Implementation and Optimization of Dual Energy Computed Tomography

Implementierung und Optimierung von Dual-Energy Computertomographie

  • Background and Aims Dual energy computed tomography (DECT) can be used to differentiate and classify material composition by using attenuation values acquired with different energy spectra. A number of previous studies on DECT optimization have demonstrated the effectiveness of using dedicated filtration to reshape the spectrum and improve the dual energy performance. However, a quantitative evaluation of dual energy performance at a given dose level is still lacking. The aim of this study is to develop a general scheme to optimize different DECT configurations (dual-source clinical CT, dual-source micro-CT and energy-resolved photon-counting CT) by choosing the proper tube voltage and addedBackground and Aims Dual energy computed tomography (DECT) can be used to differentiate and classify material composition by using attenuation values acquired with different energy spectra. A number of previous studies on DECT optimization have demonstrated the effectiveness of using dedicated filtration to reshape the spectrum and improve the dual energy performance. However, a quantitative evaluation of dual energy performance at a given dose level is still lacking. The aim of this study is to develop a general scheme to optimize different DECT configurations (dual-source clinical CT, dual-source micro-CT and energy-resolved photon-counting CT) by choosing the proper tube voltage and added filtration. By incorporating the dose level into the figure of merit we can explicitly determine how much dose can be saved when the appropriate spectrum is used. Material and Methods In this work we studied two categories of material decomposition: an image-based method and a rawdata-based method. The image-based method was implemented and optimized on both dual-source clinical CT (SOMATOM Definition Flash, Siemens Healthcare, Forchheim, Germany) and dual-source micro-CT (CT Imaging GmbH, Tomoscope 30s Duo). For dual-source clinical CT, tube voltages from 60 kV to 140 kV and added filtration of six different materials were studied to determine the optimal spectrum. For dual-source micro-CT the tube voltages ranged from 30 kV to 140 kV. The improvement of dual energy performance by adding filtration was evaluated through numerical simulation and phantom experiments. The performance of two categories of dual energy applications was evaluated to determine the optimal spectrum. The figure of merit for optimization was defined as the signal-to-noise ratio weighted by dose (SNRD), where the ‘signal’ was application-dependent and reflected the accuracy of material segmentation and image quality of the decomposed images. The rawdata-based material decomposition method was studied by simulating a micro-CT scanner equipped with a photon-counting detector. The energy threshold was set to 51 keV (corresponding to the K-edge of gadolinium) and divided the detected spectrum into two energy bins. The digital phantom used in the simulations was 20/32 mm diameter water cylinders with 9 mm diameter inserts of gadolinium (20 mg/mL). The goal of the optimization was to maximize the contrast-to-noise ratio weighted by dose (CNRD) of the synthesized monochromatic images. Tube voltages from 60 kV to 150 kV and added filtration of 0.1 mm to 0.5 mm copper were studied for spectral optimization. Results For the optimization of dual-source clinical CT we first determined the thicknesses of four filter materials (Ni, Cu, Ag, Sn). The simulation results indicated that the highest SNRD of both bone removal and virtual unenhanced imaging corresponded to 70/140 kV with 0.9 mm tin filter. Compared to the unfiltered 80/140 kV, the SNRD using the spectra of 70/140 kV with 0.9 mm tin filter was improved by about 120% (lean phantom), 80% (normal phantom) and 70% (fat phantom) for bone removal and about 90% (lean phantom), 65% (normal phantom) and 60% (fat phantom) for virtual unenhanced imaging. The phantom measurement results from 80 kV to 140 kV were in good agreement with simulation results. Using the same methodology on dual-source micro-CT, five metal materials (Al, Ti, Fe, Ni, Cu) were chosen to be used as added filtration and the proper thicknesses were determined for different tube voltage pairs. Unlike with clinical CT, the added