Image Quality and Radiation Dose in Computerised Tomography (CT): The Virtual Tomograph - a tool for optimization

Novel techniques for computerised tomography (CT) are being developed, which allow fast scanning and 3D visualisation of patients. Improper design and use of equipment for volume CT may cause unnecessarily high patient dose. The aim of the project is to use a computational model (‘the virtual tomograph’) to optimise CT imaging systems to give advice on how to design and use such systems to minimise patient dose and still achieve sufficient image quality. In particular, to implement realistic models of scattered radiation and noise in simulated projection data; to standardise methods to evaluate how different reconstruction algorithms influence image quality; to develop methods to assess clinical image quality and to search for correlation between clinical and physical image quality measures. Monte Carlo techniques will be used to model CT systems including anthropomorphic phantoms and realistic image detectors, allowing simultaneous derivation of projection data and patient dose. Clinical image quality will be assessed using various methods: ROC-analysis of lesions, Visual Grading Analysis using European Image Criteria. Efficient image generation is vital to optimisation. Information, which has been lost due to poor image generation cannot be regained by post-processing of image data. The virtual tomograph makes it possible to analyse in detail the effects of varying imaging parameters, including patient physique on image quality and patient dose.

• Staff:

Michael Sandborg , Associate Professor		Project manager		Department of Radiation Physics
Alexandr Malusek , PhD student		Project member		Department of Radiation Physics
Maria Magnusson Seger , PhD		Project member		Department of Electrical Engineering
Gudrun Alm Carlsson , Professor		Project member		Department of Radiation Physics

• Former Staff:

• Project Description:

Vid vanlig slätröntgen (t.ex. lungröntgen) döljs viktiga detaljer av andra strukturer som lagrats på varandra i den tvådimensionella röntgenbilden. Datortomografi (CT) däremot ger tunna skiktbilder av patienten utan skymmande strukturer. Man kan idag snabbt (inom några tiotals sekunder) generera ett stort antal skiktbilder, som efteråt kan kombineras så att patientens tredimensionella anatomi kan återskapas och radiologen ställa en säkrare diagnos. CT undersökningar används därför vid allt fler frågeställningar men eftersom stråldosen ofta är större än för motsvarande slätröntgenundersökning är det speciellt angeläget att datortomografin optimeras så att patientstråldosen minimeras med bibehållen, tillräcklig bildkvalitet. Detta är speciellt angeläget vid undersökningar av barn som är mindre till storleken men strålkänsligare än vuxna. Idag tas alltför liten hänsyn till patientens storlek vid CT vilket ofta medför att barn får större stråldoser än nödvändigt. I dagens datortomografer är strålfältet format som en solfjäder med en bredd av 1-24 mm. Patienten ligger på en brist som sakta förs igenom det solfjäderformade strålfältet, som roterar runt patienten så att i varje givet ögonblick endast en liten del av patienten bestrålas. Den största delen av strålningens energi absorberas i patientens kropp och ger stråldos till patienten. En mindre del går obehindrat genom patienten, registreras i bilddetektorn och bildar en s.k. projektion. Flera projektioner skapas per rotationsvarv och med hjälp av datorer återskapats (rekonstrueras) ett skikt av patienten i bilden. En del strålning från patienten har spridits en eller flera gånger och därmed ändrat riktning. Om denna spridda strålning registreras i bilddetektorn försämras bildens kvalitet eftersom spridd strålning inte innehåller någon information om patienten utan endast brus. Med tunna, solfjäderformade strålfält är den spridda strålningen ett litet problem. Med de bredare strålfält som kommer att användas vid morgondagens stora (40cm x 40cm), konformade strålfält (volymdatortomografi, VCT), ger den spridda strålningen allvarligare bildkvalitetsproblem. Med Monte Carlo simuleringsteknik och snabba datorer kan man följa strålningens väg från röntgenröret genom patienten och in i bilddetektorn. Med denna teknik kan de bildkvalitets- och stråldosproblem, som datortomografi med stora strålfält medför, analyseras. Signal-till-brus förhållandet (SNR) är ett fysikaliskt bildkvalitetsmått som mäter hur signalen av en viss struktur (t.ex. lungtumör) avviker från bakgrundsbruset i bilden. Detta mått kan sedan jämföras med resultatet av radiologers förmåga att detektera strukturerna. Bildbehandlingsprogram kan också användas för att lyfta fram viktig information. Dock kan inget bildbehandlingsprogram ersätta en undermåligt exponerad röntgenbild, varför ökad kunskap om hur man på bästa sätt producerar de grundläggande projektionerna vid datortomografi blir alltmer viktigt, speciellt då datortomografianvändningen ökar och ger förhållandevis höga stråldoser. Målet med detta projekt är att, baserat på Monte Carlo-tekniken, utveckla en beräkningsmodell (den virtuella tomografen), som både simulerar egenskaperna hos projektionsdata, speciellt vid stora, konformade strålfält där spridd strålning är ett problem och stråldosen. Vi kommer även att studera hur de speciella rekonstruktionsalgoritmer som används påverkar bildkvaliteten. Realistiska s.k. voxelfantomer kommer att användas för att simulera bildtagningen av patienter. Patologiska strukturer kommer att inympas i modellen av människan för grundläggande studier av hur olika bildtagningstekniker och rekonstruktionsalgoritmer påverkar dos och bildkvalitet. När vi hittat vilka fysikalisk bildkvalitetsmått (t.ex. SNR) som korrelerar bra med radiologens förmåga att detektera patologiska förändringar kommer vi att använda modellen för optimering av klinisk bildkvalitet och patientstråldos, speciellt för undersökningar av barn. Detta projekt kommer att leda till att en av datortomografitillverkarna oberoende analysmetod - den virtuella tomografen - utvecklas för sjukvården. Den möjliggör detaljstudier av hur effekten av bildtagningstekniken, inklusive olika patienters storlek och anatomi, påverkar bildens kvalitet och patientens stråldos. Denna resurs är ett viktigt stöd till radiologen och sjukvården i dess sökande efter optimala bildtagningsparametrar dvs. sådana som ger en tillräcklig bildkvalitet med ett minimum i dos till patienten.

Vetenskapliga publikationer under 2005 och 2006

Jonas Nilsson Althén Automatic tube-current modulation in CT: a comparison between different solutions Radiat Prot Dosim, 114, no 1-3, 308-312, 2005

Alexandr Malusek, Maria Magnusson Seger, Michael Sandborg, Gudrun Alm Carlsson Effect of scatter on reconstructed image quality in cone beam CT. Radiat Prot Dosim, 114, Nos 1-3, 337–340 2005

Jalil Bahar, P Hägglund, Göran Wickman Assessment of correlated CT dose and sensitivity profiles. Radiat Prot Dosim, 114, Nos 1-3, pp. 332–336, 2005

Alexandr Malusek, Maria Magnusson Seger, Michael Sandborg and Gudrun Alm Carlsson A Monte Carlo Study of the Effect of an Ideal Fully-Compensating Bowtie Filter on the Amount of Scatter in Computed Tomography (inskickad)