Ugrás a tartalomhoz

Orvosi leképezéstechnika

Balkay László (2011)

Debreceni Egyetem

Kiegészítő gondolatok a CT dózisterheléséről és a képrekonstrukciós technikák történetéről

Kiegészítő gondolatok a CT dózisterheléséről és a képrekonstrukciós technikák történetéről

Egy igen gyakran hivatkozott cikk tanulságai

Korábban már említettük, hogy ezekben az években az egyik leggyakrabban hivatkozott cikk a radiológia területén David Brenner és Eric Hall összefoglaló közleménye2, ami a CT vizsgálatokkal járó sugárdózisról szól. A cikk alapvetően az Egyesült Államokra vonatkozó egészségügyi statisztikák és korábbi cikkek áttekintése alapján készült. 2010 márciusában ez a közlemény volt az 5. a "hot papers" klinikai publikációk között, illetve 12. az összes publikációkat figyelembe véve. (http://sciencewatch.com/inter/aut/2010/10-mar/10marBren/). Egy évvel ezelőtt 504, jelenleg pedig 893 hivatkozása van. Hogy lehet az, hogy egy "száraz" dozimetria kéréssel foglalkozó közleménynek ilyen magas impaktja lett? A dolog nem véletlen, ugyanis az elmúlt évtizedben egyre nagyobb figyelem övezi az ionizáló sugárzást használó orvos diagnosztikai eljárások esetleges a beteget érintő veszélyeit, illetve e veszélyek csökkentésének módjait (A radiológia portálon is olvasható volt már néhány ilyen közlemény. Pl: http://www.radiologia.hu/szakma/referalo/3206.html). A két legérintettebb terület, a CT, illetve a nukleáris medicina (NM) egyes leképzési technikái. Egyetlen scan jellemző dózistartományai 2-30 mSv a CT esetén és 2-15 mSv a NM vizsgálatok során6. Azonban míg a NM procedúráknál a dózis egyetlen faktortól, az injektált radiofarmakon mennyiségétől függ (ami viszonylag egyszerűen kontrollálható a testtömeg függvényében), addig a CT esetében számos beállítási paraméter is hatással van a betegnek leadott dózisra. Ilyen paraméter többek között a csőfeszültség, a csőáram és a pitch is, de vajon hány a CT-t alkalmazó kolléga van azzal tisztában, hogy melyik milyen módon befolyásolja a dózist? Persze nem fontos tudni a választ, ha legalább azt meg tudjuk becsülni az operátor konzol adatai alapján, hogy egy – akár igen sok sorozatból álló - CT vizsgálat után mennyi volt a páciens összdózisa. Mi alapján lehet ezt kiszámolni? Magyarországon ma még nem jellemző, hogy egy beteg rákérdezzen a vizsgálat után, hogy mekkora volt dózisterhelése, és hogy ez mekkora rizikóval jár számára, de ha így lenne, akkor vajon hány CT központban tudnának neki kielégítően felelni? A feltett kérdések akár felesleges kötözködésnek (okoskodásnak) is tűnhetnek, mert a CT vizsgálatok nyilvánvaló célja, hogy a betegek diagnózisa minél hamarabb és minél megbízhatóbban felállítható legyen. Így bár bizonyos fokú sugárzásnak kitesszük a pácienst, de ennek segítségével a megfelelő diagnózis birtokában már a szükséges terápia kidolgozható, a beteg élete megmenthető, életminősége javítható vagy akár teljesen meggyógyítható.