filtration did not play a major role in the improvement of dual energy performance. Generally speaking 30/70 kV with 0.1 mm copper filter was a good compromise for all applications and object sizes. Compared to the 80/140 kV without filtration, the SNRD at 30/70 kV with 0.1 mm copper filter was improved by over 12 times for bone removal and over 140% for virtual unenhanced imaging. For the K-edge imaging of gadolinium for micro-CT with a photon-counting detector, the optimal spectrum corresponded to the tube voltage of 70 kV with 0.5 mm copper filter. Using this optimal spectrum and setting the energy threshold of the detector at 51 keV, the CNRD of the monochromatic image was improved by about 25% to 30% compared to the highest CNRD of conventional micro-CT with an energy-integrating detector when no added filtration was used. Conclusion The proper selection of tube voltages and the use of added filtration could greatly improve the performance of both dual-source dual energy CT and energy-resolved photon-counting CT. For dual-source clinical CT the tube voltage pair 70/140 kV with 0.9 mm tin filter corresponded to the highest SNRD; for dual-source micro-CT 30/70 kV with 0.1 mm copper filter turned out to be appropriate. For energy-resolved imaging of gadolinium using a photon-counting detector, the CNRD of monochromatic image was improved by over 25% by using the optimized spectra at 70 kV with 0.5 mm copper filter and 51 keV energy threshold of the detector, compared to the conventional energy-integrating micro-CT without filtration. The improvement of both SNRD and CNRD can also be interpreted as the reduction of radiation dose without impairing the dual energy performance.show moreshow less
  • Hintergrund und Ziele Dual-Energy Computertomographie (DECT) kann mit Hilfe von unterschiedlichen Schwächungswerten, die durch verschiedene Energiespektren entstehen, dazu verwendet werden, die Zusammensetzung von Materialien zu differenzieren und zu klassifizieren. Erst kürzlich haben mehrere Studien, die auf die Optimierung von DECT abzielten, die Effektivität der Verwendung geeigneter Filter demonstriert, die die Form des Spektrums verändern und die Leistung von DECT verbessern. Jedoch ist eine quantitative Evaluation der Effektivität von DECT in Abhängigkeit von der Dosis notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Schema zu entwickeln, um verschiedene DECT-Einstellungen (kliniHintergrund und Ziele Dual-Energy Computertomographie (DECT) kann mit Hilfe von unterschiedlichen Schwächungswerten, die durch verschiedene Energiespektren entstehen, dazu verwendet werden, die Zusammensetzung von Materialien zu differenzieren und zu klassifizieren. Erst kürzlich haben mehrere Studien, die auf die Optimierung von DECT abzielten, die Effektivität der Verwendung geeigneter Filter demonstriert, die die Form des Spektrums verändern und die Leistung von DECT verbessern. Jedoch ist eine quantitative Evaluation der Effektivität von DECT in Abhängigkeit von der Dosis notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Schema zu entwickeln, um verschiedene DECT-Einstellungen (klinisches Dual-Source CT, Dual-Source Micro-CT und energieaufgelöstes photonenzählendes CT), durch die angemessene Wahl von Röhrenspannung und Filter, zu optimieren. Da die Dosis bei der Bewertung mit berücksichtigt wird, ist es möglich zu ermitteln, wie viel Dosis mit dem optimierten Spektrum eingespart werden kann. Material und Methoden In dieser Arbeit wurden zwei Arten der Materialsegmentierungen betrachtet: eine Bild- und eine Rohdaten-basierte Methode. Die Bild-basierte Methode wurde für das klinische Dual-Source CT (SOMATOM Definition Flash, Siemens Healthcare, Forchheim, Deutschland) und für das Dual-Source Micro-CT (CT Imaging GmbH, Tomoscope 30s Duo, Erlangen, Deutschland) implementiert und optimiert. Um für das klinische Dual-Source CT das optimale Spektrum zu bestimmen, wurden Röhrenspannungen von 60 kV bis 140 kV und zudem Filter aus sechs unterschiedlichen Materialen untersucht. Für das Dual-Source Micro-CT wurden Röhrenspannungen im Bereich von 30 kV bis 140 kV untersucht. Um das optimale Spektrum zu ermitteln, wurden die Ergebnisse zweier DECT-Anwendungen ausgewertet. Als Gütefaktor für die Optimierung wurde das mit der Dosis gewichtete Signal-zu-Rausch-Verhältnis bestimmt (SNRD), wobei das „Signal“ anwendungsabhängig ist und die Genauigkeit