Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mathematik für schonendere Computertomographie

10.07.2006
Da man bis heute nicht weiß, ob es bei Röntgenstrahlung eine Schwellendosis für ein Krebsrisiko gibt, muss man die Dosis bei Röntgenaufnahmen so gering wie möglich halten. Um sie weiter senken zu können, suchen Wissenschaftler nach immer neuen Geräten und Methoden, die mit geringerer Strahlenbelastung gute Ergebnisse bringen - schließlich ist das Röntgen, und hier vor allem die Computertomographie (CT), für den größten Teil der Strahlenbelastung der Bevölkerung verantwortlich, wie das Bundesamt für Strahlenschutz festgestellt hat.

Die CT wird immer leistungsfähiger: mehr Bilder in kürzerer Zeit, mehr diagnostische Möglichkeiten. So erlaubt es die moderne Mehrschicht-CT, mehrere aneinander angrenzende Schichten des Körpers gleichzeitig zu betrachten. Die Anzahl der CT-Aufnahmen wird also weiter steigen - und damit auch die Strahlenbelastung. Technische Verbesserungen konnten die Dosis pro CT bisher um maximal 30 Prozent senken. Bei weiterer Reduzierung würde durch erhöhtes Bildrauschen unweigerlich die Bildqualität leiden. Um trotz geringerer Dosis Aufnahmen hoher Qualität zu erzeugen, setzt die Arbeitsgruppe Medizinphysik am Institut für Strahlenschutz des GSF-Forschungszentrums für Umwelt und Gesundheit in Neuherberg bei München auf die Mathematik: Ein neuartiger Algorithmus für die notwendige Rekonstruktion der Bilder aus den CT-Daten nutzt die in den Rohdaten steckende Information besser aus, erklärt der Leiter der Arbeitsgruppe, Dr. Christoph Hoeschen. So lassen sich aus der Hälfte der Daten - entsprechend einer halbierten Strahlenbelastung - mindestens gleich gute Bilder rekonstruieren wie mit dem bisherigen Standardverfahren, der "Filtered Back Projection" (FBP).

Die Mess-Daten werden aus verschiedenen Winkeln aufgenommen, der gesamte Datensatz bildet ein so genanntes Sinogramm. In einer Rechenoperation entsteht daraus eine Annäherung an das ursprüngliche Bild. Der Algorithmus der FBP besteht aus zwei Hauptschritten: der Rückprojektion und einer Filterung. Diese Filterung ist notwendig, um die bei der Rückprojektion entstehenden Fehler auszugleichen, bringt aber eine gewisse Unschärfe ins Bild. Um diese möglichst gering zu halten, muss man so hoch aufgelöst messen wie möglich, und zwar - damit nun das Bildrauschen nicht zu groß wird - mit photonenreichen Strahlen. Sprich: Man muss eine hohe Strahlenbelastung in Kauf nehmen.

Der neue Rekonstruktionsalgorithmus, den die GSF-Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen von der Universität Oregon in Eugene, USA, geschaffen haben, kann direkt aus den Rohdaten eines CT-Scans Bilddaten errechnen. Basis der "Orthogonal Polynomial Expansion on the Disc" (OPED) ist die Tatsache, dass sich eine Funktion, die das Objekt beschreibt, näherungsweise durch ein Polynom wiedergeben lässt. Durch geschickte Auswahl der benötigten Basisfunktionen können die Experten mit relativ geringem Rechenaufwand und auf einfache Weise aus Rohdaten eines CT-Scans eine äußerst genaue Näherung der tatsächlichen Eigenschaften des Objekts rekonstruieren.

Auch ein weiteres Problem der Rekonstruktion mittels FBP kann OPED elegant umgehen: Da die Strahlen nicht parallel, sondern fächerförmig verlaufen, die meisten gängigen FBP-Versionen aber zwingend parallele Strahlen erfordern, müssen aus dem Strahlenfächer Parallelstrahlen berechnet werden. Das kann zu Fehlern in der Rekonstruktion führen. Mit OPED lassen sich die benötigten Daten direkt aus den mit gefächerten Strahlen aufgenommenen Scans gewinnen. Die Daten müssen nur umsortiert werden, dann kann die Rekonstruktion sofort beginnen.

Dass OPED den Vergleich mit FBP nicht scheuen muss, haben Testsimulationen bewiesen. Anhand technischer Objekte und selbst erstellter Voxelmodelle menschlicher Körper wurden Rohdaten simuliert, wie sie ein tatsächliches CT liefern würde. Bei der anschließenden Rekonstruktion dieser Daten - einmal mit FBP und einmal mit OPED aus der Hälfte der FBP-Daten - gab das OPED-Bild Details schärfer wieder, ohne deutlich verstärktes Rauschen. Quantitative Auswertungen technischer Phantome zeigten: Mit OPED ist bei halber Dosis mindestens dasselbe Signal-Rauschverhältnis zu erreichen wie mit FBP bei voller Dosis. Mit dem neuen Algorithmus lässt sich also die Dosis ohne jegliche Qualitätseinbuße um die Hälfte reduzieren. Nun muss OPED nur noch die Hürde der Markteinführung nehmen, dann könnte in absehbarer Zukunft eine schonendere Computertomographie in Arztpraxen und Kliniken Einzug halten.

Für weitere Informationen und Bildmaterial kontaktieren Sie bitte die GSF- Pressestelle:

GSF - Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel: 089/3187-2460,
Fax 089/3187-3324,
E-Mail: oea@gsf.de

Michael van den Heuvel | idw
Weitere Informationen:
http://www.gsf.de/neu/Aktuelles/Presse/2006/mathematik_hoeschen.php

Weitere Berichte zu: Computertomographie FBP OPED Strahlenbelastung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise