Dual-Energy-CT

Technisch lassen sich DECT-Systeme nach der Art der spektralen Trennung in zwei Hauptgruppen einteilen:

• emissionsbasierte Techniken ("source-based")
• detektorbasierte Techniken ("detector-based")

Emissionsbasierte Techniken

Bei der emissionsbasierten Technik unterscheidet man drei Methoden, mit der eine Dual-Energy-Bildgebung erreicht werden kann:

• Dual-Source-CT: Es werden zwei Röntgenröhren mit unterschiedlichen Röhrenspannungen eingesetzt, die gleichzeitig Daten aufnehmen. Beispiel: Somatom Force oder Somatom Definition Flash von Siemens Healthineers.
• Single-Source-CT mit schnellem Spannungswechsel: Eine einzelne Röntgenröhre schaltet während der Rotation sehr schnell zwischen niedrigen und hohen Spannungen um. Beispiel: Discovery CT750 HD von GE Healthcare.
• Single-Source-CT mit sequenzieller Dual-Energy-Akquisition (selten): Es werden zwei Datensätze nacheinander mit unterschiedlicher Röhrenspannung aufgenommen. Dies kann sowohl im axialen als auch im spiralförmigen Scanmodus erfolgen. Beispiel: Aquilion One von Canon Medical Systems.

Detektorbasierte Techniken

Bei dem Detektor-basierten Ansatz erfolgt eine Energieseparierung durch den Röntgendetektor: Signale von niederenergetischen Röntgenphotonen werden von den hochenergetischen getrennt. Diese Trennung gelingt durch:

• Dual-Layer-Detektor: Detektor mit zwei übereinanderliegenden Szintillatorschichten, die Photonen unterschiedlicher Energie unterschiedlich stark absorbieren. Die obere Detektorschicht registriert bevorzugt niederenergetische Photonen, während hochenergetische Photonen die zweite Schicht erreichen. Beispiel: IQon Spectral CT von Philips Healthcare.
• Split-Filter-Technologie: Direkt vor der Röntgenröhre befindet sich ein spektraler Filter. Unterschiedliche Filtermaterialien (z.B. Gold und Zinn) teilen das Strahlenfeld in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Energiespektren. Beispiel: TwinBeam Dual-Energy-Technologie im Somatom Edge von Siemens Healthineers.

Das Photon-Counting-CT nutzt photonenzählende Halbleiterdetektoren, welche die Energie einzelner Photonen messen können. Dadurch entsteht eine spektrale Bildgebung mit mehreren Energiebereichen. Diese Technik gilt als Weiterentwicklung der spektralen CT und geht über klassische Dual-Energy-Verfahren hinaus.

Bei der Dual-Energy-CT werden zwei unterschiedliche Röntgenspektren gemessen. Aus diesen Datensätzen können verschiedene spektrale Bildtypen rekonstruiert werden.

Virtuelle monochromatische Bilder

Eine wichtige Rekonstruktionsform sind virtuelle monochromatische Bilder (VMI). Dabei wird das Bild rechnerisch so dargestellt, als wäre es mit Röntgenstrahlung einer einzigen Photonenergie aufgenommen worden. Die von einer Röntgenröhre erzeugte Strahlung besitzt normalerweise ein breites Energiespektrum (polychromatische Strahlung). In der konventionellen CT wird dieses Spektrum durch die maximale Röhrenspannung (kVp) bestimmt. Bei der Dual-Energy-CT werden jedoch zwei unterschiedliche Energiespektren gemessen. Aus diesen Informationen kann rechnerisch ein Bild erzeugt werden, das einer Aufnahme mit monochromatischer Röntgenstrahlung entspricht. Die Energie dieser virtuellen Strahlung wird in Kiloelektronenvolt (keV) angegeben. Typische Rekonstruktionsenergien liegen zwischen etwa 40 und 200 keV. Rekonstruktionen bei etwa 70–75 keV entsprechen ungefähr dem Kontrastverhalten eines konventionellen CT mit einer Röhrenspannung von 120 kVp. Die Wahl der Energie beeinflusst den Bildkontrast:

• niedrige Energien (≈40–60 keV) verstärken den Kontrast von Iod und verbessern z.B. die Detektion hypervaskularisierter Metastasen
• hohe Energien (≈140–200 keV) reduzieren Artefakte durch stark absorbierende Materialien wie Zahnersatz oder Gelenkprothesen

Materialdekomposition

Mithilfe herstellerspezifischer Materialdekompositions-Algorithmen können aus den spektralen Daten materialspezifische Bildkarten berechnet werden. Dabei werden Materialien anhand ihres energieabhängigen Strahlenschwächungsverhaltens getrennt dargestellt oder rechnerisch entfernt. Typische Rekonstruktionen sind:

• Jodkarten zur quantitativen Darstellung von Röntgenkontrastmittel (z.B. zur Visualisierung der Lungenperfusion)
• virtuelle Nativbilder (VNC): rechnerische Entfernung von Jod aus kontrastmittelgestützten Datensätzen
• virtuelle nicht-kalzifizierte Bilder (VNCa): Unterdrückung von Kalzium

Die Dual-Energy-CT ermöglicht eine materialspezifische Bildgebung und wird in verschiedenen klinischen Bereichen eingesetzt. Typische Anwendungen sind:

• Differenzierung von Nieren- oder Gallenstein-Typen
• Charakterisierung Koronarer Plaques
• Darstellung der Myokardperfusion
• Erstellung virtueller Nativbilder trotz Gabe von Kontrastmittel
• Darstellung von Uratkristallen bei Gicht
• Darstellung der Lungenperfusion (z.B. bei Lungenarterienembolie und CTEPH)
• Visualisierung von Knochenmarködemen
• Onkologische Bildgebung: Detektion und Charakterisierung maligner Läsionen, Charakterisierung der Vaskularisation von Läsionen, Detektion von Knochenmarkbefall, Differenzierung zwischen einer eingebluteten oder proteinreichen Zyste und einer soliden hepatischen oder renalen Raumforderung, Imaging Biomarkers für Beurteilung der Tumorvitalität (z.B. Kontrastmittelaufnahme) und eines Pseudoprogresses.

• So A, Nicolaou S. Spectral Computed Tomography: Fundamental Principles and Recent Developments. Korean J Radiol. 2021