Kopka, Lars : Spiral-CT zur Diagnostik fokaler Leberläsionen -Methodische Entwicklungen, klinische Ergebnisse und Perspektiven

Aus dem Institut für Radiologie
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


Habilitationsschrift
Spiral-CT zur Diagnostik fokaler Leberläsionen

-Methodische Entwicklungen, klinische Ergebnisse und Perspektiven

Zur Erlangung der Lehrbefähigung für das Fach Diagnostische Radiologie

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Herrn Dr. med. Lars Kopka,
geboren am 11.03.1964 in Berlin

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

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. W. Bautz, Universität Erlangen-Nürnberg
2. Prof. Dr. med. J. Debatin, Universitätsklinikum Essen

Datum der Promotion: 17.07.2001


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Abstrakt

Zur Optimierung der Diagnostik fokaler Leberläsionen mittels Spiral-CT, einschließlich der Mehrschicht-Technik, wurden methodische Aspekte evaluiert und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse konnten anschließend in klinischen Studien überprüft werden.

Es stellte sich dabei heraus, daß die diagnostische Aussagekraft der Spiral-CT der Leber erheblich von den angewendeten Untersuchungsparametern wie Schichtdicke, Pitchfaktor, Rekonstruktionsintervall und Röhrenstrom abhängig ist. Diese sollten optimal aufeinander abgestimmt werden, um ein möglichst hohes Kontrast-zu Rausch Verhältnis von Läsionen zum umgebenden Leberparenchym zu erreichen.

Ein weiterer wesentlicher methodischer Aspekt war die intravenöse Gabe eines jodhaltigen Kontrastmittels. Hier zeigte sich insbesondere die zeitliche Anpassung des Kontrastmittelbolus an den Start der CT-Untersuchung als bedeutsam. Es wurden diesbezüglich verschiedene Verfahren entwickelt und überprüft. Dabei erwies sich in experimentellen und klinischen Untersuchungen eine spezielle CT-Software zum semiautomatischen Bolustracking als besonders erfolgreich und stellt den derzeitig anerkannten Referenzstandard dar.

Die Untersuchung der Leber in mehreren Perfusionsphasen, der sog. arteriellen und der portalvenösen Phase war bei Patienten mit hypervaskularisierten Tumoren besonders sensitiv und spezifisch, wohingegen sich bei hypovaskularierten Leberläsionen die alleinige portalvenöse Phase als ausreichend erwiesen hatte. Auf die Nativuntersuchung kann bei der Leberdiagnostik generell verzichtet werden.

Die Spiral-CT erwies sich nach entsprechenden Optimierungsschritten, insbesondere nach Etablierung der Mehrschicht-Spiral-CT, als ein hervorragendes Verfahren für die Diagnostik fokaler Leberläsionen.

Schlagwörter:
Computertomographie, Kontrastmittel, Leber, Lebertumoren


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Abstract

Different methodological aspects and experimental studies were performed for the optimization of the diagnostics of focal liver lesions with helical CT including the multi-slice technique. The obtained results were evaluated in successive clinical examinations.

The diagnostic impact of helical CT was substantially influenced by various CT scan parameters such as slice thickness, pitch factor, reconstruction interval and tube current. These parameters should be ideally adapted for a sufficiently high contrast-to-noise ratio of liver lesions in respect to the surrounding parenchyma.

The intravenous administration of iodinated contrast material was another important feature. Especially the tailoring of the contrast material bolus to the start of the CT scan was essential. Different techniques were developed and evaluated for this reason. In experimental and clinical studies a specially developed CT software for a semiautomatic bolus-tracking proved to be successful and represents the current standard of reference.

The examination of the liver in different perfusion phases, eg. arterial and portal venous phase, was very sensitive and specific in patients with hypervascular liver tumors while the portalvenous phase alone was sufficient for hypovascular liver lesions. The unenhanced CT series could be omitted in all instances.

Helical CT, especially after introduction of the multi-slice technique proved to be a very effective diagnostic tool for the evaluation of focal liver lesions.

