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

Aus der Klinik für Strahlenheilkunde
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


Habilitation
Bestimmung und Optimierung der Strahlendosis des Patienten bei der Computertomographie
- Methoden, Probleme und Lösungsmöglichkeiten -

Zur Erlangung der
venia legendi

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Dr. med. Dipl. math. Nico Hidajat,
aus Surabaya (Indonesien)

Dekan: Prof. Dr. med. Dr. h. c. R. Felix

Datum der Habilitation: 3. April 2001

Zusammenfassung

Aufgrund der hohen Patientendosen bei der CT und des möglichen Strahlenrisikos ist es wichtig, daß die Patientendosis bestimmt werden kann und optimiert wird.

Die Bestimmung der Patientendosis erfolgt durch Berechnung mit Hilfe von Konversionsfaktoren oder Messung meist mit Hilfe von Thermolumineszenzdosimetern und einem gewebeäquivalenten anthropomorphen Phantom. Ein Problem bei der Dosisberechnung liegt darin, daß nicht für alle Geräte spezifische Konversionsfaktoren exisitieren. Probleme bei der Dosismessung liegen darin, daß das gewebeäquivalente Phantom sehr teuer ist, die Handhabung auf dem CT-Tisch umständlich und die Auswertung der Dosimeter zeitaufwendig ist.

Eine Lösungsmöglichkeit ist die Verwendung des Computertomographie-Dosisindex CTDI und des Dosislängenproduktes, zwei Dosisgrößen, die sich aus Messungen in einfachen zylindrischen Plexiglasphantomen ableiten lassen. Der CTDI ist heute beim Hersteller erfragbar. Nach eigenen vergleichenden Untersuchungen liefert der CTDI einen brauchbaren Wert für die Dosen der Organe, die vollständig in der Untersuchungsregion liegen. Das Dosislängenprodukt korreliert sehr gut mit der effektiven Dosis, die als Vergleichsmaß für das angenommene Strahlenrisiko herangezogen wird. Es ist hilfreich zur einfachen und schnellen Abschätzung der effektiven Dosis, wenn keine geeigneten Konversionsfaktoren vorliegen.

Zu den Möglichkeiten der Dosisoptimierung gehören die Reduzierung des Gesamt-mAs-Produktes durch Erhöhung des pitch bei der Spiral-Technik, die Niedrigdosis-CT für bestimmte Fragestellungen und die Bleiabdeckung von Organen außerhalb der Untersuchungsregion. Eine weitere Möglichkeit ist die Dosisbeschränkung. Hierzu sieht die Patientenrichtlinie der Europäischen Gemeinschaft von 1997 die Etablierung von diagnostischen Referenzwerten vor. Im Working Document der europäischen Kommission werden der CTDI und das DLP als Referenzdosisgrößen vorgeschlagen. Dabei wird das 3. Quartil der mittleren Dosiswerte von allen untersuchten Zentren als Referenzwert verwendet. Das Problem ist, daß die vorgeschlagenen Referenzwerte sich auf Ergebnisse einer älteren Dosiserhebung an konventionellen CT-Geräten aus den späten 80-er Jahren stützen. Eine aktuelle von uns durchgeführte Dosiserhebung in Berlin zeigt, daß die Werte für CTDI und DLP bei der Spiral-CT deutlich geringer sind als bei der konventionellen CT. Die vorgeschlagenen Referenzwerte sind für die Spiral-CT also zu hoch. Bei der Aufstellung von neuen Referenzwerten sollten daher die Dosiswerte für die Spiral-CT besondere Berücksichtigung finden.

Schlagwörter:
Computertomographie, Strahlendosis, Berechnung, Messung

Abstract

Due to the high radiation dose to the patient in CT and the possible radiation risk it is important to determine and to optimize the patient dose.

The determination of the patient dose is performed by calculation with the help of conversion factors or measurement mostly with the help of thermoluminescence dosemeters and tissue-equivalent anthropomorphic phantom.

Problem in dose calculation occurs when machine specific conversion factors are not available. Problems in dose measurement are the very high cost of tissue-equivalent phantom, the difficulty in the handling of the phantom on the patient desk and the time consuming reading of the dosemeters.

A possible solution is the use of computed tomography dose index (CTDI) and dose length product. These are two dose quantities that can be derived from measurements in simple cylindrical polymethylmetacrylate phantoms. CTDI can be provided by the manufacturer. According to own comparative examinations CTDI provides a useful value for the dose of organs, that lie completely within the examination region. The dose length product shows very good correlation with the effective dose, that is used to compare the supposed radiation risk from different examinations. It is useful for a simple and quick estimation of the effective dose when appropriate conversion factors are not provided.

Possibilities to optimize the patient dose are reduction of the total mAs-product by increasing the pitch in spiral CT, low dose CT for some clinical questions and lead shielding of organs outside the examination region. A further possibility is the dose restriction. For this the Council Directive of 1997 of the European Union provides that diagnostic reference levels are established. In the Working Document of the European Commission CTDI and dose length product are proposed as reference dose quantities. The third quartile of the average dose values in all examined centers is used as reference dose values. Problem is , that the proposed reference dose values are derived from the results of an older survey on conventional CT machines in the late eighties. A topical survey performed by us in Berlin shows that the values for CTDI and dose length product are lower for spiral CT than for conventional CT. Therefore the proposed reference dose values are too high for spiral CT machines. In the establishment of new reference dose values particularly the dose values of spiral CT should be considered.

Keywords:
Computed tomography, radiation dose, calculation, measurement


Seiten: [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165] [166] [167] [168] [169] [170] [171] [172] [173] [174] [175] [176] [177] [178] [179] [180] [181] [182]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteBestimmung und Optimierung der Strahlendosis des Patienten bei der Computertomographie - Methoden, Probleme und Lösungsmöglichkeiten -
Widmung
1 Einführung
2 Der Begriff der Strahlendosis
2.1Kerma und Energiedosis
2.2Patientendosis
3 Physikalische Dosisgrößen bei der CT
3.1Meßverfahren
4 Bestimmung der Strahlendosis des Patienten bei der CT
4.1Methoden
4.1.1Berechnungsverfahren
4.1.2Meßverfahren
4.2Probleme und Lösungsmöglichkeiten
4.2.1Berechnungsverfahren
4.2.2Meßverfahren
5 Optimierung der Strahlendosis des Patienten bei der CT
5.1Methoden
5.1.1Praktische Maßnahmen
5.1.2Technische Maßnahmen
5.1.3Maßnahmen zur Dosisbeschränkung
5.2Probleme und Lösungsmöglichkeiten
5.2.1Praktische Maßnahmen
5.2.2Technische Maßnahmen
5.2.3Maßnahmen zur Dosisbeschränkung
6 Ausblick
7 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Selbständigkeitserklärung
Danksagung

