Digitaalinen röntgenkuvaus ja säteilyannokset

Oriola Tuoteuutiset 12/2005

Kuluneen vuosikymmenen aikana kliinisen röntgenkuvauksen alueella on tapahtunut merkittävä teknologinen muutos, kun digitaaliset järjestelmät ovat alkaneet saavuttaa yhä suurempaa jalansijaa radiologisissa yksiköissä. Muutoksen myötä perinteinen filmi-vahvistuslevyihin perustuva analoginen tekniikka on väistynyt asteittain: ensin kuvalevyjärjestelmien (CR, computed radiography) ja viime vuosina litteisiin detektoreihin perustuvan suoradigitaalisen (DR, direct radiography) tekniikan tieltä. Tutkimusmäärät ja kuvausmenetelmien kirjo vaikuttavat yksikkötasolla muutostahtiin, mutta etenkin suuremmissa yksiköissä digitalisoituminen on edennyt vauhdilla. Toisaalta, esimerkiksi mammografiakuvilta edellytetty suuri tarkkuus on ylittänyt tähänastisen suoradigitaalitekniikan suorituskyvyn, vaikka kontrastiominaisuuksien puolesta kuvanlaatu olisikin riittävä. Myös angiografiassa litteään detektoriin perustuvat suoradigitaaliset järjestelmät ovat vasta hiljattain tulleet saataville myös suuremman kenttäkoon laitteisiin. Digitaalisen röntgenkuvauksen tekniikka on edelleen voimakkaassa kehitysvaiheessa ja tulevina vuosina voidaan odottaa yhä suorituskykyisempiä ja monipuolisempia laitteita.

Digitaalinen ja erityisesti suoradigitaalinen tekniikka tarjoaa useita selviä etuja perinteiseen filmi-vahvistuslevytekniikkaan verrattuna. Kuvausprosessin yksinkertaistuminen ja nopeutuminen mahdollistavat jo sinällään toiminnan merkittävän tehostumisen. Kuvien välitön saatavuus sähköisessä muodossa – sähköinen tallennus, siirto ja arkistointi – merkitsevät ajasta ja paikasta riippumatonta kuvien tulkintaa joka tuo aivan uusia mahdollisuuksia diagnostisten toimintojen järjestelyihin. Merkittävimmät digitaalitekniikan muutokset kuvausprosessin kannalta liittyvät kuvausketjun eriytymiseen kolmeen riippumattomaan osaan: kuvanluontiin, jälkikäsittelyyn sekä kuvankatseluun. Jokaista osa-aluetta voidaan optimoida erikseen. Digitaalikuvauksen fysiikka ja säteilyannokset liittyvät nimenomaan kuvanluontiin ja erityisesti digitaaliseen detektoriin. Detektoreiden fysikaaliset ominaisuudet mahdollistavat kuvanlaadun ja säteilyannosten aiempaa tehokkaamman optimoinnin. Tämä merkitsee hyvää, diagnostisesti riittävää kuvanlaatua jopa 50% perinteistä  filmivahvistuslevytekniikkaa pienemmillä annoksilla.

Suoradigitaalinen litteä detektori jakautuu rakenteeltaan kolmeen osaan. Ensin ns. konversiokerros absorboi röntgensäteilyn, jolloin säteilyn aineeseen siirtämä energia muuntuu joko valoksi tai suoraan sähköiseen muotoon. Tämän jälkeen optinen tai sähköinen liitosrakenne välittää signaalin eteenpäin lukuelektroniikalle. Lukuelektroniikka rekisteröi signaalin paikan ja intensiteetin, ja muuttaa tiedon lopulta digitaaliseen muotoon kuvadataksi. Konversiokerroksen perusteella suoradigitaaliset detektorit jakautuvat suoraan ja epäsuoraan konversioon perustuviin malleihin. Suorakonversiossa röntgensäteily muutetaan suoraan sähköiseksi signaaliksi ja siitä edelleen digitaaliseksi tiedoksi. Konversiomateriaalina on käytetty amorfista seleeniä. Epäsuorassa konversiossa taas röntgensäteily muutetaan ensin valoksi ja siitä edelleen sähköiseksi signaaliksi. Käytetyin konversiomateriaali on tällöin kesiumjodidi (CsI).

