Optimierung von Bewegungsbahnen in der Kegelstrahl-Tomografie
3D-Röntgenbildgebung hat sich zur Beantwortung komplexer klinischer Fragestellungen als ein unverzichtbares Hilfsmittel etabliert. Aufgrund herrschender technischer und wirtschaftlicher Limitationen in der Führung von Röntgenquelle und -detektor, wird bei einer Durchleuchtung die komplette Körperregion gleichmäßig mit Strahlung exponiert. Gleichwohl reagieren unterschiedliche Gewebearten im Körper auf Röntgenstrahlung unterschiedlich empfindlich. Radiolog∗innen versuchen deshalb grundsätzlich, bestimmte anatomische Strukturen nicht oder nur wenig zu exponieren. Dazu zählen u. a. Augenlinsen, Drüsengewebe wie Brust- und Schilddrüsen, Fruchtbarkeitsorgane und der Darm. Entsprechend wird eine gewichtete Gleichverteilung der Dosis in den Geweben angestrebt. Diese medizinische Anforderung wird bei der Umsetzung am Markt verfügbarer 3D-Röntgenbildgebungssysteme bisher unzureichend berücksichtigt. Bildgebungskomponenten eines 3D-Röntgensystems – Röntgenquelle und Röntgendetektor – werden sehr häufig auf kreisförmigen Bewegungsbahnen geführt. In der vorliegenden Arbeit wird die Fragestellung untersucht, inwieweit spezialisierte Bewegungsbahnen in der Kegelstrahl-Computertomografie die Strahlenbelastung empfindlicher anatomischer Strukturen reduzieren und dabei die Bildqualität weitestgehend erhalten können. Zur Beantwortung der Fragestellung werden Röntgenvorgänge entlang beliebiger Bewegungsbahnen vollständig virtuell abgebildet und physikalisch realitätsgetreu simuliert. Hierfür wurde eine bestehende, am Fraunhofer IPK, Berlin entwickelte Simulationssoftware für 3D-Röntgenbildgebung erheblich erweitert. Zunächst wurden im Rahmen dieser Arbeit die softwaretechnischen Voraussetzungen geschaffen, um medizinische Objekte und deren strahlenempfindliche und klinisch interessanten Regionen überhaupt zu erfassen und realistisch abzubilden. Für solche Simulationsobjekte – sog. Phantome – sind komplett neue Strukturen und Architekturen eingeführt worden. Darüber hinaus wurde die Messung der verabreichten Strahlendosis während der Simulation implementiert und gleichzeitig die Simulationszeit mehr als halbiert. Es wurden Metriken implementiert und untersucht, die die Bildqualität der rekonstruierten Volumenbilddaten objektiv erfassen und somit vergleichbar machen. Aufbauend auf den nun verfügbaren Leistungsmerkmalen wie Dosismessung, Abbildung anatomischer Strukturen mit medizinischen Daten, Erfassen der interessanten oder kritischen Region sowie einer Qualitätsbewertung der Bilddaten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Optimierungsalgorithmus umgesetzt. Dieser ermittelt optimale Bewegungsbahnen von Röntgenquelle und -detektor bezogen auf eine vorgegebene, klinische Fragestellung. Die resultierenden Bewegungsbahnen finden für die untersuchten anatomischen Strukturen eine optimale Balance zwischen geringstmöglicher Strahlenbelastung der empfindlichen Gewebe und maximal möglicher Bildqualität in den relevanten Regionen. Zur Verifikation des erarbeiteten Algorithmus sind in der vorliegenden Arbeit zunächst die entstandenen Methoden untersucht worden. Bei der Dosismessung zeigten sich die erwarteten Abhängigkeiten zur Photonenzahl und -energie. Die zwei eingeführten und untersuchten Qualitätsbewertungsverfahren (strukturell und gradientenbasiert) entsprachen für sich genommen den Erwartungen. Allerdings wurde die erwartete Korrelation zwischen diesen beiden Bewertungsverfahren nicht nachgewiesen, sodass im Algorithmus beide Qualitätsbewertungen angewendet werden müssen. Ferner wurde nachgewiesen, dass der Optimierungsalgorithmus immer in endlicher Zeit zu Lösungen findet und zielstrebig die Optimierungskriterien erreicht. Anschließend wurde in Experimenten die Simulation und Optimierung an zwei Phantomen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt – einem technischen Multi-Zylinder-Phantom und einem medizinischen Phantom des Beckens mit Keimdrüsen. Mit dem Multi-Zylinder-Phantom wurde die Funktionsfähigkeit des gesamten Algorithmus bestätigt. Bei der Bewegungsbahnoptimierung am Beckenphantom wurde eine Bewegungsbahn ermittelt, die die effektive Dosis um 99 % reduziert und dabei die Bildqualität um ca. 20 % verschlechtert. Gleichwohl die bei den Versuchen verwendeten Phantome nicht vollständig modelliert waren, wird die Dosisreduktion als nachgewiesen betrachtet. Abschließend wurde aufgezeigt, dass die implementierten Leistungsmerkmale in zukünftigen Arbeiten weiterentwickelt werden müssen, damit sie in der Praxis sinnvoll Anwendung finden können. Insbesondere die Modellierung der Phantome sollte detaillierter erfolgen und die Simulation weiter beschleunigt werden. Gleichzeitig ist diese Arbeit ein weiterer Schritt dahin, Röntgenbildgebung an den Bedarfen der Ärzt∗innen und Patient∗innen auszurichten und das untersuchte Gewebe tatsächlich nur so stark zu belasten, wie es unbedingt nötig ist.
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