Performance Evaluation of a 64-Slice CT System with z-Flying Focal Spot

Zusammenfassung

Die mittlerweile in der klinischen Routine etablierte Generation der 16-Schicht-CT Geräte bietet für viele Anwendungen räumliche Auflösung im sub-mm-Bereich bei kurzen Gesamtuntersuchungszeiten. Wesentliche klinische Fortschritte in der weiteren Entwicklung der Mehrschicht-CT sind weniger durch die nochmalige Erhöhung der Volumenabdeckungsgeschwindigkeit - die schon bei 16-Schicht-CT-Geräten nur in wenigen Fällen limitierend wirkt - als vielmehr durch die weitere Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung zu erreichen. In diesem Beitrag evaluieren wir die technischen Eigenschaften eines kürzlich eingeführten 64-Schicht-CT-Geräts (SOMATOM Sensation 64, Siemens AG, Forchheim, Deutschland). Dieses CT-Gerät benutzt eine periodische Bewegung des Brennflecks im Röntgenstrahler in der Patientenlängsrichtung (z-Springfokus, z-sharp^TM), um die Anzahl der gleichzeitig aufgenommenen Schichten zu verdoppeln. Die z-Springfokus-Technologie erlaubt die Aufnahme von 64 überlappenden 0,6-mm-Schichten, und das Abtastmuster entspricht dem eines Detektors mit der Kollimierung 64 × 0,3 mm. Ziel sind die Erhöhung der Auflösung in der Patientenlängsachse und die Verringerung von Spiralartefakten. Nach einer kurzen Vorstellung des Detektordesigns gehen wir auf die z-Springfokus-Technologie im Detail ein. Wir stellen Untersuchungen von physikalischen Phantomen und medizinischen Präparaten vor. Die gemessene Halbwertsbreite der dünnsten Spiralschicht beträgt 0,65 mm. Alle Spiralschichtdicken sind praktisch unabhängig vom Tischvorschub (Pitch), mit Abweichungen von weniger als 0,1 mm vom Nominalwert. Mit einem Hochauflösungs-Gitterphantom (CATPHAN, Phantom Laboratories, Salem, NY) lässt sich eine Auflösung in der Patientenlängsachse von 15 Linienpaaren pro cm nachweisen, die etwa einer aufgelösten Objektgröße von 0,33 mm entspricht. Diese Auflösung wird unabhängig vom Pitch erreicht. Außerhalb des Drehzentrums nimmt die Auflösung in Patientenlängsrichtung nur geringfügig ab. In einer Entfernung von 100 mm vom Drehzentrum können 14 Linienpaare pro cm aufgelöst werden, entsprechend einer Objektgröße von 0,36 mm. Typische Spiralartefakte, die sich als windmühlenflügelartige hyper- und hypodense Strukturen um Knochenkanten darstellen, werden durch die vorgestellte Technologie wirksam reduziert. EKG-gegatete Herzuntersuchungen profitieren von der durch die auf 0,33 s verkürzte Gantry-Rotationszeit verbesserte zeitliche Auflösung. Mit 2-segmentiger Rekonstruktion wird eine bestmögliche Zeitauflösung von 83 ms erreicht.

Abstract

The meanwhile established generation of 16-slice CT systems enables routine sub-millimeter imaging at short breath-hold times. Clinical progress in the development of multidetector row CT (MDCT) technology beyond 16 slices can more likely be expected from further improvement in spatial and temporal resolution rather than from a mere increase in the speed of volume coverage. We present an evaluation of a recently introduced 64-slice CT system (SOMATOM Sensation 64, Siemens AG, Forchheim, Germany), which uses a periodic motion of the focal spot in longitudinal direction (z-flying focal spot) to double the number of simultaneously acquired slices. This technique acquires 64 overlapping 0.6 mm slices per rotation. The sampling scheme corresponds to that of a 64 × 0.3 mm detector, with the goal of improved longitudinal resolution and reduced spiral artifacts. After an introduction to the detector design, we discuss the basics of z-flying focal spot technology (z-Sharp^TM). We present phantom and specimen scans for performance evaluation. The measured full width at half maximum (FWHM) of the thinnest spiral slice is 0.65 mm. All spiral slice widths are almost independent of the pitch, with deviations of less than 0.1 mm from the nominal value. Using a high-resolution bar pattern phantom (CATPHAN, Phantom Laboratories, Salem, NY), the longitudinal resolution can be demonstrated to be up to 15 lp/cm at the isocenter independent of the pitch, corresponding to a bar diameter of 0.33 mm. Longitudinal resolution is only slightly degraded for off-center locations. At a distance of 100 mm from the isocenter, 14 lp/cm can be resolved in the z-direction, corresponding to a bar diameter of 0.36 mm. Spiral “windmill” artifacts presenting as hyper- and hypodense structures around osseous edges are effectively reduced by the z-flying focal spot technique. Cardiac scanning benefits from the short gantry rotation time of 0.33 s, providing up to 83 ms temporal resolution with 2-segment ECG-gated reconstruction.

