ArchivDeutsches Ärzteblatt38/2002Flachdetektoren in der digitalen Radiographie: Sofortbilder hoher diagnostischer Qualität bei reduzierter Strahlenbelastung

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Flachdetektoren in der digitalen Radiographie: Sofortbilder hoher diagnostischer Qualität bei reduzierter Strahlenbelastung

Strotzer, Michael

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LNSLNS Zusammenfassung
Flachdetektoren ermöglichen die Anfertigung digitaler Röntgensofortbilder. Die hohe Quantenausbeute ermöglicht bei Lungen- und Skelettaufnahmen eine deutliche Dosisreduktion gegenüber traditionellen Radiographiesystemen. Der kassettenfreie Betrieb beschleunigt den Arbeitsablauf. Durch die direkte Anbindung an digitale Befundungs- und Archivierungssysteme stellt diese Technologie die ideale Lösung für ein „filmloses Krankenhaus” dar.

Schlüsselwörter: Medizintechnik, digitale Bildverarbeitung, Röntgendiagnostik, Strahlenexposition, Flachdetektor

Summary
Digital Flat-Panel Detectors: Immediate Images of High Diagnostic Quality with Reduced Radiation Dose
Digital flat-panel detectors produce instant X-ray images. The high quantum efficiency allows a significant reduction of radiation dose in chest and skeletal radiography compared with traditional imaging systems. Workflow is improved by the lack of cassette handling. Due to its direct connection to a picture archiving and communication system, this technology is the ideal solution for a “filmless hospital”.

Key words: medical technology, digital image processing, diagnostic radiology, radiation exposure, flat-panel detector

