Konzept zur Umrechnung dosisrelevanter Parameter in der digitalen Volumentomographie - Vorhaben 3619S42462

Abstract

Die 3D-Bildgebung nimmt in der medizinischen Diagnostik eine zentrale Stellung mit stark steigender Bedeutung ein. 3D-Bildgebung unter Nutzung von Röntgenstrahlen erfolgte bis vor wenigen Jahren fast ausschließlich mittels Computertomographen. Dieses hat sich inzwischen geändert. Computertomographen (CT-Geräte) haben immer noch eine bedeutende Rolle, es gibt jedoch zunehmend Geräte, die vielfach Weiterentwicklungen von Fluoroskopiegeräten darstellen und die ergänzend zu Projektionsaufnahmen und Durchleuchtungen eine 3D-Bildgebung ermöglichen. Aufgrund der Form des Strahlenkegels werden Aufnahmen mit diesen Geräten als Kegelstrahl-Computertomographien (Cone beam computed tomography CBCT) bezeichnet. Es gibt etliche klinische Fragestellungen, die abhängig von den klinischen Gegebenheiten mit CT- oder CBCT-Geräten untersucht werden können. Die Dosiswerte, die zur Bewertung der Strahlenexposition der Patienten von den Geräten angezeigt werden, sind aufgrund der historischen Entwicklung strukturell verschieden; an Computertomographen werden die Größen Computertomographie-Dosisindex (CTDI) und Dosislängenprodukt (DLP) angezeigt, an CBCT-Geräten das Dosisflächenprodukt (DFP). Beide Sätze von Dosisgrößen sind konzeptionell unterschiedlich, so dass es bislang kaum möglich ist, die Strahlenexposition einander entsprechender Untersuchungen zu vergleichen, die an CT- oder CBCT-Geräten durchgeführt werden. Ziel dieses Vorhabens war es, geeignete Konversionsfaktoren zu ermitteln, die es ermöglichen, beide Sätze von Dosisgrößen ineinander umzurechnen. Vor dem Beginn eigener Forschungsaktivitäten im Vorhaben wurde anhand diverser wissenschaftlicher Datenbanken eine Erhebung über bestehende Vorarbeiten durchgeführt. Die Weiterentwicklung auf dem Gebiet wurde durch wiederholte Sichtungen der Literatur im Projektzeitraum verfolgt. Es zeigte sich, dass in der internationalen Literatur bislang keine substanziellen Arbeiten zu dem Thema zu finden sind. Gleichermaßen konnten keine Verlautbarungen relevanter nationaler oder internationaler Gremien identifiziert werden. Innerhalb des Vorhabens wurden vier unterschiedliche Herangehensweisen (zwei messtechnische und zwei simulationstechnische) verfolgt, um die beiden Sätze von Dosisgrößen ineinander zu überführen. In einem ersten Ansatz wurde auf der Basis von Messungen an CBCT-Geräten eine Umrechnung der Dosisgröße DFP in DLP vorgenommen. Hierbei wurden Dosismessungen an einem dreifachen CTDI-Phantom durchgeführt und hierdurch ein DLP ermittelt, das mit dem angezeigten DFP verglichen wurde. In logisch umgekehrter Richtung wurden Messungen an CT-Geräten durchgeführt und die dort als Standard angezeigte Größe DLP in ein messtechnisch bestimmtes DFP umgerechnet. Hierzu wurden die Dosis frei in Luft im Isozentrum und die Ausdehnungen des Strahlkegels längs und orthogonal zur Patientenachse bestimmt. Bei der Ausdehnung orthogonal zur Patientenachse wurde der durch den Formfilter der Computertomographen modulierte Dosisverlauf berücksichtigt. Die beiden simulationstechnischen Ansätze basieren auf Rechnungen mittels der Software ImpactMC. Ein erster simulationstechnischer Ansatz zielte darauf ab, die Messungen an den CBCT-Geräten abzubilden und den messtechnisch verfügbaren Parameterraum durch Simulationen zu erweitern. Ein zweiter Ansatz nutzte nicht mehr die technischen Dosisgrößen, sondern basierte auf einer risikobehafteten Kopplung unter Verwendung der effektiven Dosis. Die Simulationen basierten auf grundlegenden gerätetechnischen Größen, die vor den Simulationen gemessen oder anhand der Gerätedatenblätter ermittelt wurden und Parametern der betrachteten klinischen Untersuchungsprotokolle. Die Simulationen bei dem risikobasierten Ansatz erfolgten unter Verwendung eines männlichen ICRP Voxelphantoms nach ICRP-Publikation 110 mit den zugehörigen Gewebewichtungsfaktoren nach ICRP-Publikation 103. Bei den messtechnischen und simulationstechnischen Ansätzen wurden insgesamt 15 CBCT-Geräte und zwei Computertomographen sowie vier Untersuchungsregionen im Kopf-Halsbereich und vier Untersuchungsregionen im Bereich des Körperstamms betrachtet. Die Messungen unter Verwendung des CTDI-Kopfphantoms zeigen bei den CT- und CBCT-Geräten eine Abhängigkeit des Konversionsfaktors von den bei den Aufnahmen verwendeten Röntgenspektren. Der beobachtete Zusammenhang lässt sich anhand grundlegender Überlegungen zur Strahlabsorption erklären. Unabhängig von dieser grundlegend beobachteten Abhängigkeit treten gerätespezifisch individuelle Abweichungen vom idealen Verlauf auf, jedoch lässt sich als Konversionsfaktor ein mittlerer Wert von 23,6 cm annehmen, dem nahezu alle betrachteten Geräte und klinischen Untersuchungsprotokolle mit einer maximalen Abweichung von 20% entsprechen. Für Messungen unter Verwendung des CTDI-Körperphantoms lässt sich die auch hier zu vermutende Abhängigkeit des Konversionsfaktors vom Röntgenspektrum nicht beobachten. Es lässt sich jedoch auch hier ein Wert von 50,5 cm ermitteln, um den mit einer maximalen Abweichung von 20% fast alle geräte- und untersuchungsprotokollspezifisch ermittelten Konversionsfaktoren liegen. Die anhand von Simulationen der technischen Dosisgrößen ermittelten Konversionsfaktoren liegen nahe bei den messtechnisch ermittelten Werten, ohne dass jedoch die messtechnisch beobachteten geräteindividuellen Abweichungen vom idealen Verhalten auch simulationstechnisch beobachtet werden. Die anhand der risikobasierten Überlegungen ermittelten Konversionsfaktoren weichen von dem anhand der technischen Dosisgrößen ermittelten Verlauf relevant ab. Sie zeigen auch deutlich größere Streuungen als die auf der Basis technischer Dosisgrößen ermittelten Konversionsfaktoren. Der Unterschied lässt sich insbesondere darauf zurückführen, dass bei der technischen Betrachtung die im menschlichen Körper enthalten Organe und deren individuelle Strahlenempfindlichkeit nicht berücksichtigt werden. So interessant und zukunftsweisend dieser Ansatz auch ist, zeigte es sich zum Abschluss des Vorhabens doch, dass noch zahlreiche weitergehende Studien erforderlich sind, um ein in der Praxis anwendbares Konzept unter Nutzung des Patientenrisikos zu erhalten. Die anhand der Betrachtungen der technischen Dosisgrößen ermittelten Konversionsfaktoren ermöglichen es, diagnostische Referenzwerte (DRW), die für CT-Untersuchungen als Dosislängenprodukt (DLP) festgelegt wurden, auf entsprechende Untersuchungen unter Verwendung von CBCT-Geräten zu übertragen, die die Dosis als Dosisflächenprodukt (DFP) dokumentieren. Eine Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, dass die meisten CBCT-Geräte keine Kollimation des Strahls längs und orthogonal zur Patientenachse ermöglichen. Die in der CBCT-Bildgebung abgebildeten 3D-Volumen weichen damit von den Volumen ab, die bei der Festlegung von DRW in der CT-Bildgebung angenommen wurden. Zudem verwenden allein auch CBCT-Geräte deutlich unterschiedlich große Strahlungsfelder. Bei einer einfachen Übertragung der als DLP publizierten DRW aus der CT-Diagnostik resultiert daraus eine Verzerrung beim Betrieb unterschiedlicher Geräte. Eine mögliche Lösung für diese Herausforderung ist, die nach der Konversion von DLP nach DFP erhaltenen Wert auf die Größe des gerätespezifischen Strahlenfeldes zu beziehen. Es resultiert eine Dosisgröße, die als Einfallsdosis im Isozentrum bei der 3D-Aufnahme interpretiert werden kann. Diese Größe erscheint für eine Regelung sinnvoll und ermöglicht es potenziell geräteunabhängig einheitliche Referenzwerte für 3D-Aufnahmen festzulegen. Es verbleibt der bei der Verwendung technischer Dosisgrößen bei der Festlegung von DRW bislang allgemein nicht berücksichtigte Zustand, dass Untersuchungen gleicher technischer Dosiswerte, die an unterschiedlichen Geräten durchgeführt werden, zu unterschiedlichen effektiven Dosiswerten bei Patienten führen können. Diese Herausforderung ist in weiteren Studien zu adressieren.