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Organbezogene Sterbewahrscheinlichkeiten einer Bevölkerung aller
Altersstufen und Wichtungsfaktoren der Organe (ICRP 1991)
Tab. 2 : Integrationsstrecken-Korrekturfaktoren zur Berechnung von CTDI10cm ausCTDIFDA *
Tab. 3 : Integrationsstrecken-Korrekturfaktoren
zur Berechnung von CTDI10cm aus CTDI15cm
Tab. 4 : Die drei Strahlenqualitäten, für die Organkonversionsfaktoren
für Erwachsene erstellt wurden (Zankl und Mitarb. 1991)
Tab. 5 : Die zwei Strahlenqualitäten, für die Organkonversions-
faktoren für Kind und Baby erstellt wurden (Zankl und Mitarb. 1993)
Tab. 6 : CT-Geräte, für die Konversionsfaktoren vom NRPB erstellt wurden
(Jones und Shrimpton 1991)
Tab. 7 : Verteilung des roten Knochenmarkes in % für einen 40-
jährigen Menschen nach Christy (1981) und die ANzahl der TLD, die
nach Langkowski und Mitarb. (1994) zur Ermittlung der Knochen-
marksdosis um die einzelnen Knochenanteile plaziert wurden
Tab. 8 : Axiale Lage der Körperregionen / Organe innerhalb der mathematischen
Phantome Eva und Adam, beschrieben durch die Lagebeziehung zu den
Landmarken und den Wirbeln
Tab. 9 : Die verschiedenen Untersuchungsregionen relativ zu den Landmarken
der beiden Phantome Eva und Adam
Tab. 10 : Abschätzung des Zeitaufwandes für die einzelnen Schritte bei der Bestimmung von Organdosen in einem Rando-Phantom mittels TLD für eine einzige CT-Untersuchung
Tab. 11 : Einstellungsparameter für CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes,
des Halses und des Körperstammes für den Somatom DRH und Tomoscan CX/S
Tab. 12 : Gemessene Dosiswerte und effektive Dosis bei CT-Untersuchungen im
Bereich des Kopfes, des Halses und des Körperstammes für den Somatom DRH
Tab. 13 : Gemessene Dosiswerte und effektive Dosis bei CT-Untersuchungen im
Bereich des Kopfes, des Halses und des Körperstammes für den Tomoscan CX/S
Tab. 14 : Auf Dair und CTDIw normierte effektive Dosis bei den beiden
Geräten Somatom DRH und Tomoscan CX/S. In Klammern die Schwankung
der normierten effektiven Dosen
Tab. 15 : Konversionskoeffizienten zur Konvertierung von DLPair bzw. DLP in effektive Dosis
Tab. 16 : Abschätzungsfehler bei der Abschätzung der effektiven Dosis aus dem DLPair mittels Konversionskoeffizienten (0,140 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes, 0,606 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT des Halses und 0,729 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Körperstammes) für den Somatom DRH
Tab. 17 : Abschätzungsfehler bei der Abschätzung der effektiven Dosis aus dem DLPair mittels Konversionskoeffizienten (0,140 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes, 0,606 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT des Halses und 0,729 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Körperstammes) für den Tomoscan CX/S
Tab. 18 : Abschätzungsfehler bei der Abschätzung der effektiven Dosis aus dem DLP mittels Konversionskoeffizienten (0,190 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes, 0,825 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT des Halses und 1,596 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Körperstammes) für den Somatom DRH
Tab. 19 : Abschätzungsfehler bei der Abschätzung der effektiven Dosis aus dem DLP mittels Konversionskoeffizienten (0,190 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes, 0,825 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT des Halses und 1,596 x 10-2 mSv / (mGyxcm) für die CT-Untersuchungen im Bereich des Körperstammes) für den Tomoscan CX/S