Keywords:
computed tomography, contrast material, liver, liver tumors


Seiten: [3] [4] [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]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteSpiral-CT zur Diagnostik fokaler Leberläsionen -Methodische Entwicklungen, klinische Ergebnisse und Perspektiven
1 Einleitung
2 Fragestellungen
3 Lebertumoren und tumorähnliche Läsionen
3.1Benigne Lebertumoren
3.2Maligne Lebertumoren
4 Grundlagen der bildgebenden Verfahren
4.1Sonographie
4.2Magnetresonanztomographie (MRT)
4.3Nuklearmedizinische Verfahren
4.4Computertomographie (CT)
5 Spiral-CT
5.1Technik
5.2Leberdiagnostik
6 Röntgenkontrastmittel
6.1KM-Gruppen und physikochemische Eigenschaften
6.2KM-Kinetik
6.3Nebenwirkungen
7 Methodische Aspekte und experimentelle Untersuchungen
7.1Physikalische Aspekte der Spiral-CT der Leber
7.1.1Schichtempfindlichkeitsprofile (SSP)
7.1.2Experimentelle Untersuchungen der Scanparameter
7.1.3Einzeilen-Spiral-CT
7.1.3.1Einfluß der Schichtdicke
7.1.3.2Einfluß des Pitchfaktors
7.1.3.3Messung der Kontrast-zu-Rausch Verhältnisse
7.1.3.4Einfluß des Rekonstruktionsintervalles
7.1.3.5Einfluß des Röhrenstroms
7.1.4Mehrzeilen-Spiral-CT
7.1.4.1Einfluß der Schichtdicke und des Tischvorschubs
7.1.4.2Einfluß des Rekonstruktionsintervalles
7.1.5Strahlenexposition
7.1.5.1Reduktion der Strahlenexposition
7.1.5.2Anatomisch adaptierter Röhrenstrom
7.2Optimierung der Kontrastmittelgabe
7.2.1Injektionsgeschwindigkeit
7.2.2Kontrastmittelkonzentration
7.2.3Kontrastmitteltyp (monomer/dimer)
7.3Bestimmung der KM-Transitzeiten
7.3.1Messungen am Kreislaufmodell
7.3.1.1Messung von Röntgenkontrastmitteln
7.3.1.2Messung eines Farbstoffes
7.3.1.3Kinetik eines Ultraschallkontrastmittels (USKM)
7.3.2Messungen am Patienten
7.3.2.1Messung eines Ultraschallkontrastmittels
7.3.3Entwicklung eines Bolustracking-Verfahrens
7.3.3.1Bedeutung des Bolustrackings
7.3.3.2Berechnung der KM-Passagezeiten
7.3.3.3Vergleich des Bolustrackings mit anderen Verfahren
7.4Aktivierung des Komplementsystems durch KM
7.5Indikationen für biphasische CT-Untersuchungen
7.6Statistische Verfahren
8 Experimentelle und klinische Ergebnisse
8.1Physikalische Aspekte der Spiral-CT der Leber
8.1.1Schichtempfindlichkeitsprofile (SSP)
8.1.2Experimentelle Untersuchungen der Scanparameter
8.1.3Einzeilen-Spiral-CT
8.1.3.1Einfluß der Schichtdicke
8.1.3.2Einfluß des Pitchfaktors
8.1.3.3Messung der Kontrast-zu-Rausch Verhältnisse
8.1.3.4Einfluß des Rekonstruktionsintervalles
8.1.3.5Einfluß des Röhrenstroms
8.1.4Mehrzeilen-Spiral-CT
8.1.4.1Einfluß der Schichtdicke und des Tischvorschubs
8.1.4.2Einfluß des Rekonstruktionsintervalles
8.1.5Strahlenexposition
8.1.5.1Reduktion der Strahlenexposition
Anatomisch adaptierter Röhrenstrom
8.2Optimierung der Kontrastmittelgabe
8.2.1Injektionsgeschwindigkeit
8.2.2Kontrastmittelkonzentration
8.2.3Kontrastmitteltyp (monomer/dimer)
8.3Bestimmung der Kontrastmitteltransitzeiten
8.3.1Messungen am Kreislaufmodell
8.3.2Messungen am Patienten
8.3.2.1Messung eines Ultraschallkontrastmittels
8.3.3Entwicklung eines Bolustracking-Verfahrens
8.3.3.1Bedeutung des Bolustrackings
8.3.3.2Berechnung der Passagezeiten des Kontrastmittels
8.3.3.3Vergleich verschiedener Verfahren
8.4Aktivierung des Komplementsystems durch KM
8.5Indikation für biphasische Leberuntersuchungen
9 Diskussion
10 Schlußfolgerungen
Bibliographie Literatur