Első közelítésben tehát minden úgy jó ahogy van, de figyelembe kell azonban venni, hogy egy betegen (akár néhány éven belül) számos CT vizsgálatot el kell végezni, így az akkumulált dózisterhelés már egyáltalán nem lényegtelen. Ha a vizsgálatok közben csak a minél jobb képminőség számít, akkor szélsőséges esetben akár ~30 mSv dózist is kaphat, így 3-4 CT vizsgálat után már a kritikusabb 100 mSv akkumulált dózis felé is kerülhet. Ekkora érték mellett már megközelítőleg 1:200 a kockázata egy jövőbeni rákos szövődménynek. Ez az adat azonban csak egy átlagos és valószínűségi érték, és erősen függ a páciens életkorától. Fiatalabb ember, illetve gyermekek esetében a rizikó sokkal kifejezettebb, akár 5-20-szor nagyobb, mint idősebb korban2. Az idézett cikkben a konkrét dózis és kockázati adatok mellett azt is próbálták analizálni a szerzők, hogy vajon az elvégzett CT vizsgálatok valóban szükségesek voltak-e? (A "szükséges" legalább két kontextusban merült fel a cikkben: más módszerrel helyettesíthető, vagy szervezési hibák miatt többször – ugyanazt az információt szolgáltató scan-t két különböző kórházban is - elvégzett CT vizsgálatok esetén.) Az erre vonatkozó válasz, illetve következtetés elég megdöbbentő volt, mert például a gyermekeken elvégzett vizsgálatok esetében megközelítően azok egyharmadát vélelmezik feleslegesnek. A vizsgálat indikálás oldalán is érdekes adatok derültek ki, mert például a sürgősségi osztályokról beküldők alapvetően alulbecsülték a CT vizsgálatok dózisait és kockázatait (75% és 91%-os arányban). További a helyzetet más oldalról reprezentáló cikk jelent meg nemrég Ausztráliái adatok alapján7, ahol végzős orvostanhallgatók és gyakornok orvosok körében végeztek felmérést az ionizálós sugárzással kapcsolatban. A megkérdezettek 55%-a becsülte alá a radiológiai procedúrák dózisait, továbbá 11 és 16 százalékuk hitte, hogy az UH és MRI ionizáló sugárzást emittál. A képalkotókkal feleslegesen elvégzett vizsgálatok esetleges tendenciáiról lehet még olvasni a következő helyen is: http://radiologia.blog.hu/2011/03/10/tul_sok_kepalkoto_diagnosztikai_vizsgalat.

CT dózisszámítási ABC

Az elmondottak alapján talán már jobban érthető, miért hivatkoznak és vitatkoznak sokan David Branner cikkével kapcsolatban, hiszen számos nagyon komoly szakmai és finanszírozási kérdést feszeget az írásban. A cikkből az is kiderül, hogy az Egyesült Államokban évekre visszamenően jól dokumentált statisztikai adatok állnak rendelkezésre a CT vizsgálatok dózisaira vonatkozóan, ami alapján jelenleg az átlagos vizsgálati dózis megközelítően 10mSv (2-30 mSv szórás mellett). Mi a helyzet vajon hazánkban? Attól tartok, nemhogy ilyen statisztikák nincsenek, de az egyes CT vizsgálatok dózisainak meghatározásai is gondot jelentene a legtöbb helyen, bár ma már szinte minden készüléken leolvashatók (vagy a dicom fájlból kiolvashatók) az ehhez szükséges bemeneti adatok (az un. CTDI és DLP értékek). A CT gyártók azonban csak az elnyelt dózis jellemző adatait tudják feltüntetni, a DLP esetén ez [mGy*cm] egységet jelent. A [mSv]-ben kifejezett - már a biológiai hatást is kifejező - dózis-ekvivalenst (D) azonban a gyártó nem tudja kiszámolni, mert a "CT-nek fogalma sincs", hogy mely testtájék lett besugarazva adott DLP értékkel. A konkrét dózis-ekvivalenst értéket a D = w*DLP összefüggéssel lehet kiszámolni, csakhogy a "w" függ a vizsgált régiótól és a testtömegtől is. Például egy 70 kg-os páciens esetén a koponya, illetve a mellkas-hastájék esetén a "w" értéke megközelítően 0.002, illetve 0.02 A mellkas-hastájékra vonatozó "w" azonban jelentősen függ a testtömegtől, például 40 és 100 kg esetén körülbelül +30 és -20 százalékkal eltér a 70 kg-ra vonatkoztatott értéktől8. Más szavakkal ez azt is jelenti, hogy az átlagostól nagyobb, illetve kisebb tömegű beteg esetén ugyanolyan CT beállítás (pl.: kV, mA, pitch) mellett a dózis kisebb, illetve nagyobb lesz. Ezért lesz nagyon kritikus a gyermek vizsgálatok esete, mert ha nem vesszük figyelembe ezt a kapcsolatot, akkor akár 50-100%-kal is több sugárdózissal járhat a vizsgálat a szükségesnél. Az előbb felírt "w" adatokat felhasználva bárki meg tudja becsülni egy adott scan mSv-t értékét, ha le tudja olvasni a vizsgálatra jellemző DLP. Ha pontosabb értékre van szükség, akkor mindenképpen javasolt az ImPACT CT Patient Dosimetry Calculator excel program beszerzése (http://www.impactscan.org/ctdosimetry.htm), amely önmagában ingyenes, csak a hozzátartozó CT készülékek paramétereit tartalmazó adatbázisért kell fizetni megközelítően 20eFT-ot (2011-es adat).

Két képernyőrészlet az ImPACT programból.

