zwischen zwei Temperaturen vor und hinter dem Hauptmaximum herangezogen. Die in der Röntgendiagnostik meist verwendeten Materialien für die TLD sind Lithiumfluorid (LiF) und Calciumfluorid (CaF2). Diese werden mit Fremdatomen wie Magnesium, Titan, Mangan oder Dysprosium dotiert (LiF:Mg,Ti, CaF2:Mn, CaF2:Dy).


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Die TLD sind in verschiedenen Formen verfügbar. Für Dosismessungen bei der CT werden meist stäbchenförmige TLD mit einer Länge von 6 mm und einem Durchmesser von 1 mm, plättchenförmige mit einer Abmessung von 3,2 x 3,2 x 0,9 mm³ oder TLD-Würfel mit einer Seitenlänge von 1 mm verwendet. Die TLD können nicht nur für Messungen an Körperoberflächen oder in Phantomen an einzelnen Punkten verwendet werden, sondern eignen sich durch Aneinanderreihung auch zur Erstellung von Dosisprofilen und zur Bestimmung der Achsendosis und des CTDI. Bei lückenloser Aneinanderreihung gilt

Dabei ist Di die Dosis im i-ten TLD, t die Dicke des TLD, n die Anzahl der TLD und sd die nominelle Schichtdicke.

Die TLD sind Teil eines Thermolumineszenzdosimetrie-Systems, zu dem auch das Auswertegerät mit seinen Einrichtungen zur Anregung, Messung und Anzeige des Lumineszenzlichtes gehört. Die Thermolumineszenz-Meßapparatur besteht aus einer Heizvorrichtung und einem Photovervielfacher für die Lichtmessung und Umwandlung in elektrische Signale. Die Kalibrierung der TLD erfolgt meist mittels Ionisationsdosimetrie und für jedes einzelne TLD bei den in der CT üblichen Strahlenqualitäten. Sie ist regelmäßig zu wiederholen, da sich das Ansprechvermögen des Gesamtsystems und seiner Teile bei Benutzung und Lagerung ändern kann.

Vor der Anwendung der TLD müssen diese regeneriert werden. Dies erfolgt durch eine Wärmebehandlung (pre-irradiation annealing), bei LiF:Mg zum Beispiel 1 h bei 400 °C oder 24 h bei 80 °C. Hierdurch werden Informationen durch vorangegangene Bestrahlungen aufgehoben (Driscoll und Barthe 1986). Nach der Bestrahlung und vor der Auswertung sollte eine Wärmebehandlung (post-irradiation annealing) erfolgen, bei LiF:Mg zum Beispiel 1 h bei 100 °C. Hierdurch wird der Teil der Glowkurve eliminiert, der stark abhängig von der Zeit zwischen Bestrahlung und Auswertung ist. Im Auswertesystem erfolgen die Erwärmung der TLD in verschiedenen Stufen und die Messung der Lichtsumme. Vor der nächsten Anwendung erfolgt erneut eine


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Regenerierung der TLD. Die genaue Einhaltung eines einmal gewählten Ablaufes für Regenerierung, Bestrahlung, Auswertung, Lagerung und Kalibrierung verbessert die Reproduzierbarkeit und ermöglicht die Kontrolle von zahlreichen Störeinflüssen (Spanne 1979).

Für die Wahl des Thermolumineszenz-Materials sind der Dosisproportionalbereich und die Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens wesentlich. Der Dosisproportionalbereich, in dem zwischen emittierter Lichtmenge und Energiedosis eine Proportionalität besteht, liegt für LiF:Mg,Ti bei 10 µGy bis 10 Gy, für CaF2:Mn bei 1 µGy bis 10³ Gy und für CaF2:Dy bei 0,1 µGy bis 10³ Gy. Für diese Materialien ist die untere Grenze des Proportionalbereiches gleichzeitig die untere Grenze des Dosismeßbereiches. Das Ansprechvermögen eines TLD wird von der atomaren Zusammensetzung, der Größe und Form der Detektoren sowie von der Umhüllung beeinflußt. Einige Materialien zeigen bei Photonenstrahlung unterhalb von 300 keV eine sehr starke Energieabhängigkeit. Relativ günstig schneidet das LiF:Mg,Ti ab, bei dem das Verhältnis des Ansprechvermögens bei 50 keV und 1,25 MeV bezüglich der Luft-Energiedosis bei 1,25 liegt. Für CaF2 liegt dieses Verhältnis bei 15 (Hohlfeld 1990).

Die Filmdosimetrie beruht auf der Erzeugung eines latenten Bildes in der Filmemulsion durch ionisierende Strahlung. Das latente Bild, das der in der Filmebene erzeugten Dosisverteilung entspricht, wird in einem chemischen Verarbeitungsprozeß in eine Verteilung der visuellen optischen Dichte dauerhaft umgewandelt und sichtbar gemacht. Die optische Dichte wird mit einem Densitometer gemessen.

Die Kalibrierung wird bei den zu verwendenden Strahlenqualitäten in einem ebenfalls zu verwendenden Umgebungsmaterial durchgeführt. Die Dichtekurve wird durch Zuordnung der optischen Dichten zu den ionisationsdosimetrisch am Ort der Filmemulsion gemessenen Energiedosen erhalten. Im Interesse eines möglichst linearen Zusammenhangs zwischen optischer Dichte und Energiedosis darf der Film nicht mit Verstärkungsfolien verwendet werden. Die Dichtekurve gilt nur für das Umgebungsmaterial, für das die Kalibrierung erfolgt war. Der Dosismeßbereich der Filmdosimetrie liegt nach DIN 6800-4 etwa zwischen 10 µGy und 10 Gy (DIN 1997b).


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Für eine einzelne Filmsorte ist der Dosismeßbereich stets kleiner und umfaßt nur etwa zwei Größenordnungen.

Filme besitzen im Vergleich zu Ionisationskammer und TLD die Vorteile eines hohen Ortsauflösungsvermögens in der Filmebene, einer geringen Dicke der strahlungsempfindlichen Schicht und die Möglichkeit der Aufnahme einer Dosisverteilung - mit einem oder mehreren Meßfilmen - durch eine einmalige Bestrahlung. Sie eignet sich zur Erstellung und Veranschaulichung von axialen und radialen Dichteprofilen (McCullough und Mitarb. 1994, Pitton und Mitarb. 1995, Hidajat und Mitarb. 1999a). Die Bestimmung des CTDIFDA über 14 Schichtdicken ist mittels Ionisationskammer allein wegen der festen Kammerlänge nicht möglich. Bei größeren Schichtdicken und damit längeren Integrationsstrecken kann der CTDIFDA filmdosimetrisch einfacher bestimmt werden als thermolumineszenzdosimetrisch durch eine Aneinanderreihung und Auswertung einer Anzahl von TLD.

Mittels Integrationsstrecken-Korrekturfaktoren läßt sich ein gemessener CTDI für andere Integrationslängen umrechnen. Zur Bestimmung des CTDI10cm kann zum Beispiel der CTDIFDA beim Hersteller erfragt werden und mittels der zugehörigen Korrekturfaktoren umgewandelt werden (Tab. 2). Falls die zur Verfügung stehende Ionisationskammer länger ist als 10 cm, kann ein Teil der Kammer bei der Messung durch eine Bleirolle oder einen Beilappen, der eng um den zu langen Teil der Kammer gewickelt wird, von der Streustrahlung abgeschirmt werden. So lassen sich beispielsweise Korrekturfaktoren zur Umrechnung von CTDI15cm zu CTDI10cm ermitteln (Tab. 3). Diese Korrekturfaktoren sind schichtdickenunabhängig. Für die Messung in Luft ist die Integrationslänge von geringer Bedeutung, da kaum Streustrahlung entsteht. Für den zentralen CTDI im Körper-Phantom ergeben sich die größten Korrekturfaktoren, da die im Phantom auftretende Streustrahlung das Dosisprofil stark verbreitert.


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Tab. 2 : Integrationsstrecken-Korrekturfaktoren zur Berechnung von CTDI10cm ausCTDIFDA *

CTDI-

Schichtdicke

 

 

 

 

 

 

 

Phantom

10mm

8mm

7mm

6mm

5mm

4mm

3mm

2mm

1mm

Kopf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zentral

1,01

1,07

1,13

1,2

1,31

1,44

1,65

2,03

2,84

peripher

1,08

1,1

1,14

1,17

1,21

1,26

1,35

1,5

1,78

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Körper

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zentral

0,95

1,04

1,13

1,24

1,39

1,6

1,96

2,53

3,92

peripher

1,08

1,11

1,14

1,16

1,2

1,25

1,34

1,46

1,7

* Die Faktoren beinhalten bereits die Umrechnung von PMMA-Energiedosis in Luftkerma. Für effektive Energie von 66 keV sind Luftkermawerte mit 0,88 zu multiplizieren, um PMMA-Energiedosis zu erhalten (Für 60-70 keV Unsicherheit ± 5%)

Tab. 3 : Integrationsstrecken-Korrekturfaktoren
zur Berechnung von CTDI10cm aus CTDI15cm

Medium

Korrekturfaktor

Luft

1,00

 

 

Kopf-Phantom

 

zentral

0,88

peripher

0,95

 

 

Körper-Phantom

 

zentral

0,8

peripher

0,94

Werte ermittelt an einem Siemens Somatom Plus

Für den CTDIw(10cm) und CTDIw(15cm) gilt

CTDIw(10cm) = k x CTDIw(15cm)

oder


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Dabei bezeichnet kz den in Tab. 3 angegebenen Korrekturfaktor für den zentralen Wert und kp für den peripheren Wert im jeweiligen Phantom, k den Gesamt-Korrekturfaktor, z15 den zentralen und p15 den peripheren CTDI(15cm). Ist f das Verhältnis von p15 zu c15, dann läßt sich aus dem Korrekturfaktor k der CTDIw(10cm) aus dem CTDIw(15 cm) ermitteln mit

Beim Kopf-Phantom ergibt sich bei einem Wert für f von 1 bis 2 ein Korrekturfaktor k von 0,93 bis 0,94 und beim Körper-Phantom für f von 1 bis 3 ein Korrekturfaktor k von 0,89 bis 0,92. Damit unterscheidet sich der CTDIw über 10 cm nur um etwa 7 bis 11% vom CTDIw über 15 cm.


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Wed Sep 18 18:10:11 2002