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

159

Kapitel 6. Ausblick

Die mathematischen Phantome der GSF und des NRPB und die zugehörigen Konversionsfaktoren erlauben Organdosisberechnungen für alle CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes, des Halses und des Rumpfes (Zankl und Mitarb. 1991, Jones und Shrimpton 1991, Panzer und Zankl 1993). Wenige gewebeäquivalente Phantome enthalten auch Extremitäten. Mit solchen Phantomen lassen sich CT-Untersuchungen der Extremitäten simulieren und Organdosen in risikorelevanten Organen messen. Das von allen gewebeäquivalenten Phantomen am weitesten verbreitete und zu Organdosismessungen einsetzbare Rando-Phantom besitzt in der Regel keine Extremitätenaufsätze. Daneben ist der große zeitliche und finanzielle Aufwand bei der Messung von Organdosen mittels des Rando-Phantoms eine wesentliche Einschränkung in der Flexibilität des CT-Dosimetristen, falls keine Konversionsfaktoren zur Dosisberechnung vorliegen. Meist handelt es sich bei den CT-Untersuchugen der Extremitäten um traumatologische Fragestellungen. Eine unmittelbare Lebensgefahr besteht im Gegensatz zu Verletzungen des Kopfes oder des Rumpfes meist nicht und viele der Befunde sind bereits anhand der konventionellen Aufnahmen zu erheben. Daher wird gerade bei den CT-Untersuchungen der Extremitäten die Frage nach der Patientendosis relativ häufig gestellt. Auch bei geplanten Studien wird im Antrag an das Ethik-Komitee häufig eine Dosisabschätzung gefordert.

Ein weiteres bisher noch nicht befriedigend gelöstes Problem bei der Bestimmung von Organdosen stellt der Patientendurchmesser dar (persönliche Mitteilung von Zankl, GSF, Neuherberg, 1999). Ein "dynamisches" Phantom, welches der Form und Abmessung des Patienten angepaßt werden kann, existiert nicht. Die Unterschiede in den Organdosen bei unterschiedlichen Patientendurchmessern können anhand der Unterschiede in den Organdosen zwischen den Phantomen Adam und Eva abgeschätzt werden, sofern der Körperdurchmesser des Patienten dem der beiden Phantome ähnlich ist (Zankl und Mitarb. 1992). Es liegt nahe, anhand der Organdosen für die Phantome Adam, Eva, Kind und Baby durch Inter- und Extrapolation die Organdosen eines individuellen Patienten mit einem bestimmten Durchmesser abzuschätzen. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Änderung der Patientendosis bei unterschiedlichen Patientendurchmessern geräteabhängig ist.


160

Dies kommt beispielsweise dadurch zum Ausdruck, daß das Verhältnis des CTDIw für das Kopfphantom zum CTDIw für das Körperphantom in Abhängigkeit vom Gerät um einen Faktor von bis zu 2 schwanken kann (eigene Messungen).

Neben dem Patientendurchmesser ist die Gewebezusammensetzung ein weiterer Unsicherheitsfaktor bei der Bestimmung der Organdosen. Fett vermag weniger Strahlenenergie zu absorbieren als andere solide Gewebe. Bei einem größeren Fettanteil, aber gleichem Körperdurchmesser und gleichen Untersuchungsparametern verteilt sich eine größere Energiemenge auf die risikorelevanten Organe, die eine höhere Dosis erhalten. Im Gegensatz zu Fett stellt Kontrastmittel eher ein Hindernis für die Strahlung dar und verringert die Exposition von körpereigenem Gewebe (Hidajat und Mitarb. 1996e).

Der Einfluß der Patientenabmessung und -zusammensetzung auf die Patientendosis ist bisher wenig untersucht worden. Dabei ist das Verständnis für diese Einflußfaktoren wichtig bei der Beurteilung des Dosisbedarfs zur Erhaltung einer vorgegebenen Bildqualität und Vermeidung einer unnötig hohen Patientendosis (Wilting und Mitarb. 1999). Es ist möglich, anhand von CT-Datensätzen und mathematischen Simulationen des Energietransports eine Organdosisberechnung durchzuführen. Eine solche Dosisberechnung ist für ein einzelnes Kind und Baby bereits realisiert und führte zur Entwicklung der beiden Voxelphantome Kind und Baby (Zankl und Mitarb. 1993). Das Verfahren könnte auch auf CT-Datensätze von Patienten angewandt werden, um den Einfluß von Patientenabmessung und -zusammensetzung auf die Organdosen zu analysieren. Wesentlich ist die Bestimmung der Dosis der Leibesfrucht bei einer direkten Strahlenexposition, beispielsweise bei der CT des gesamten Abdomens oder des Beckens. Je nach Alter und Größe der Leibesfrucht sowie Abmessung und Zusammensetzung der Patientin ergeben sich für die Leibesfrucht unterschiedliche Dosen. Diese Dosen sind wesentlich für die Beurteilung einer möglichen Schädigung einschließlich Induktion einer malignen Erkrankung (UNSCEAR 1986, SSK 1989). Im DGMP- und DRG- (Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik e.V. und Deutsche Röntgengesellschaft -) Bericht (1990) sind Gewebe-Luft-Verhältnisse in Abhängigkeit von der Strahlenqualität und der Schichtdicke angegeben. Diese sind allerdings nur abgeleitet aus Messungen in einem PMMA-Phantom mit einem Durchmesser von 16


161

cm. Sicher können Messungen in einem anthropomorphen gewebeäquivalenten Phantom, beispielsweise Rando-Phantom, das mit einem Aufsatz unterschiedlicher Dicken versehen ist, genauere Gewebe-Luft-Verhältnisse für unterschiedliche Stadien der Schwangerschaft erbringen und genauere Bestimmung der Dosis der Leibesfrucht ermöglichen.

Die Röhrenstrommodulation führt zu einer Dosisverteilung in den Organen, welche gegenüber der Verteilung bei konstantem Röhrenstrom völlig verändert sein kann. Diese Veränderung der Dosisverteilung ist vor allem im Körperstamm mit ovalem Querschnitt zu erwarten (Hentschel und Mitarb. 1998). Die Berechnung eines minimalen und eines maximalen Wertes für die effektive Dosis anhand des minimalen und maximalen Röhrenstromes ist für den Bereich des Körperstamms sicher zu grob.

Mehr zu berücksichtigen bei der Bestimmung der Patientendosis gibt es auch durch die Entwicklung der Mehrschicht-CT-Geräte. Durch die Anwendung von besonderen Algorithmen zur Datenakquisition muß die Patientendosis nicht mehr abhängig vom pitch sein. Bei der "Adaptiven Axialen Interpolation", wie sie beim Siemens Somatom Plus 4 VZ realisiert ist, wird angegeben, daß die Patientendosis unabhängig vom pitch der Dosis einer Sequence-Untersuchung bei gleicher Kollimierung und gleichem mAs-Wert entspricht (Ohnesorge und Mitarb. 1999). Bei überlappender Abtastung ist es die automatische Anpassung des Röhrenstroms, die dazu führt, daß die Patientendosis und auch das Bildrauschen pitchunabhängig werden. Allerdings ist bei einer nominellen Schichtdicke von 1 mm die Patientendosis um etwa 20% höher als beim Einzelschicht-Spiral-CT-Gerät Somatom Plus 4. Der Grund liegt in dem breiteren Strahlenbündel, das bei der Mehrschicht-CT nicht vermeidbar ist (Schaller und Mitarb. 1999). Moxley und Mitarb. (1999) verglichen die Patientendosis beim Einzelschicht-Spiral-CT-Gerät Hi Speed CT/i mit der beim Mehrschicht-Spiral-CT-Gerät LightSpeed QX/i der Fa. General Electric. Die Autoren zeigten filmdosimetrisch und mittels TLD an Plexiglasphantomen, daß bei dünnen Schichten (4 x 1,25 mm) die Dosis beim LightSpeed QX/i im Sequence-Mode 2,6 mal, bei überlappender Abtastung mit pitch 0,75 3,5 mal und bei pitch 1,5 1,7 mal höher ist als beim Hi Speed CT/i. Offensichtlich führen die Unterschiede zwischen den Mehrschicht-CT-Geräten in der Datenakquisition zu Unterschieden in der


162

Patientendosis. Die Bestimmung der Patientendosis bei der Mehrschicht-CT erfordert eine genaue Kenntnis über die gerätetypspezifische Datenakquisition und stellt eine weitere neue Aufgabe für den CT-Dosimetristen dar.