Flachdetektoren sind eine neue Entwicklung auf dem Gebiet der digitalen Projektionsradiographie (1, 6, 7). Es handelt sich dabei um großflächige Halbleitermatrixelemente mit hoher Empfindlichkeit für Röntgenstrahlung. Im Gegensatz zu der vor etwa 20 Jahren eingeführten Speicherfolienradiographie, bei der die Röntgenkassetten mit entsprechendem Arbeits- und Zeitaufwand ausgelesen werden müssen, steht bei dem neuen Verfahren innerhalb weniger Sekunden das fertige Röntgenbild auf dem Bildschirm zur Verfügung. In Abhängigkeit vom verwendeten System besteht die Möglichkeit einer Dosisreduktion gegenüber Speicherfolien und hochempfindlichen Film-Folien-Kombinationen (Empfindlichkeitsklasse 400).
Im Folgenden werden die technischen Grundlagen erläutert sowie ein Überblick über den Flachdetektormarkt und Beispiele für die Dosisreduktion im klinischen Routinebetrieb gegeben.
Technik und Marktübersicht
Grundlage jedes digitalen Flachdetektors ist eine Matrix aus Schalttransistoren und Photodioden beziehungsweise Kondensatoren basierend auf amorphem Silizium, wobei die Ortsauflösung und die Bildgröße von der Anzahl und der Kantenlänge der einzelnen Bildelemente (Pixel) bestimmt werden. Im Detektor werden die einfallenden Röntgenquanten in elektrische Signale konvertiert. Bei Systemen, die den Halbleiter Selen als Konvertermaterial verwenden, werden die eingestrahlten Röntgenquanten direkt in elektrische Impulse umgewandelt. Bei anderen Detektortypen wird die Röntgenstrahlung zunächst in einer Szintillatorschicht (zum Beispiel Cäsiumjodid) in optische Photonen umgewandelt und dann von Photodioden registriert (Grafik). Das Resultat ist in beiden Fällen ein elektronisches Rohbild, welches durch Verstärkung sowie analog-digitale Wandlung und anschließende digitale Nachverarbeitung zu einem Röntgenbild mit den gewohnten Bildeigenschaften wie Helligkeit, Kontrast und Schärfe wird.
Verschiedene Detektortypen wurden bereits entwickelt. Diese Detektortypen unterscheiden sich einerseits durch das Grundprinzip der Konversion (amorphes Selen oder Szintillator), andererseits durch Variablen wie Pixelgröße und Matrixgröße, woraus unterschiedliche Detektorformate resultieren (Tabelle).
Der hier beispielhaft vorgestellte Detektor (PIXIUM 4600 der Firma Trixell) wurde experimentell und klinisch von allen vergleichbaren Detektoren am gründlichsten evaluiert (35, 812). Dieser Detektor besteht aus einer Matrix von amorphem Silizium und einer darauf aufgedampften Szintillatorschicht aus Cäsiumjodid. Die Pixelgröße beträgt 143 µm, woraus sich ein maximales örtliches Auflösungsvermögen von 3,5 Linienpaaren pro mm ergibt. Konventionelle Film-Folien-Systeme liefern zwar theoretisch eine bessere Detailauflösung, doch im diagnostisch relevanten Auflösungsbereich (in der Regel bis 2 Linienpaare pro mm) ist die digitale Radiographie durch den höheren Kontrast den konventionellen Systemen überlegen. Durch die hohe Anzahl an Bildelementen (circa 3 000 3 3 000) ergibt sich ein Detektorformat von 43 cm 3 43 cm.
Experimentelle und klinische Ergebnisse
Phantomuntersuchungen an Skelett- und Lungenmodellen konnten zeigen, dass auch bei einer reduzierten Strahlendosis die vorgestellte Technologie in Bezug auf die diagnostische Aussagekraft den konventionellen Film-Folien-Systemen (Empfindlichkeitsklasse 400) ebenbürtig ist (9). Die hohe Bildqualität bei gleicher und sogar reduzierter Dosis wurde durch eine Reihe vergleichender klinischer Studien bestätigt (3, 5, 812).
Thoraxaufnahmen im Stehen können an einem Flachdetektor-System (Vertix FD, Siemens) mit reduzierter Strahlenbelastung ohne Qualitätsverlust angefertigt werden (11). Die Systemdosis sollte dabei von 2,5 µGy (entsprechend der traditionell verwendeten Film-Folien-Kombination) auf 1,8 µGy gesenkt werden. Daraus resultiert eine Reduktion der Strahlenexposition um 30 Prozent (Abbildung 1).
Der Einsatz eines Flachdetektor-Arbeitsplatzes in der Skelettdiagnostik (Multix FD, Siemens) erlaubt eine Dosisreduktion um bis zu 75 Prozent (8, 9, 12) (Abbildung 2). Die Verwirklichung in der Routine wird allerdings dadurch erschwert, dass die zu applizierende Dosis von der klinischen Fragestellung abhängig gemacht werden müsste, um ein Maximum an Dosiseinsparung zu erzielen. So ist zum Beispiel eine Verminderung der eingestrahlten Dosis um 75 Prozent nur bei Stellungskontrollen nach Fraktur oder Operation, bei Lagekontrollen osteosynthetischer Materialien und bei Stressaufnahmen zum Beispiel der Sprunggelenke und Funktionsaufnahmen der Wirbelsäule zu empfehlen. Um den gewohnten Arbeitsablauf nicht negativ zu beeinflussen, empfiehlt sich eine pauschale Dosisreduktion um 30 bis 50 Prozent unabhängig von der klinischen Fragestellung. Diese wird erzielt, indem die Systemdosis bei automatisch belichteten Aufnahmen von 2,5 µGy auf 1,8 beziehungsweise 1,25 µGy gesenkt wird. Bei freier Einstellung werden bei gleichbleibender kV-Zahl nur zwei Drittel beziehungsweise die Hälfte des sonst üblichen mAs-Produktes appliziert. Der Faktor der Dosisreduktion bezieht sich jeweils auf Film-Folien-Systeme der Empfindlichkeit S 400. Das Ausmaß der Dosiseinsparung erscheint noch deutlicher, wenn man berücksichtigt, dass die Leitlinien der Bundes­ärzte­kammer im peripheren Skelett und am Thorax auch die Verwendung von Systemen der Empfindlichkeitsklasse S 200 gestatten. Diese Systeme erfordern immerhin eine mittlere Systemdosis von 5 µGy, also doppelt soviel wie Systeme der Empfindlichkeit S 400.
Verminderte Röntgenstrahlenbelastung
Die beschriebene Technologie eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, die zur Röntgendiagnostik applizierte Dosis relevant zu senken, ohne einen Verlust an diagnostischer Aussagekraft befürchten zu müssen. Dieses Konzept entspricht der Umsetzung des von der Bundes­ärzte­kammer geforderten und in der Röntgenverordnung formulierten ALARA-Prinzips („as low as reasonably achievable“).
Die vorgestellten Erfahrungen beziehen sich auf ein ausgewähltes Detektorsystem, welches in verschiedenen Entwicklungsstufen ab 1996 am Institut der Autoren erprobt wurde. Dieses Detektorsystem befindet sich seit August 2000 im Routineeinsatz. Ob die geschilderten Möglichkeiten in gleicher Weise auf andere am Markt oder in Entwicklung befindliche Systeme übertragbar sind, bleibt offen. Viel versprechende Ergebnisse wurden jedenfalls auch für andere Detektoren berichtet (2).
Allen Flachdetektorsystemen ist schließlich ein ähnliches physikalisches Grundprinzip gemein. Ferner besitzen sie grundsätzlich einen entscheidenden Vorteil gegenüber konventionellen Film-Folien-Systemen und Speicherfolien: Der direkte Fluss der digitalen Daten vom Detektor zum Computerbefundungsplatz erleichtert die Integration in ein Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem (PACS) wesentlich.
Der kassettenfreie Betrieb ermöglicht eine Beschleunigung des Arbeitsablaufes. Neue Entwicklungen erlauben die Untersuchung von polytraumatisierten Patienten, ohne dass diese Umgelagert werden müssen. Die „Online“-Verfügbarkeit der Röntgenbilder kann dabei zu einer schnellen therapeutischen Entscheidungsfindung beitragen.
Es werden auch dynamische Flachdetektoren entwickelt. Beispielhaft sei hier das System der Firma Toshiba genannt (DynaDirect 3 000). Diese Fluoroskopiedetektoren könnten eine Alternative zur Bildverstärkerradiographie darstellen und bei Durchleuchtungsuntersuchungen sowie der digitalen Subtraktionsangiographie eingesetzt werden.
Ein Nachteil dieser Systeme besteht in den relativ hohen Investitionskosten. Das beschriebene System kann nicht in einen bereits bestehenden konventionellen Arbeitsplatz integriert werden. Vielmehr muss eine komplette Anlage mit Generator, Röhre, Stativ beziehungsweise Bucky-Tisch und Computeranlage neu angeschafft werden.
Durch die Limitation des Detektorformates können großformatige Aufnahmen (zum Beispiel Ganzbein- und Wirbelsäulenaufnahmen) noch nicht ohne Probleme angefertigt werden. Für solche Darstellungen sind jedoch technische Lösungen denkbar, die auf der digitalen Zusammensetzung mehrerer überlappender Einzelbilder beruhen.
Der mobile Einsatz der relativ großen und schweren Flachdetektoren ist limitiert. Auch diese Anwendungen (zum Beispiel so genannte Bettlungenaufnahmen) erfordern vorerst weiterhin die Verwendung von Speicherfolien oder konventionellen Film-Folien-Systemen.
Es besteht also noch Entwicklungspotenzial in dieser neuen Technologie. Dennoch stellt sie derzeit in Bezug auf Workflow, Dosiseffizienz und Einbindung in ein „filmloses Krankenhaus“ die optimale Lösung für die Projektionsradiographie dar.
Manuskript eingereicht: 2. 4. 2002, revidierte Fassung angenommen: 22. 5. 2002