Tab. 20 : Effektive Dosen, abgeschätzt nach der Methode von Leitz und Mitarb. (1995) und berechnet mittels Konversionsfaktoren des NRPB
Tab. 21 : Konversionskoeffizienten, berechnet als w x (1/L) aus der von Leitz und Mitarb. (1995) angegebenen Beziehung E = DLP x w x (1/L). Zum Vergleich die in Tab. 15 aufgeführten Konversionskoeffizienten E/DLP aus eigenen Ermittlungen für die CT des Schädels, des Halses und des Körperstammes (Thorax + ganzes Abdomen)
Tab. 22 : Konversionskoeffizienten zur Abschätzung der effektiven Dosis aus dem DFP (Poletti 1996) und dem DLP (eigene Ermittlungen, Tab. 15)
Tab. 23 : Konversionskoeffizienten, angegeben im Working Document der Europäischen Kommission (1998) und aus eigenen Ermittlungen (Tab. 15)
Tab. 24 : Effektive Dosen bei der EBT des Thorax und des Abdomens, erhalten
durch TLD-Messungen in einem Rando-Phantom (Becker und Mitarb. 1998) und
durch Abschätzung mittels Konversionskoeffizienten E/DLP aus Tab. 15
Tab. 25 : Beispiele für die Niedrigdosis-CT
Tab. 26 : Werte für CTDI10cm in einem Kopf- und Körper-Phantom bei 120 kV,
100 mAs und nomineller Schichtdicke 10 mm und Verhältnis des peripheren
CTDI zum zentralen CTDI
Tab. 27 : Röhrenstromreduktion durch den Einsatz des "Smart-Scan"-Verfahrens
bei verschiedenen Untersuchungen
Tab. 28 : Statistik der Werte für CTDIw aus der Erhebung des NRPB
(Shrimpton und Mitarb. 1991)
Tab. 29: Statistik der Werte für DLP aus der Erhebung des NRPB
(Shrimpton und Mitarb. 1991)
Tab. 30 : Vorgeschlagene Referenzdosen (Europäische Kommission 1998)
Tab. 31 : Mit TLD gemessene Dosen am Rando-Phantom bei der CT des Schädels
(Anordnung der TLD gemäß Abb. 5.2)
Tab. 32: Mit TLD gemessene Dosen am Rando-Phantom bei der CT des
Oberbauches und des gesamten Abdomens
Tab. 33 : Beziehung zwischen der Länge der
Untersuchungsregion und dem zur Reduktion
der integralen Dosis erforderlichen Tischvorschub
pro Rotation (Schichtabstand = nominelle
Schichtdicke)
Tab. 34 : Durch die anatomieorientierte
schwächungsbasierte Röhrenstrom-
modulation erzielte mittlere Dosisreduktion,
gemessen an verschiedenen
Körperregionen bei Leichen (Kalender und
Mitarb. 1999a)
Tab. 35 : Durch die anatomieorientierte
schwächungsbasierte Röhrenstrom-
modulation erzielte Dosisreduktion,
gemessen an Phantomen mit definierten
Formen (Kalender und Mitarb. 1999a)
Tab. 36 : Subjektive Bewertung der Bildqualität von Computertomogrammen der
Schulter (n=10) ohne und mit anatomieorientierter schwächungsbasierter
Röhrenstrommodulation. Angaben in Prozent (Greeß und Mitarb. 1999)
Tab. 37 : Gerätetypen der 26 befragten Betreiber, von denen
Untersuchungsprotokolle erhalten wurden
Tab. 38 : Untersuchungsparameter für verschiedene Körperregionen
Tab. 39 : Dair für verschiedene Untersuchungen mit konventioneller CT und Spiral-CT
Tab. 40 : CTDIw für verschiedene Untersuchungen mit konventioneller CT und Spiral-CT
Tab. 41 : DLP für verschiedene Untersuchungen mit konventioneller CT und Spiral-CT
Tab. 42 : Gesamt-DLP bei der CT der Leber und des Pankreas
Tab. 43 : Verhältnis von Dosis bei der Spiral-CT zu Dosis bei der konventionellen CT
Tab. 44 : CTDIw (mGy) in dieser Studie und in anderen Studien
Tab. 45 : DLP (mGyxcm) in dieser Studie und in einer
anderen Studie