Heute existiert eine Reihe von Computerprogrammen für den PC zur Berechnung von Organdosen in der CT. CTDOSE (National Radiation Laboratory, Christchurch, Neuseeland), CTSUM (Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung, Neuherberg), WinDose (Institut für Medizinische Physik, Erlangen und GSF, Neuherberg) und X-Ray Dosimet-CT (Hannelore Pils, Jetzendorf) gehören zu den bekannten Programmen. Ein Vergleich dieser Programme miteinander kann sinnvoll sein, damit der Anwender sich je nach Aufgabenstellung leichter für das eine oder andere Programm entscheiden kann. Durch den mittels Empfehlungen, Leitlinien und Richtlinien ausgeübten Druck, die Patientendosis für dosisintensive Untersuchungen zu bestimmen (ICRP 1996, Europäische Gemeinschaften 1997) ist es möglich, daß in Zukunft jedes CT-Gerät mit einem Programm ausgestattet wird, das dem Anwender erleichtert, die Patientendosis zu bestimmen. Bis dahin müssen die noch vorhandenen Probleme bei der Bestimmung der Patientendosis gelöst werden.

Neben Werkzeugen zur Bestimmung der Patientendosis sind mehr am Gerät und vom Anwender selektierbare Optionen zur Optimierung der Patientendosis wünschenswert. Diese Optionen werden bald wahrscheinlich auch wichtig sein, wenn die in der europäischen Patientenrichtlinie unter Optimierung enthaltenen Forderungen, alle Dosen unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Faktoren so niedrig wie möglich zu halten (Europäische Gemeinschaften 1997), realisiert werden sollen. Die Möglichkeit, von einer Anzahl von mAs-Produkten eines auszuwählen, das der Dicke des Patienten angepaßt ist, wird von wenigen Anwendern genutzt (van Unnik und Mitarb. 1997, Zoetelief und Mitarb. 1998). Vielmehr gilt die CT seit langem als eine Untersuchungsmethode, die sich auszeichnet durch standardisierte Techniken, bei denen die Gefahr besteht, zu pauschal vorgewählte Untersuchungsparameter einzusetzen (Felsenberg und Mitarb. 1990). Eine effektivere und sehr einfache Option wird bei vielen Geräten dem Anwender angeboten, und besteht in einer groben Unterteilung von mAs-Bereichen für die Altersgruppen Baby, Kind und Erwachsener. Eine zumindest grobe qualitative Unterteilung der mAs-Bereiche kann bei erwachsenen Patienten nach der Dicke erfolgen und auf diese Weise die


163

patientengerechtere Einstellung des mAs-Produktes fördern. Nach Wilting und Mitarb. (1999) kann der Durchmesser eines individuellen Patienten als Vergleichsmaß und zur Einstellung der für eine konstante Bildqualität notwendigen Dosis herangezogen werden. Nach den ersten Ergebnissen der Autoren sollte die Dosis bei um 8 cm kleinerem Durchmesser des Körpers auf die Hälfte halbiert werden.

Bei der Datenakquisition werden neue Möglichkeiten zur Dosisreduktion angeboten. Die anatomieorientierte schwächungsbasierte Röhrenstrommodulation bei der CT als Maßnahme, den Röhrenstrom der Patientenform und -dichte anzupassen, ist noch nicht an größeren Patientenkollektiven und unterschiedlichen Körperregionen erprobt (Greeß und Mitarb. 1999). Allerdings lassen die vorliegenden veröffentlichten Ergebnisse an Phantomen, Leichen und Patienten mit diesen Verfahren erwarten, daß eine signifikante Reduktion der Patientendosis ohne signifikante Einbußen an Bildqualität möglich ist. Inwieweit das Verfahren bei der Mehrschicht-CT anwendbar ist, wurde bisher nicht beschrieben. Bei der simultanen Akquisition von 4 Schichten können in z-Richtung unterschiedliche Schwächungswerte auftreten und damit unterschiedliche Röhrenströme berechnet werden, die gleichzeitig einzustellen wären. Ebenso wäre die Anwendbarkeit einer Röhrenstrommodulation für die CT-Durchleuchtung bei Interventionen wünschenswert. Insgesamt ist die automatische patientengerechte Einstellung der Untersuchungsparameter bei der CT noch entwicklungsbedürftig und zugleich problematischer als bei der Projektionsradiographie. Die Entwicklung der Röhrenstrommodulation stellt jedoch bereits ein Schritt in Richtung "Belichtungsautomatik" dar.