der Materialsegementierung und die Bildqualität der verarbeiteten Bilder widerspiegelt. Die Rohdaten-basierte Methode der Materialsegmentierung wurde mit Hilfe von Simulationen eines Micro-CT Scanners untersucht, welcher mit einem photonenzählenden Detektor ausgestattet wurde. Die Schwellenenergie wurde auf einen Wert von 51 keV gesetzt (entsprechend der K-Kante von Gadolinium) und das gemessene Spektrum in zwei Energiebereiche unterteilt. Das in der Simulation verwendete digitale Phantom war ein Wasserzylinder mit einem Durchmesser von 20/32 mm und enthielt Einschlüsse von Gadolinium (20 mg/mL) mit jeweils einem Durchmesser von 9 mm. Ziel war die Optimierung des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNRD) der künstlich monochromatisch erzeugten Bilder. Für die spektrale Optimierung wurden Röhrenspannungen von 60 kV bis 150 kV und Filter aus Kupfer mit einer Stärke von 0,1 mm bis 0,5 mm untersucht. Ergebnisse Für die Optimierung des klinischen Dual-Source CT wurden erst die Dicken vier verschiedener Filtermaterialien (Ni, Cu, Ag, Sn) bestimmt. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass das höchste SNRD bei der Knochensegmentierung und der künstlich Bilder ohne Kontrastmittel (Virtual Unenhanced Image, VUI) mit 70/140 kV und einem 0,9 mm dicken Zinnfilter erreicht wurde. Im Vergleich zum ungefilterten 80/140 kV Spektrum, konnte das SNRD bei 70/140 kV mit einem 0,9 mm dicken Zinnfilter für die Knochensegmentierung um 120% (dünnes Phantom), 80% (normales Phantom) und 70% (dickes Phantom) gesteigert werden und für VUI um 90% (dünnes Phantom), 65% (normales Phantom) und 60% (dickes Phantom). Die Ergebnisse der Phantommessungen stimmten im Bereich von 80 kV bis 140 kV gut mit den Simulationsergebnissen überein. Beim Dual-Source Micro-CT wurde die gleiche Methodik verwendet, d.h. es wurden fünf metallische Materialien (Al, Ti, Fe, Ni, Cu) für die Filter ausgewählt und die entsprechenden Dicken für die unterschiedlichen Röhrenspannungspaare bestimmt. Nicht wie beim klinischen CT, spielen die hier verwendeten Filter bei der Leistungssteigerung von DECT keine bedeutende Rolle. Allgemein ist zu sagen, dass ein Spektrum mit 30/70 kV und einem 0,1 mm dicken Kupferfilter für alle Anwendungen und Objektgrößen einen guten Kompromiss darstellt. Im Vergleich zu 80/140 kV ohne Filter wurde das SNRD bei 30/70 kV mit einem 0,1 mm dicken Kupferfilter bei der Knochensegmentierung um das 12-fache und beim VUI um 140% erhöht. Für die Aufnahme der K-Kante von Gadolinium mit einem photonenzählenden Detektor beim Micro-CT lag das optimale Spektrum bei einer Röhrenspannung von 70 kV mit einem 0,5 mm dicken Kupferfilter. Mit Hilfe dieses Spektrums und einer auf 51 keV gesetzten Schwellenenergie des Detektors, wurde das CNRD für das monochromatische Bild im Vergleich zum höchsten CNRD beim gebräuchlichen Micro-CT mit einem energieintegrierenden Detektor ohne zusätzlichem Filter um 25% bis 30% erhöht. Schlussfolgerung Die angemessene Wahl von Röhrenspannung und Filterung kann bedeutende Leistungssteigerungen beim Dual-Source Dual-Energy CT und energieaufgelösten photonenzählenden CT ermöglichen. Beim klinischen Dual-Source CT wurde mit Röhrenspannungen von 70/140 kV und einem 0,1 mm dicken Zinnfilter das höchste SNRD erreicht; für das Dual-Source Micro-CT ergab sich Entsprechendes bei 30/70 kV mit einem 0,1 mm dicken Kupferfilter. Für die energieaufgelösten Aufnahmen von Gadolinium mit einem photonenzählenden Detektor, dem optimalen Spektrum mit 70 kV und einem 0,5 mm dicken Kupfer Filter und einer Schwellenenergie von 51 keV wurde das CNRD, im Vergleich zum gewöhnlichen energieintegrierenden Micro-CT ohne Filter, um über 25% verbessert. Die Verbesserung des SNRD und CNRD kann auch als Verringerung der Dosis ohne Leistungsminderung von DECT angesehen werden.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Yannan Jin
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-24796
Advisor:W.A. Kalender
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Date of final exam:2011/03/25
Release Date:2011/04/01
Tag:Dual-Energy; Optimierung; Spektrum
computed tomography; dual energy; spectral optimization
SWD-Keyword:Computertomographie
Institutes:Medizinische Fakultät / Medizinische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Medizin und Gesundheit / Medizin und Gesundheit
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $