Skip to main content
SpringerLink
Log in

Spektrale Computertomographie im Zeitalter der photonenzählenden Röntgendetektoren

Spectral computed tomography in the age of photon-counting X-ray detectors

  • Leitthema
  • Published:
Die Radiologie Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Hintergrund

Seit ihrer Einführung ist die spektrale Computertomographie ein etablierter Bestandteil der klinischen Bildgebung mit einer Vielfalt an möglichen Anwendungen geworden. Über mehrere Gerätegenerationen hinweg haben sich die Orts- und Energieauflösung weiter erheblich verbessert. Durch die vor Kurzem erfolgte klinische Einführung von photonenzählenden Computertomographen wurden weitere Anwendungsfelder eröffnet, die wissenschaftlich und klinisch völlig neue Perspektiven bieten.

Fragestellung

Dieser Artikel soll einen Überblick über die Entwicklung der spektralen Computertomographie im Allgemeinen und die photonenzählende Computertomographie im Speziellen geben, mit besonderem Augenmerk auf die jüngere Entwicklung und ihre Bedeutung für die klinische Anwendung.

Diskussion

Es erscheint wahrscheinlich, dass sich photonenzählende Röntgendetektoren auf Dauer gegenüber herkömmlichen energieintegrierenden Detektoren durchsetzen werden. Der überwiegende Teil der technischen Hürden wurde im Laufe ihrer Entwicklung überwunden, sodass ihre unzweifelhaften Vorteile mittlerweile nur noch geringen Nachteilen gegenüberstehen. Weitere Verbesserungen der Detektorelektronik, von Rekonstruktionsalgorithmen und der softwaregestützten Nachverarbeitung können zur weiteren Verbreitung beitragen.

Abstract

Background

Since its introduction, spectral computed tomography has become an integral part of clinical imaging with a variety of possible applications. Over time, technical innovations have considerably improved the spatial and energy resolution. The recent introduction of computed tomographs utilizing photon-counting x‑ray detectors has opened up further applications, which need to be investigated regarding their clinical utility.

Objectives

This article gives an overview of the development of spectral computed tomography in general and photon-counting computed tomography in particular, with a special focus on recent technical developments and their clinical applications.

Conclusion

Very likely, photon-counting X‑ray detectors will over time prevail over conventional energy-integrating detectors. Most technical problems hindering clinical use have been overcome, so that the unquestionable advantages outweigh the remaining disadvantages. Further developments especially of detector electronics, reconstruction algorithms and software-based postprocessing will further support its clinical introduction.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5

Literatur

  1. Hounsfield GN (1973) Computerized transverse axial scanning (tomography). 1. Description of system. Br J Radiol 46(552):1016–1022. https://doi.org/10.1259/0007-1285-46-552-1016

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  2. Macovski A, Alvarez RE, Chan JL, Stonestrom JP, Zatz LM (1976) Energy dependent reconstruction in X‑ray computerized tomography. Comput Biol Med 6(4):325–336. https://doi.org/10.1016/0010-4825(76)90069-x

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  3. Alvarez RE, Macovski A (1976) Energy-selective reconstructions in X‑ray computerized tomography. Phys Med Biol 21(5):733–744. https://doi.org/10.1088/0031-9155/21/5/002

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  4. Seltzer S (1995) Tables of X‑Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients, NIST Standard Reference Database 126. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg https://doi.org/10.18434/T4D01F

    Book  Google Scholar 

  5. Tanguay J, Kim HK, Ian AC (2010) The role of x‑ray Swank factor in energy-resolving photon-counting imaging: Swank factor in energy-resolving photon-counting imaging. Med Phys 37(12):6205–6211. https://doi.org/10.1118/1.3512794

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  6. Ergun DL et al (1990) Single-exposure dual-energy computed radiography: improved detection and processing. Radiology 174(1):243–249. https://doi.org/10.1148/radiology.174.1.2294555

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  7. Carmi R, Naveh G, Altman A (2005) Material separation with dual-layer CT. Ieee Nucl Sci Symp Conf Rec 4(2005):1876–1878. https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2005.1596697

    Article  Google Scholar 

  8. Wielopolski L, Gardner RP (1976) Prediction of the pulse-height spectral distortion caused by the peak pile-up effect. Nucl Instrum Methods 133(2):303–309. https://doi.org/10.1016/0029-554X(76)90623-6

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. Danielsson M, Cheng X, Bornefalk H (2011) Evaluation of energy loss and charge sharing in cadmium telluride detectors for photon-counting computed tomography. IEEE Trans Nucl Sci 58(3):614–625. https://doi.org/10.1109/TNS.2011.2122267

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. Kalender WA, Perman WH, Vetter JR, Klotz E (1986) Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographic apparatus. I. Phantom studies. Med Phys 13(3):334–339. https://doi.org/10.1118/1.595958

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  11. Flohr TG et al (2006) First performance evaluation of a dual-source CT (DSCT) system. Eur Radiol 16(2):256–268. https://doi.org/10.1007/s00330-005-2919-2

    Article  PubMed  Google Scholar 

  12. Johnson TRC et al (2007) Material differentiation by dual energy CT: initial experience. Eur Radiol 17(6):1510–1517. https://doi.org/10.1007/s00330-006-0517-6

    Article  PubMed  Google Scholar 

  13. Schlomka JP et al (2008) Experimental feasibility of multi-energy photon-counting K‑edge imaging in pre-clinical computed tomography. Phys Med Biol 53(15):4031–4047. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/15/002

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  14. Shikhaliev PM (2008) Energy-resolved computed tomography: first experimental results. Phys Med Biol 53(20):5595–5613. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/20/002

    Article  PubMed  Google Scholar 

  15. Taguchi K (Hrsg) (2020) Spectral, photon counting computed tomography: technology and applications, First edition. Aufl. Boca Raton: CRC Press, London, Taylor & Francis Group

  16. Rajendran K et al (2021) First clinical photon-counting detector CT system: technical evaluation. Radiology. https://doi.org/10.1148/radiol.212579

    Article  PubMed  Google Scholar 

  17. Bette SJ et al (2021) Visualization of bone details in a novel photon-counting dual-source CT scanner-comparison with energy-integrating CT. Eur Radiol. https://doi.org/10.1007/s00330-021-08441-4

    Article  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  18. Jungblut L et al (2022) Impact of contrast enhancement and virtual monoenergetic image energy levels on emphysema quantification: experience with photon-counting detector computed tomography. Invest Radiol. https://doi.org/10.1097/RLI.0000000000000848

    Article  PubMed  Google Scholar 

  19. Si-Mohamed SA et al (2022) Comparison of image quality between spectral photon-counting CT and dual-layer CT for the evaluation of lung nodules: a phantom study. Eur Radiol 32(1):524–532. https://doi.org/10.1007/s00330-021-08103-5

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  20. Jungblut L et al (2022) First performance evaluation of an artificial intelligence-based computer-aided detection system for pulmonary nodule evaluation in dual-source photon-counting detector CT at different low-dose levels. Invest Radiol 57(2):108–114. https://doi.org/10.1097/RLI.0000000000000814

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  21. Boccalini S et al (2021) First in-human results of computed tomography angiography for coronary stent assessment with a spectral photon counting computed tomography. Invest Radiol. https://doi.org/10.1097/RLI.0000000000000835

    Article  PubMed Central  Google Scholar 

  22. Rotzinger DC et al (2021) Performance of spectral photon-counting coronary CT angiography and comparison with energy-integrating-detector CT: objective assessment with model observer. Diagn Basel Switz 11(12):2376. https://doi.org/10.3390/diagnostics11122376

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. Rajagopal JR et al (2021) Evaluation of coronary plaques and stents with conventional and photon-counting CT: benefits of high-resolution photon-counting CT. Radiol Cardiothorac Imaging 3(5):e210102. https://doi.org/10.1148/ryct.2021210102

    Article  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  24. Skoog S, Henriksson L, Gustafsson H, Sandstedt M, Elvelind S, Persson A (2022) Comparison of the agatston score acquired with photon-counting detector CT and energy-integrating detector CT: ex vivo study of cadaveric hearts. Int J Cardiovasc Imaging. https://doi.org/10.1007/s10554-021-02494-8

    Article  PubMed  Google Scholar 

  25. Byl A, Klein L, Sawall S, Heinze S, Schlemmer H‑P, Kachelrieß M (2021) Photon-counting normalized metal artifact reduction (NMAR) in diagnostic CT. Med Phys 48(7):3572–3582. https://doi.org/10.1002/mp.14931

    Article  PubMed  Google Scholar 

  26. Lee C‑L et al (2021) Metal artifact reduction and tumor detection using photon-counting multi-energy computed tomography. PLoS ONE 16(3):e247355. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247355

    Article  CAS  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Deutsches Krebsforschungszentrum, Im Neuenheimer Feld 280, 69120, Heidelberg, Deutschland

    Lukas T. Rotkopf BSc & Eckhard Wehrse

  2. Fakultät für Medizin Heidelberg, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Heidelberg, Deutschland

    Lukas T. Rotkopf BSc & Eckhard Wehrse

  3. Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin, Universitätsmedizin Mannheim, Medizinische Fakultät Mannheim, der Universität Heidelberg, Mannheim, Deutschland

    Matthias F. Froelich

Authors
  1. Lukas T. Rotkopf BSc
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Eckhard Wehrse
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Matthias F. Froelich
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Lukas T. Rotkopf BSc.

Ethics declarations

Interessenkonflikt

L.T. Rotkopf, E. Wehrse und M.F. Froelich geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Zwischen der Siemens Healthcare GmbH und der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin besteht eine Forschungskooperationsvereinbarung.

Alle beschriebenen Untersuchungen am Menschen oder an menschlichem Gewebe wurden mit Zustimmung der zuständigen Ethikkommission, im Einklang mit nationalem Recht sowie gemäß der Deklaration von Helsinki von 1975 (in der aktuellen, überarbeiteten Fassung) durchgeführt. Von allen beteiligten Patienten liegt eine Einverständniserklärung vor.

Additional information

figure qr

QR-Code scannen & Beitrag online lesen

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Rotkopf, L.T., Wehrse, E. & Froelich, M.F. Spektrale Computertomographie im Zeitalter der photonenzählenden Röntgendetektoren. Radiologie 62, 504–510 (2022). https://doi.org/10.1007/s00117-022-01010-w

Download citation

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00117-022-01010-w

Schlüsselwörter

Keywords

Search

Navigation