Automatikus dózisoptimalizálás a CT scan során

Valószínű sokan tudják, hogy az utóbbi években vásárolt CT készülékek már tartalmazhatnak egy un. dózisoptimalizálási technikát (aminek angol neve az automatic exposure control: AEC), ami a páciens méretének és testtömeg-eloszlásának ismeretében a röntgencső áramát folyamatosan változtatja, annak megfelelően, hogy a kép jel/zaj viszonya állandó legyen. Mivel a rekonstruált képszeletek jel/zaj viszonyát első sorban a detektorokba belépő (a testen keresztül jutott, a testben nem abszorbeálódott) röntgenfotonok száma határozza meg, ezért a közvetlen cél, hogy ennek értéke megközelítően állandó legyen. Ezzel az ötlettel el lehet érni, hogy például a mellkas akár fele akkora röntgencső áram mellett lesz átvilágítva, mint a csípő területe, mégis az egyes területek kontrasztja és jel/zaj viszonya hasonló lesz. Ahány gyártó, annyi féle módon nevezik ezt a technológiát, pl: GE: smartDOSE, Philips: DoseRight, Siemens: CareDose, Toshiba: SureExposure. Az AEC technikával általában 20-40%-os dóziscsökkentés érhető el, de gyermekvizsgálatok esetén akár még ennél is több. Azt gondolhatnánk, tehát, hogy akinek a CT készüléke ezzel a technikával van felszerelve, az már nyugodtan "hátradőlhet", és nem kell már tovább foglalkoznia a beteget érő dózis kérdésével, mert a gyári dózis-modulációnál többet már tenni úgy sem lehet. Ez azonban sajnos nincs így, mert az összes AEC optimalizálás kiinduló paramétere a rekonstruált kép jel/zaj viszonyára vonatkozó adat. Ez az érték tulajdonképpen a rekonstruált kép pixeleinek Hounsfield (Hu) szórását jelenti, tehát ha növeljük a csőáramot, akkor ez értelemszerűen csökkenni fog. Ennek megfelelően, ha ezt az értéket túl alacsonyra állítjuk (az adatgyűjtő program egy megfelelő input értékével), akkor nagyon jó jel/zaj viszonyú képet várunk el, és bár testterületenként változó röntgencső árammal fog a CT scan elkészülni a teljes dózis mégsem lesz alacsony. Egy CT installálása során a gyártó számos protokollal együtt telepíti az eszközét, amelyek tartalmaznak javasolt beállításokat, de előfordulhat, hogy a jobb képminőség érdekében az AEC algoritmust befolyásoló alapértelmezett Hu szórás értékek kisebbek a szükségesnél. Ekkor elképzelhető, hogy egy CT vizsgálat dózisa nem csökken 20 mSv alá az AEC használatával sem, igaz, ha ez nem lenne bekapcsolva, akkor elérné a 30 mSv-t is. Összefoglalva tehát, attól, hogy egy készüléken az AEC technika elérhető és be van kapcsolva, még nem jelenti azt, hogy időnként ne lenne érdemes ellenőrzésként kiszámolni egy-két CT vizsgálat mSv-ben kifejezett dózisát. Továbbá a korszerű technika mellett nem szabad, hogy "elkényelmesedjünk", mert ha elemi módon nem tudjuk ellenőrizni a működését, akkor esetleges hiba esetén a beteget érheti nagyon nagy sugárzás. Sajnálatos módon, ilyen eset történt az előző 2 évben az egyik Los Angeles-i Radiológiai központban, ahol több mint 100 beteg koponya vizsgálata során a szükséges dózis legalább nyolc szorosát kapták meg a páciensek. Megdöbbentő módon a probléma másfél évig fennállt, és első körben az vezetett a kivizsgáláshoz, hogy egyre több betegnek már kihullott a haja a vizsgálatok követően (http://www.nytimes.com/2010/02/10/health/policy/10radiation.html?_r=1).