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Protokoll zur Untersuchung des Einflusses der KM-Konzentration auf das Leberenhancement
Tabelle 2: Untersuchungsprotokolle für die biphasische Spiral-CT der Leber
Tabelle 3: CT-Scanprotokoll für die mehrphasige Spiral-CT der Leber
Tabelle 4: Auswerteprotokolle zur Wertigkeit einzelner Perfusionsphasen in der Diagnostik fokaler Leberläsionen
Tabelle 5: Vergleich der Halbwertsbreiten (FWHM) für die nominellen Schichtdicken zwischen konventioneller CT und Spiral-CT mit verschiedenen Pitchfaktoren
Tabelle 6: Vergleich der Zehntelwertsbreiten (FWTM) für die nominellen Schichtdicken zwischen konventioneller CT und Spiral-CT mit verschiedenen Pitchfaktoren
Tabelle 7: Darstellung der effektiven Dosiswerte nach Definition der IRCP 26 und 60 sowie von Organdosen. Alle Werte wurden in mSv angegeben.
Tabelle 8: Quantitative Bildqualitätsbestimmung durch den Vergleich der durchschnittlichen absoluten Standardabweichung und des Variationskoeffizienten definierter Leitstrukturen bei Untersuchungen mit konstantem und adaptierten Röhrenstrom
Tabelle 9: Darstellung der Resultate des durchschnittlichen Leberdichteanstieges von insgesamt 60 untersuchten Patienten nach Applikation unterschiedlicher KM-Konzentrationen bei identischer Gesamtjodmenge
Tabelle 10: Korrelationskoeffizienten (r) für unterschiedliche Patientenparameter bezüglich der KM-Transitzeiten zur AP (Td AP) und PVP (Td PVP) der Leber
Tabelle 11: Aktiviertes Fragment C5a des Komplementsystems vor und nach intravenöser Applikation von Iopromid bzw. Iodixanol im zeitlichen Verlauf bei jeweils 20 Patienten
Tabelle 12: Aktiviertes Fragment C3 des Komplementsystems vor und nach intravenöser Applikation von Iopromid bzw. Iodixanol im zeitlichen Verlauf bei jeweils 20 Patienten
Tabelle 13: Übersicht über die Aufteilung in die 4 anamnestisch determinierten Gruppen: Gr. 1= Pat. mit V.a. hypovask. Metastasen, Gr.2= Pat mit V.a. hypervask. Metastasen, Gr. 3= Pat. mit V.a. Metastasen ohne bek. Primärtumor, Gr. 4= Pat. mit V.a. primären Lebertumor
Tabelle 14: Vergleich der unterschiedlichen Auswerteprotokolle bezogen auf das Vorliegen bzw. Nichtvorliegen maligner Läsionen bei allen 300 Patienten
Tabelle 15: Gruppe 1: Vergleich der Protokolle bei Patienten mit vermeintlich hypovaskularisierten Metastasen eines bekannten entsprechenden Primärtumors
Tabelle 16: Gruppe 2: Vergleich der Protokolle bei Patienten mit vermeintlich hypervaskularisierten Metastasen eines bekannten entsprechenden Primärtumors
Tabelle 17: Gruppe 3: Vergleich der Protokolle bei Patienten mit vermuteten Metastasen ohne bekannten Primärtumor
Tabelle 18: Gruppe 4: Vergleich der Protokolle bei Patienten mit dem Verdacht auf einen primären Lebertumor