Toth und Mitarb. (1999) beschrieben ein Strahlenbündelverfolgungssystem, das die Position des Detektors und des Strahlenbündels genau aufeinander abstimmen soll. Durch thermische und mechanische Kräfte während der Röhrenrotation und Gantryneigungsveränderungen kann es zu Verschiebungen des Brennflecks in axialer Richtung kommen, die dazu führen, daß äußere Anteile des Strahlenbündels den Detektor nicht erreichen und somit nicht bildwirksam werden. Dies kann verhindert werden durch ein Detektor- oder ein Röhrenpositionierungssystem, das der axialen Bewegung des Strahlenbündels folgt. Ein solches System hat für Mehrschicht-CT-Geräte mit kurzer Rotationszeit von 0,5 s jedoch ein vergleichsweise


164

langsames Ansprechen gegenüber Veränderungen der Lage des Strahlenbündels. Das kürzlich auf dem Röntgenkongreß der RSNA (Chicago, USA) 1999 vorgestellte Strahlenbündelverfolgungssystem mißt das Strahlenbündel nach jeweils wenigen Millisekunden und eignet sich aufgrund der hohen Arbeitsgeschwindigkeit auch für Scanner mit Rotationszeiten von 0,5 Sekunden. Eingesetzt beim Mehrschicht-CT-Gerät LightSpeed von Fa. General Electric kann eine Dosisreduktion um über 35% erzielt werden (Toth und Mitarb. 1999).

Der Einfluß des Formfilters auf die Patientendosis und Bildqualität ist bisher sehr wenig untersucht worden. Durch den Einsatz eines Formfilters werden besonders die Dosen in den peripheren Körperanteilen reduziert, jedoch wird gleichzeitig das Rauschen erhöht. Jones und Mott (1989) argumentierten, daß bei den meisten Untersuchungen die peripheren Körperanteile klinisch weniger von Bedeutung sind und daher das höhere Rauschen vertretbar ist. Nach Untersuchungen von Harpen (1999) kann ein optimaler Formfilter für ein gegebenes Rauschen in einem zylindrischen Phantom die integrale Dosis auf 72,9 % reduzieren. Dies wurde mittels einer Computersimulation für monoenergetische Strahlung und für ein Bildfeld von 40 cm verifiziert. Das Ausmaß der Veränderung der Patientendosis und der Bildqualität hängt jedoch von der genauen Form und Stärke des Formfilters sowie der Form und Abmessung des Patienten relativ zum Formfilter ab. Inwieweit ein Formfilter eine Reduktion der Patientendosis tatsächlich bewirken kann, ohne die Bildqualität signifikant zu beeinträchtigen, muß in weiteren Studien untersucht werden.

Im Bereich der Software zur Datenbearbeitung sind neue Algorithmen entwickelt worden, die zur Dosisreduktion eingesetzt werden können. Kachelriess und Kalender (1999) beschrieben die sogenannte 3D adaptive Filterung, die vorzugsweise Projektionsdaten mit starkem Rauschen glättet. Die Filterung kann in drei Dimensionen erfolgen, wobei die z-Filterung Daten von benachbarten Röhrenrotationen oder benachbarten Detektorzeilen verwendet. Somit kann das Verfahren sowohl bei der Einzelschicht-CT als auch bei der Mehrschicht-CT eingesetzt werden. Durch die Glättung der Projektionsdaten und Verringerung des Rauschens kann eine entsprechende Dosisreduktion gewählt werden. Das Verfahren verspricht eine Dosisreduktion um bis zu 50%.


165

Die zahlreichen Studien zur Reduktion der Patientendosis bei der CT in den letzten Jahren zeigen einerseits, daß Bedarf an Dosisreduktion besteht, andererseits aber auch, daß das Potential zur Dosisreduktion längst nicht ausgeschöpft ist. Dosiserhebungen zeigen sehr unterschiedliche Dosiswerte für ähnliche Untersuchungen (Shimpton und Mitarb. 1991, Hidajat und Mitarb. 2000 siehe Kap. 5.2.3). Auch zwischen der konventionellen CT und Spiral-CT bestehen große Unterschiede in den mAs-Produkten. Diese Unterschiede weisen darauf hin, daß in der Einstellung von geeigneten Untersuchungsparametern ein großes Potential zur Dosisreduktion liegt. Allerdings läßt sich anhand der Dosiserhebung, die vor 10 Jahren durchgeführt wurde (Shrimpton und Mitarb. 1991), und der aktuellen Dosiserhebung, daß bei vergleichbarer Technik die Dosiswerte in den letzten Jahren sich wenig geändert haben. Dies deutet auf die Schwierigkeit hin, die durch die Studien gewonnenen Erkenntnisse über den Einsatz von dosissparenden Untersuchungsparametern (Hidajat und Galanski 1999c) in die Praxis umzusetzen. Daher ist zu erwarten, daß nur durch konkrete Reglementierungen, beispielsweise Beschränkung der Patientendosis, eine wesentliche Reduktion der Patientendosis zu erreichen ist.

