Nieuwe technologie voor klinische computertomografie

Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft voor het eerst een nieuwe röntgenmethode, donkerveld-röntgen, geïntegreerd in een computertomograaf die is ontworpen voor gebruik door patiënten. Röntgenstralen in het donkerveld leveren aanvullende informatie op conventionele röntgenbeelden. Met het nieuwe prototype zijn drie-dimensionale donkerveld-röntgenstralen mogelijk. De computertomografie (CT) is een van de belangrijkste methoden in ziekenhuizen voor nauwkeurige en snelle diagnoses. Tot nu toe werden hiervoor conventionele röntgenbeelden gebruikt, die vervolgens worden omgezet in een driedimensionaal CT-beeld, aldus de TUM in een persbericht.

Een nieuwe röntgentechnologie, donkerveld-röntgen, kan aanvullende informatie verschaffen en fijne weefselstructuren, met name van de longen, veel gedetailleerder in beeld brengen dan voorheen. Tot nu toe was er echter geen mogelijkheid om patiënten met de nieuwe röntgentechnologie in een klinische CT-eenheid te onderzoeken.

Een onderzoeksteam onder leiding van Franz Pfeiffer, hoogleraar biomedische fysica en directeur van het Instituut voor biomedische techniek in München aan de TUM, heeft nu een CT-apparaat verder ontwikkeld, zodat het beide röntgentechnologieën combineert.

“We hebben voor het eerst kunnen aantonen dat röntgenstralen met een donkerveld ook in een klinische computertomograaf kunnen worden geïntegreerd. Hoewel het nog steeds een nieuwe technologie is, tonen eerdere preklinische studies met muizen al duidelijke voordelen aan van dark-field computertomografie, vooral voor de beeldvorming van longweefsel,” zegt Franz Pfeiffer, hoofd van het onderzoek.

Lichtverstrooiing

Het nieuwe CT-prototype is reeds met succes getest met een zogenaamd thoraxfantoom, een kunstmatig model van een menselijk bovenlichaam, en is groot genoeg voor het geplande gebruik met patiënten. Op weg van de röntgenbron naar de detector wordt het röntgenlicht verzwakt door het tussenliggende weefsel. Conventionele röntgenstralen maken gebruik van dit effect voor beeldvorming, omdat de verzwakking varieert naar gelang van het type en de structuur van het weefsel. Het resultaat is dat structuren zoals beenderen, die het röntgenlicht sterker dempen, er helder uitzien op de conventionele röntgenopname, terwijl meer doorlaatbaar weefsel zoals de longen er donker uitziet.

Röntgenstralen in het donkerveld daarentegen maken gebruik van de verstrooiing van röntgenlicht. Wanneer röntgenlicht op materialen met een verschillende dichtheid valt, zoals op de grensvlakken tussen longweefsel en lucht, wordt het onder een kleine hoek verstrooid. Indien deze verstrooiing over kleine hoeken wordt geanalyseerd, wordt extra informatie verkregen over de fijnste weefselstructuren die met conventionele röntgenmethoden niet oplosbaar zouden zijn.

Om het verstrooide röntgenlicht te detecteren zijn speciale optische elementen, zogenaamde microgestructureerde roosters, nodig. Deze worden tussen de röntgenbron en de detector geplaatst. Wanneer het röntgenlicht door de roosters gaat, verschijnt er een karakteristiek patroon op de detector. Als je een monster of persoon tussen de rasters plaatst, verandert het patroon.

Technische uitdagingen

Dit maakt het mogelijk conclusies te trekken over de structuur van het monster of het weefsel van de persoon. De toepassing van de donkerveldmethode in een CT-scanner ter grootte van een mens brengt verschillende technische uitdagingen met zich mee. Dit is de reden waarom de afmetingen van donkerveld CT-scanners tot dusver beperkt zijn gebleven tot veel kleinere afmetingen, die niet toereikend zijn voor gebruik bij de mens.

Naast de afmetingen, stelt de snel draaiende scan-unit ook speciale eisen aan de technische componenten. De scaneenheid van CT-scanners, de gantry genoemd, draait zeer snel rond. Hierdoor ontstaan trillingen die een effect hebben op de fijn afgestemde technologie in het toestel. Op basis van een gedetailleerde analyse van de trillingen is het onderzoeksteam er zelfs in geslaagd de trillingen te gebruiken om de verplaatsing van de roosters tegen elkaar te realiseren die nodig is voor beeldvorming in het donkerveld. Voor de evaluatie van de scans hebben zij nieuwe algoritmen ontwikkeld die de aan trillingen toe te schrijven effecten uitrekenen op basis van referentie-scans.

“Met het donkerveld CT-prototype kunnen we conventionele röntgenbeelden en donkerveldbeelden maken tijdens dezelfde scanpassage. Dit geeft ons extra informatie. In de toekomst zou dit niet alleen van voordeel kunnen zijn bij de diagnose van longziekten, maar bijvoorbeeld ook bij de diagnose van nierstenen en afzettingen in het weefsel”¸ aldus Manuel Viermetz, een van de twee eerste auteurs van de studie.

Ook interessant: Nieuw röntgenapparaat maakt opnames die honderd keer beter zijn dan een CT-scan