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Schematische Darstellung der spiralförmigen Abtastung eines Körperabschnittes durch einen Röntgenstrahl während einer kontinuierlichen Patientenbewegung bei einer Einzeilendetektor-Spiral-CT.
Abb. 2: Vergleich der SSP eines konventionellen axialen, eines Spiral-CT mit 180° LI-Algorithmus sowie eines Spiral-CT mit einem 360° LI-Algorithmus. Die Verbreiterung der SSP durch die Spiral-CT wird insbesondere beim 360° LI-Algorithmus anhand der FWHM und der FWTM deutlich.
Abb. 3: Schema der simultanen spiralförmigen Abtastung von vier parallelen Schichten bei der Mehrzeilen Spiral-CT.
Abb. 4: Dichte-Zeit-Relation der Aorta abdominalis, der V. portae und des Leberparenchyms eines Patienten mit normaler Leberperfusionkurvenverläufe nach Applikation eines RKM mit Markierung der einzelnen Leberperfusionsphasen (AP= arterielle Phase, PVP= portalvenöse Phase, Äqui.= Äquilibrierungsphase).
Abb. 5: Schematische Darstellung einer hypervaskularisierten (a) und einer hypovaskularisierten (b) Leberläsion und deren Verhalten in verschiedenen Kontrastierungsphasen der Leber (Intermed.= Mischphase zwischen AP und PVP; Äquil.= Äquilibrierungsphase). Abbildung der KM-Perfusion über die A. hepatica (dünner Pfeil) und die V. portae (dicker Pfeil) in den verschiedenen Phasen mit geschätzten Kontrast zwischen Läsion und Leberparenchym.
Abb. 6: Schematische Zeichnungen der 3 benutzten Leberphantome:
I) Niedrigkontrast- (I) und Hochkontrastphantom (II) mit 8 Objekten unterschiedlicher Größe; Niedrigkontrastphantom mit 4 Objekten unterschiedlicher Größe (III).
Abb. 7: Prinzip der anatomisch angepaßten Röhrenstrommodulation während einer 360° Rotation. Gleichmäßiger Röhrenstrom bei einem zylindrischen Objekt (a). Reduktion des Röhrenstroms in der anterior-posterioren Projektion bei einem ovalären Objekt (b).
Abb. 8: Schematische Darstellung des Herz-Lungen-Kreislaufmodells mit einem Kapillarmembranoxygenator als Lungensimulation. Meßposition für die unterschiedlichen Substanzen (FS, USKM, RKM) hinter dem Oxygenator mit verschiedenen Erfassungstechniken.
Abb. 9: CT-Monitorbild des Bolustracking-Programms (SmartPrep®). In der oberen Reihe Darstellung des nativen Ausgangsbildes (links) und des jeweiligen aktuellen Bildes nach KM-Applikation (rechts). In der unteren Reihe graphische (links) und tabellarische Präsentation (rechts) der CT-Dichtewerte in den zuvor bestimmten ROI's.
Abb. 10: Schichtempfindlichkeitsprofile der konventionellen CT (axial) und Spiral-CT mit verschiedenen Pitchfaktoren (1/ 1,5 / 3) normiert auf das jeweilige Maximum bei einer nominellen Schichtdicke von 5 mm. Kennzeichnung der Halbwerts- (FWHM) und Zehntelwertsbreite (FWTM) der Profile.
Abb. 11: Detektionsrate von Niedrigkontrastobjekten (15 und 25 HE) verschiedener Durchmesser (5, 10 ,15 und 20 mm) in Abhängigkeit vom Pitchfaktor (1-3) bei unterschiedlichen Schichtdicken (1-10 mm).
Abb. 12: Detektionsrate von kleinen Niedrig- (5mm/15HE und 7mm/15HE) und Hochkontrastobjekten (5mm/80HE und 7mm/80HE) in Abhängigkeit vom Pitchfaktor bei einer festgelegten Schichtdicke von 7mm.
Abb. 13: Abhängigkeit des Variationskoeffizienten als prozentuales Maß für das Pixelrauschen von der Schichtdicke (1-10 mm) und vom Pitchfaktor (1-2).
Abb. 14: Kontrast-zu-Rausch Verhältnisse (C/N) bei einem 5 mm kleinen Niedrigkontrastobjekt (15 HE) in Abhängigkeit vom Pitchfaktor (1-3) und der Schichtdicke (1-10 mm).
Abb. 15: Detektionsrate von Niedrigkontrastobjekten in Abhängigkeit von der prozentualen Schichtüberlappung bei einem Einzeilen- (EZ-CT) und Mehrzeilendetektor (MZ-CT) Spiral-CT bei einer Schichtdicke, die dem gesamten (1/1 d) oder halben Durchmesser ½ d) des Objektes entspricht.
Abb. 16: Kontrast-zu-Rausch Verhältnisse (C/N) von Objekten mit unterschiedlichen Hintergrundkontrasten (\|[boxv ]\|15, 25, 100 HE\|[boxv ]\|) in Abhängigkeit vom Röhrenstrom bei einer konstanten Schichtdicke von 7 mm.
Abb. 17: Vergleich der Detektionsscores (1-4) von Niedrigkontrastobjekten verschiedener Größe (5 und 20 mm) in Abhängigkeit von der Schichtdicke bei einer Einzeilen-(EZ) und einer Mehrzeilen-Spiral-CT (MZ) bei einem Pitch von 0,75. Objekte oberhalb des horizontalen schwarzen Balkens wurden detektiert.