Ein Dosis-Monitoring, bei dem die dosisrelevanten Daten während der Untersuchung angezeigt werden, könnte dem Anwender erleichtern, sich an die Dosisschranken zu halten. Außerdem kann durch ein Dosis-Monitoring die zeitliche Änderung der Dosen erkannt bzw. eine Tendenz zu höheren Dosen leichter aufgedeckt werden. Nach Gosch und Mitarb. (1998) wird beim Wechsel von der konventionellen CT zur Spiral-CT aufgrund der begrenzten Röhrenbelastbarkeit die Patientendosis reduziert. Jedoch kann bei Einführung von moderneren Spiral-CT-Geräten trotz der höheren Dosiseffizienz der Geräte die Patientendosis wieder steigen. Die Gründe liegen darin, daß wieder höhere mAs-Werte einstellbar sind und die höhere Scangeschwindigkeit zur Zunahme der Länge der abgetasteten Körperregion führt (Gosch und Mitarb. 1998). Die Entwicklung der Patientendosis durch die Mehrschicht-Spiral-CT bleibt abzuwarten. Auf jeden Fall wird das größte Potential dieser neuen Technik in der sehr hohen Scangeschwindigkeit gesehen, die erlaubt, eine vorgegebene Untersuchungsregion mit dünneren Schichten darzustellen (Ohnesorge und Mitarb. 1999). Die Wahl dünner Schichten hat sich vor allem in der Detektion von Leberläsionen als vorteilhaft erwiesen (Weg und Mitarb. 1998, Kopka und Grabbe


166

1999). Dies kann jedoch gleichzeitig die Einstellung höherer mAs-Produkte durch den Anwender zur Folge haben.

Bei der Angiographie ist die Anzeige der Durchleuchtungszeit und des Dosisflächenproduktes längst selbstverständlich. Bei dosisintensiven interventionellen Eingriffen kann die Anzeige im Untersuchungsraum sogar behördlich angeordnet sein. Auch in der digitalen Radiographie gibt es Bemühungen, durch ein On-line Dosis-Monitoring Dosisabweichungen und Möglichkeiten zur Dosisreduktion aufzudecken (Kurtz und Mitarb. 1998). Beim Somatom Plus 4 trat Anfang 1998 mit der Software Version VB 40 der CTDIFDA auf die Bedieneroberfläche auf. Der CTDIFDA kann als Dosis-Monitoring zur Beschränkung der Patientendosis jedoch nicht eingesetzt werden wegen zu geringer Integrationslänge für kleinere Schichtdicken (Hidajat und Mitarb. 1998b). Sinnvoller wäre die Anzeige von Dosisgrößen, die zur Angabe von Referenzdosen verwendet werden.

Gegenwärtig sind der CTDIw und das DLP die bevorzugten Dosisgrößen zur Angabe von Referenzdosen. Die zur Zeit von der Deutschen Röntgengesellschaft durchgeführte bundesweite Dosiserhebung, die einen Teil der Maßnahmen zur Umsetzung der Patientenrichtlinie (Europäische Gemeinschaften 1997) darstellt, wird eine Fülle von Dosiswerten liefern, die zur Aufstellung von Referenzdosen bei der CT verwendet werden können. Folgt man dem bisherigen Vorgehen und deklariert das dritte Quartil als Referenzdosis, so wird die Referenzdosis einen dynamischen Charakter besitzen und muß in einer späteren Dosiserhebung erneut evaluiert werden (Oestmann 1998). Die bisher noch nicht weit verbreiteten Verfahren zur Optimierung der Patientendosis, die Mehrschicht-Spiral-CT und andere technische Weiterentwicklungen können Einfluß auf das zukünftige Dosismanagement haben.


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Wed Sep 18 18:10:11 2002