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 : Prozentualer Anteil der CT an allen Röntgenuntersuchungen (oben) und an der kollektiven effektiven Dosis (unten) für die BRD in den alten Ländern in den Jahren 1990-1992 (Bernhardt und Mitarb. 1995)
Abb. 2 : Berechnete Organdosen der Leber und des Pankreas bei der CT des Oberbauches für die Phantome Adam, Eva, Kind und Baby bei gleicher Strahlenqualität (mittlere Photonenenergie 64,4 keV) und gleicher Achsendosis (6,20 mGy). Mit kleinerem Körperdurchmesser steigende Organdosis, wobei die Dosiszunahme für zentral gelegene Organe stärker ist
Abb. 3 : Meßfilme (x-omat, Kodak, Rochester, USA), exponiert innerhalb eines quaderförmigen Phantoms aus Plexiglas,
links mit einer konventionellen CT mit 12 Schichten, einer Schichtdicke von 5 mm und einem Schichtabstand von 5 mm,
rechts mit einer Spiral-CT mit 12 Rotationen, einer Schichtdicke von 5 mm und einem pitch von 1.
Lokale Filmschwärzungsspitzen bei der konventionellen CT (Pfeil)
Abb. 4 : Axiales Dichteprofil auf dem Meßfilm von Abb. 3. Ähnliche Dichteprofile bei der konventionellen CT und Spiral-CT. Die auf dem Meßfilm sichtbaren Dosisspitzen bei der konventionellen CT erweisen sich als lokale Dosisspitzen, da die optischen Dichten im Bereich der Rotationsachse niedriger bleiben als die in der Nähe der Körperoberfläche
Abb. 5: : Meßfilme (x-omat, Kodak, Rochester, USA), exponiert innerhalb eines quaderförmigen Phantoms aus Plexiglas,
links mit einer konventionellen CT mit 6 Schichten, einer Schichtdicke von 5 mm und einem Schichtabstand von 10 mm,
rechts mit einer Spiral-CT mit 6 Rotationen, einer Schichtdicke von 5 mm und einem pitch von 2.
Keine sichtbare Schwankung der Filmschwärzung in Höhe der Rotationsachse bei der Spiral-CT (Pfeil)
Abb. 6 : Axiales Dichteprofil auf dem Meßfilm von Abb. 5. Im Vergleich zur konventionellen CT geringere Schwankung der optischen Dichte und praktisch fehlende Schwankung der optischen Dichte im Bereich der Rotationsachse bei der Spiral-CT
Abb. 7 : Maximales Verhältnis von Organdosen innerhalb der Untersuchungs-region : Bei der CT des Kopfes Dosisverhältnis Augenlinse / Gehirn, bei CT des gesamten Abdomens Dosisverhältnis Harnblase / Milz (GE 9800), Nieren / Pankreas (Philips Tomoscan LX), Nieren / Pankreas (Picker 1200 SX) bzw. Nieren / Nebennieren (Siemens Somatom DRH)
Abb. 8 : Berechnete Organdosen und effektive Dosis bei der CT des Thorax ohne direkte Exposition des Oberbauches und mit direkter Exposition der oberen drei Landmarken der Oberbauchorgane. Die Zahlen über den Balken bezeichnen die Faktoren, mit denen sich die Dosen unterscheiden.
Abb. 9 : Berechnete Organdosen und effektive Dosis bei der CT des Oberbauches ohne direkte Exposition der Lunge, des Kolons und Dünndarms und mit direkter Exposition der unteren drei Landmarken der Lunge und oberen sechs Landmarken der Darmorgane. Die Zahlen über den Balken bezeichnen die Faktoren, mit denen sich die Dosen unterscheiden. (Kolon(I) = Colon asc + transv, Kolon(II) = Colon desc + sigm)
Abb. 10 : Berechnete Organdosen und effektive Dosis bei der CT des Pankreas ohne direkte Exposition des Kolons und Dünndarms und mit direkter Exposition der oberen sechs Landmarken der Darmorgane. Die Zahlen über den Balken bezeichnen die Faktoren, mit denen sich die Dosen unterscheiden. (Kolon(I) = Colon asc + transv, Kolon(II) = Colon desc + sigm)
Abb. 11: Berechnete Organdosen und effektive Dosis bei der CT des Beckens mit direkter Exposition des gesamten Kolons und Dünndarms und ohne direkte Exposition der oberen sechs Landmarken der Darmorgane. Die Zahlen über den Balken bezeichnen die Faktoren, mit denen sich die Dosen unterscheiden. (Kolon(I) = Colon asc + transv, Kolon(II) = Colon desc + sigm)
Abb. 12: Verhältnis von Organdosis zu Dair für Organe innerhalb der Untersuchungsregion (* Somatom DRH + Tomoscan CX/S)
Abb. 13: Verhältnis von Organdosis zu CTDIw für Organe innerhalb der Untersuchungsregion (* Somatom DRH + Tomoscan CX/S)
Abb. 14: Korrelation zwischen Dosislängenprodukt (DLPair oder DLP) und effektiver Dosis bei CT-Untersuchungen im Bereich des Kopfes und des Körperstammes (rs Spearman-Rang-Korrelationskoeffizient)
Abb. 15: CTDI10cm im Kopf- und Körperphantom bei der EBT für 100 ms (= 63 mAs), eine einheitliche Spannung von 130 kV und eine nominelle Schichtdicke von 6 mm (aus eigenen Messungen in der Charité, Berlin)
Abb. 16 : Mittels einer Monte-Carlo-Simulation berechnete radiale Dosisverteilung in einem zylindrischen Kopf- und Körper-Phantom aus Plexiglas ohne und mit Formfilter (Huda und Atherton 1995, Atherton und Huda 1995)
Abb. 17 : Anordnung der TLD (#) am Rando-Phantom bei der CT des Schädels. Die Scheiben des Phantoms sind nummeriert
Abb. 18 : Reduktion der Dosis im Mundboden- und Halsbereich durch Anwendung des Schilddrüsenbleischutzes bei der CT des Schädels
Abb. 19 : Reduktion der integralen Dosis bei der Spiral-CT im Vergleich zur konventionellen CT als Funktion des Tischvorschubs pro Rotation für unterschiedliche Längen der Untersuchungsregion (Schichtabstand 10 mm, Schichtdicke 10 mm)

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Wed Sep 18 18:10:11 2002