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2002; 99: A 2484–2488 [Heft 38]

Literatur
1. Busch HP: Digitale Projektionsradiographie. Radiologe 1999; 39: 710–724.
2. Garmer M, Hennings SP, Jäger HJ et al.: Digital radiography versus conventional radiography in chest imaging: diagnostic performance of a large-area silicon flat-panel detector in a clinical CT-controlled study. Am J Roentgenol 1999; 174: 75–80.
3. Hamers S, Freyschmidt J, Neitzel U: Digital radiography with a large-scale electronic flat-panel detector vs screen-film radiography: observer performance in clinical skeletal diagnosis. Eur Radiol 2001; 11: 1753–1759.
4. Ludwig K, Lenzen H, Kamm KF et al.: Performance of a flat-panel detector in detecting artificial bone lesions: comparison with conventional screen-film and storage phosphor radiography. Radiology 2000; 222: 453–459.
5. Reissberg S, Hoeschen C, Kästner A et al.: Erste klinische Erfahrungen mit einem großformatigen Flächendetektorsystem bei Aufnahmen des peripheren Skelettsystems: halbierte Patientendosis. Fortschr Röntgenstr 2001; 173: 1048–1052.
6. Schulz RF: Digitale Detektorsysteme für die Projektionsradiographie. Fortschr Röntgenstr 2001; 173: 1137–1146.
7. Spahn M, Strotzer M, Völk M et al.: Digital radiography with a large area amorphous silicon flat panel x-ray detector system. Invest Radiol 2000; 35: 260–266.
8. Strotzer M, Gmeinwieser J, Völk M et al.: Clinical application of a flat-panel X-ray detector based on amorphous silicon technology: image quality and potential for dose reduction in skeletal radiography. Am J Roentgenol 1998; 171: 23–27.
9. Strotzer M, Gmeinwieser J, Völk M, Fründ R, Feuerbach S: Digitale Flachbilddetektortechnik basierend auf Cäsiumjodid und amorphem Silizium: Experimentelle Untersuchungen und erste klinische Ergebnisse. Fortschr Röntgenstr 1999; 170: 66–72.
10. Strotzer M, Völk M, Reiser M et al.: Chest radiography with a large-area detector based on cesium-iodide/amorphous-silicon technology: image quality and dose requirement in comparison with an asymmetric screen-film system. J Thorac Imaging 2000; 15 : 157–161.
11. Strotzer M, Völk M, Fründ R, Hamer O, Zorger N, Feuerbach S: Routine chest radiography with a flat-panel detector: image quality with standard detector dose and 33 per cent dose reduction. Am J Roentgenol 2002; 178: 169–171.
12. Völk M, Strotzer M, Holzknecht N et al.: Digital radiography of the skeleton using a large-area detector based on amorphous silicon technology: image quality and potential for dose reduction in comparison
with screen-film radiography. Clin Radiol 2000; 55: 615–621.

Anschrift für die Verfasser:
Priv.-Doz. Dr. med. Michael Strotzer
Institut für Radiologie
Krankenhaus Hohe Warte
Hohe Warte 8
95445 Bayreuth
E-Mail: radiologie@hohe-warte-bayreuth.de

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