Abb. 18: Vergleich der Detektionsscores (1-4) von Niedrigkontrastobjekten verschiedener Größe (5 und 20 mm) in Abhängigkeit von der Tischgeschwindigkeit in mm/Röhrenrotation bei einer Einzeilen-(EZ) und einer Mehrzeilen-Spiral-CT (MZ). Objekte oberhalb des horizontalen schwarzen Balkens wurden detektiert.
Abb. 19: Anatomische Abhängigkeit der prozentualen effektiven Röhrenstromreduktion in einer Boxplotdarstellung: Höhe der Box zeigt die 25. und 75. Perzentile mit dem Median als horizontale Linie. Dokumentation der 5. und 95. Perzentile durch Ausdehnung der Fehlerbalken und Abbildung der Ausreißer mittels Kreisen.
Abb. 20: Durchschnittliches Leberenhancement während der PVP abhängig vom Injektionsfluß im zeitlichen Verlauf.
Abb. 21: Darstellung der prozentualen Anzahl der Patienten in den einzelnen Gruppen (Gruppe 1= Flow von 2 ml/s, a= Delay von 40 s, b= Delay von 70 s; Gruppe 2= Flow von 4 ml/s und 2 ml/s; Gruppe 3= Flow von 4 ml/s) mit einem Mindestenhancement von 20, 30 oder 40 HE auf sämtlichen CT-Schichten.
Abb. 22: Durchschnitliches Dichte-Zeit Verhalten der Leberkontrastierung während der bolusgetriggerten CT-Untersuchungen in den Gruppen mit ansteigenden KM-Konzentrationen. Darstellung des durchschnittlichen Enhancements der CT-Schichten in ihrer zeitlichen Abfolge.
Abb. 23: Boxplotdarstellung der AUC-Werte des Leberenhancements für die unterschiedlichen KM-Konzentrationen. Höhe der Box zeigt die 25. und 75. Perzentile mit dem Median als horizontale Linie. Dokumentation der 5. und 95. Perzentile durch Ausdehnung der Fehlerbalken und Abbildung der Ausreißer mittels Kreisen.
Abb. 24: Relativer zeitlicher Signalverlauf von 3 verschiedenen RKM im Kreislaufmodell bei identischen Injektionsparametern. Ioxithalamat (ionisch monomeres RKM); Iopromid (nicht-ionisch monomeres RKM); Iotrolan (nicht-ionisch dimeres RKM).
Abb. 25: Relativer zeitlicher Signalverlauf von 3 verschiedenen Konzentrationen (240, 300 und 370 mg J/ml) des Iopromids im Kreislaufmodell bei identischen Injektionsparametern.
Abb. 26: Relativer zeitlicher Signalverlauf am Beispiel des USKM in Abhängigkeit vom applizierten Volumen (5 und 10 ml) und Injektionsgeschwindigkeit (0,5-10 ml/s) in einem Kreislaufmodell.
Abb. 27: Korrelation des bei 25 Patienten kalkulierten CT-Startdelays für die PVP anhand von Messungen des USKM und einem semiautomatischen Bolustracking nach Gabe von RKM. Darstellung der resultierenden Ausgleichsgraden.
Abb. 28: Relativer Anteil der Patienten, die ein durchschnittliches oder minimales Leberenhancement von 30 bzw. 40 HE in der PVP erreichten. Vergleich zwischen Untersuchungen ohne (Gr. 1) bzw. mit Bolustracking (Gr. 2).
Abb. 29: Start- und Endzeitpunkte der AP bei 60 Patienten nach Applikation von 120 und 150 ml Iopromid. Horizontale Balken als vergleichendes Zeitfenster bei einem üblichen festen Startdelay. Dokumentation der Abweichungen von diesem Zeitfenster bei den nach einem Bolustracking untersuchten Patienten.
Abb. 30: Relation von jeweils 30 Patienten mit einem korrekten Timing der AP in Abhängigkeit vom KM-Volumen und von der Durchführung des semiautomatischen Bolustrackings.
Abb. 31: Relation von jeweils 30 Patienten mit einem Leberenhancement > 40 HE in der PVP für alle untersuchten Schichten. Bedeutung des KM-Volumens und eines semiautomatischen Bolustrackings.
Abb. 32: Inhomogene Kontrastierung des Leberparenchyms in der AP (a) und homogenes Enhancement in der PVP (b) mit besserer Erkennbarkeit der Zyste (roter Pfeil) und insbesondere auch der Metastase (gelber Pfeil).
Abb. 33: Anzahl der computertomographisch detektierten Leberläsionen mittels 7 verschiedener Untersuchungsprotokolle unter Einbeziehung der Nativdiagnostik (NP), der AP und der PVP in unterschiedlichen Kombinationen.
Abb. 34: Nachweis einer großen hypervaskularisierten FNH in AP (a), die in der PVP isodens zum umgebenden Parenchym wurde und nur durch die Pelottierung der jetzt kontrastierten Lebervenen auffällt.
Abb. 35: Dokumentation einer hypervaskularisierten Metastase (Pfeil) eines endokrinen Pankreastumors in der AP (a), die in der PVP (b) nicht zu detektieren ist. Konsekutive Erweiterung der inneren und äußeren Gallenwege.

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Thu Sep 26 15:58:42 2002