Dóziscsökkentési lehetőségek az iteratív rekonstrukció segítségével

Talán közismert - talán nem -, a tomográfia kidolgozása során meg kellett oldani az un. képrekonstrukció matematikai problémáját, és hatékony algoritmust kellett hozzá kifejleszteni, amit a rendelkezésre álló számítógépeken futtatni lehetett. Az orvosi tomográfiának ez a kulcs-eleme a mai napig. Az 1979-es orvosi Nobel díjat Allan M. Cormack és Godfrey N. Hounsfield kapta a CT kifejlesztéséért, de az már talán kevésbé közismert, hogy ők nem is ismerték egymást a munka során (Cormack Dél Afrikában, Hounsfield Angliában dolgozott). Cormack 1958-1963 között foglalkozott a problémával és sikerült kidolgoznia egy analitikus (a Fourier transzformáción alapuló) matematikai eljárást, de klinikai érdeklődés hiányában (!) embereken végzett vizsgálatokig nem jutott el. Hounsfield, aki járatos volt az akkori nagyszámítógépek programozásában – az 50-es évek végén az ő irányításával fejlesztették ki Anglia első tranzisztor alapú számítógépét, az EMIDEC 1100-at – egy egészen más utat talált, ugyanis Ő dolgozta ki az első un. iteratív rekonstrukciós (IR) programot. Az első években ilyen rekonstrukciós algoritmus futott az EMI által gyártott CT-ken, azonban pár év múlva a gyártók rátértek az un. szűrt visszavetítéses algoritmusra (filtered back projection: FBP), ami már nem egyezett meg sem Cormack, sem Hounsfiled módszerével. Az FBP módszer tulajdonképpen "újrafelfedezése" volt Johann Radon osztrák matematikus munkájának, aki már 1917-ben megoldotta a rekonstrukció matematikai problémáját, bár fogalma nem volt, hogy valaha gyakorlati haszna lesz. Munkáját elfeledték, csak az 1970-es években jöttek rá, hogy az ő módszerével sokkal praktikusabban kezelhető a probléma (az első MRI rekonstrukció is ezt használta, még a "K-tér" bevezetése előtt). Egy időre az iteratív rekonstrukciót is háttérbe szorította, mert kellően gyors volt (akár egy nagyságrenddel is gyorsabb). Bár az iteratív rekonstrukció elvileg sokkal zajmentesebb képet állít elő, és segítségével a leképzési hibák (Compton szórás, nyaláb keményedés) is korrigálhatók, ennek egyre kisebb jelentősége volt, mert a CT-k röntgencsövei egyre nagyobb teljesítményűek lettek, így egyre több foton "állt rendelkezésre" a rekonstrukcióhoz. A sok foton mellett pedig az FBP algoritmussal rekonstruált képek zajossága már egyáltalán nem volt zavaró, sőt a képminőség évről évre javult (A mai készülékek esetén egy CT szelet leképzéséhez megközelítően 1015 darab foton lép ki a röntgencsőből). Egészen más volt a helyzet azonban a nukleáris medicina tomográfjai (SPECT, PET) esetében, itt ugyanis a páciensben injektált radiofarmakon mennyisége általában ~ 200 MBq, tehát így egy 10 perces leképzés során csak ~1011 gamma foton keletkezik a páciensben, aminek ráadásul csak tört része kerül a detektorokba. Tehát a SPECT és PET leképzések során körülbelül egymilliószor kevesebb eseményből kell képet rekonstruálni, ezért itt az FPB rekonstrukció nagyon zajos képet eredményezhet, és eredményez is. Épp ezért, ezeknél a technikáknál amilyen hamar csak lehetett, bevezették a kevesebb zajt előállító iteratív rekonstrukció módszereit. Történt ez már a 90-es évek közepe felé, amikor a számítástechnikai háttér lehetővé tette az elfogadható sebességű rekonstrukciót. Az elmúlt 20 évben a nukleáris medicinában folyamatosan fejlesztették az IR módszereit és algoritmusait, a legutóbbi években már GPU-n futtaható algoritmusok is megjelentek egyes gyártók esetében. Tulajdonképpen az a csoda, hogy ez a fejlődési tendencia CT-nél nem jelent meg, és egészen az utóbbi évekig a CT-k rekonstrukciós algoritmusa a FBP volt9.

Úgy gondolom a döntő lökést ezen a téren az utóbbi évek dóziscsökkentési igénye jelentette, mert a fentiek alapján már érhető lehet, hogy ugyanolyan CT beállítás mellett (kV, mA, pitch) az IR módszer zajtalanabb képet rekonstruál, mint az FBP. Ezzel ekvivalens a következő állítás is: ha megelégszünk egy adott zajosságú képminőséggel, és ha ezt idáig egy adott mA beállítás mellett és az FBP algoritmussal értük el, akkor ha IR algoritmust használunk, a mA értéket csökkenthetjük ugyanolyan zajszintű képminőség érdekében. És ennyi és nem több az iteratív rekonstrukció szerepe a CT-k dózisoptimalizálásában, de ezzel akár 40%-os dóziscsökkentés is elérhető. Ha nemcsak a dóziscsökkentésre gondolunk, akkor persze további előnyei is lesznek az IR algoritmusnak, mert segítségével a torzító hatásokat is könnyebb lesz korrigálni. Egy kicsit zavaró lehet azonban, hogy a gyártók most piacra dobott új készülékeiben az IR technikát, mint valami új, eddig még nem létező fejlesztésként mutatják be. Nos nem túl régi, de éppen csak Hounsfield óta, az orvosi tomográfiák időszámítása óta ismerjük.