16-slice CT systems - spatial and temporal resolution - z-flying focal spot - ECG-gated reconstruction

References

• 1 Klingenbeck-Regn K, Schaller S, Flohr T. et al . Subsecond multi-slice computed tomography: basics and applications.  EJR. 1999;  31 110-124
• 2 Flohr T, Stierstorfer K, Bruder H. et al . New Technical Developments in Multislice CT, Part 1: Approaching Isotropic Resolution with Sub-mm 16-slice Scanning.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 839-845
• 3 Lell M, Wildberger J, Heuschmid M. et al . CT-Angiographie der A. carotis: Erste Erfahrungen mit einem 16-Schicht-Spiral-CT - CT-angiography of the carotid artery: First results with a novel 16-slice-spiral-CT scanner.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 1165-1169
• 4 Ertl-Wagner B, Hoffmann R T, Brüning R. et al . Supraaortale Gefäßdiagnostik mit dem 16-Zeilen-Multidetektor-Spiral-CT. Untersuchungsprotokoll und erste Erfahrungen.  Radiologe. 2002;  42 728-732
• 5 Tomandl B F, Klotz E, Handschu R. et al . Comprehensive Imaging of Ischemic Stroke with Multisection CT.  RadioGraphics. 2003;  23 (3) 565-592
• 6 Remy-Jardin J, Tillie-Leblond I, Szapiro D. et al . CT angiography of pulmonary embolism in patients with underlying respiratory disease: impact of multislice CT on image quality and negative predictive value.  Eur Radiol. 2002;  12 1971-1978
• 7 Schoepf U J, Becker C R, Hofmann L K. et al . Multislice CT angiography.  Eur Radiol. 2003;  13 1946-1961
• 8 Wintersperger B, Helmberger T, Herzog P. et al . Hochaufgelöste abdominelle Übersichtsangiographie mit einem 16-Detektorzeilen-CT-System - New abdominal CT angiography protocol on a 16 detector-row CT scanner.  Radiologe. 2002;  42 722-727
• 9 Wintersperger B, Herzog P, Jakobs T. et al . Initial experience with the clinical use of a 16 detector row CT system.  Crit Rev Comput Tomogr. 2002;  43 283-316
• 10 Nieman K, Cademartiri F, Lemos P A. et al . Reliable Noninvasive Coronary Angiography with Fast Submillimeter Multislice Spiral Computed Tomography.  Circulation. 2002;  106 2051-2054
• 11 Ropers D, Baum U, Pohle K. et al . Detection of coronary artery stenoses with thin-slice multi-detector row spiral computed tomography and multiplanar reconstruction.  Circulation. 2003;  107 664-666
• 12 Flohr T, Bruder H, Stierstorfer K. et al . Evaluation of Approaches to Reduce Spiral Artifacts in Multi-Slice Spiral CT.  Abstract Book of the 89th Scientific Assembly and Annual Meeting of the RSNA. 2003;  567
• 13 Hsieh J. Analytical models for multi-slice helical CT performance parameters.  Med Phys. 2003;  30 (2) 169-178
• 14 Schaller S, Stierstorfer K, Bruder H. et al . Novel approximate approach for high-quality image reconstruction in helical cone beam CT at arbitrary pitch, in Proc.  SPIE Int Symp Med Imag. 2001;  4322 113-127
• 15 Flohr T, Stierstorfer K, Bruder H. et al . Image reconstruction and image quality evaluation for a 16-slice CT scanner.  Med Phys. 2003;  30 (5) 832-845
• 16 Hu H. Multi-slice helical CT: Scan and reconstruction.  Med Phys. 1999;  26 (1) 5-18
• 17 Taguchi T, Aradate H. Algorithm for Image Reconstruction in Multi-Slice Helical CT.  Med Phys. 1998;  25 (4) 550-561
• 18 Flohr T, Ohnesorge B. Heart-Rate Adaptive Optimization of Spatial and Temporal Resolution for ECG-Gated Multi-slice Spiral CT of the Heart.  JCAT. 2001;  25 (6) 907-923
• 19 Flohr T, Bruder H, Stierstorfer K. et al . New Technical Developments in Multislice CT, Part 2: Sub-Millimeter 16-Slice Scanning and Increased Gantry Rotation Speed for Cardiac Imaging.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 1022-1027
• 20 Larson G, Ruth C, Crawford C. “Nutating slice CT image reconstruction”, Patent Application WO 98/44 847, filed 8 April 1998. 
• 21 Kachelrieß M, Schaller S, Kalender W A. Advanced single-slice rebinning in Cone-Beam Spiral CT.  Med Phys. 2000;  27 (4) 754-772
• 22 Proksa R, Koehler T, Grass M. et al . The n-PI Method for helical cone-beam CT.  IEEE Trans Med Imag. 2000;  19 848-863