Optimaalisella detektorilla potilaaseen kohdistettu röntgensäteily voidaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti diagnostisen kuvan muodostukseen. Tätä ominaisuutta kuvataan detektorin kvanttiefektiivisyydellä (DQE, detective quantum efficiency), johon liittyvät detektorin herkkyys, sisäinen kohina ja dynamiikka-alue. Toisaalta myös riittävä resoluutio on tärkeää diagnostisesti merkittävien kohteiden erottumisen kannalta. Hyvässä detektorissa nämä ominaisuudet ovatkin sopusoinnussa keskenään – detektorin maksimaalinen herkkyys mahdollistaa optimaaliset annokset ja hyvä resoluutio puolestaan riittävän erotuskyvyn pienemmillekin kohteille. Epäsuoran konversion detektoreissa yleisimmin käytetyn CsI-materiaalin neulamainen kiderakenne toimii valojohtimen tavoin, jolloin röntgensäteilyn absorboituessa kiteessä muodostuva valo ei pääse merkittävästi leviämään sivusuunnassa (ns. valon lateraalisuunnan diffuusio). Tämän ominaisuuden ansiosta detektorin konversiokerroksen paksuutta voidaan kasvattaa resoluution kärsimättä. Paksumpi konversiokerros merkitsee detektorin herkkyyden parantumista, jolloin kohinan ja kontrastin kannalta riittävään kuvanlaatuun päästään entistä pienemmillä annoksilla. Tässä suhteessa CsI-materiaalin etuna on myös verrattain hyvä säteilyn absorptiokyky radiologiassa käytetyllä röntgensäteilyn energia-alueella.

Digitaalisen röntgenkuvauksen annoksiin pätevät valtaosin samat optimoinnin säännöt kuin perinteiseenkin tekniikkaan. Säteilyn käytön optimoinnin perustana on tutkimuksen oikeutuksen arviointi, jolloin huomio kiinnitetään lähetteisiin ja indikaatioihin. Tähän liittyy myös modaliteettivalinnan arviointi. Varsinaisen optimoinnin yhteydessä pyritään rajoittamaan säteilykeilan koko minimiin ja projektion suuntaus siten, että kohdealueen ulkopuoliset sädeherkät elimet altistuvat suoralle ja siroavalle säteilylle mahdollisimman vähän. Pienempi kuvakentän koko merkitsee aina vähäisempää sirontaa ja pienempää sironnan tuottamaa turhaa säteilyannosta potilaalle. Sirontaa voidaan lisäksi vähentää tutkimuskohtaisesti ulkoisten sädesuojainten käytöllä. Sironta vaikuttaa haitallisesti myös kuvanlaatuun, huonontaen kontrastia varsinkin korkeampia putkijännitteitä (kVp) käytettäessä ja paksumpia kohteita kuvattaessa. Tilannetta voidaan korjata hajasäteilyhilalla, jolloin kuvan kontrasti paranee. Asianmukainen hilan käyttö edellyttää kuitenkin huolellista perehtymistä hilan ominaisuuksiin ja tutkimuskohtaisiin suosituksiin. Ennen varsinaista kuvausparametrien teknistä optimointia olisi kuitenkin kiinnitettävä huomiota hyvän tutkimuskäytännön perusasioihin. Pelkästään hyvällä potilasasettelulla ja riittävän sisäänhengityksen varmistamisella voitaisiin välttää monet turhat uusintakuvaukset. Samoin hukkaeksponointien seuranta ja radiologin säännöllinen palaute kuvanlaadusta kuuluvat toimivaan optimoinnin infrastruktuuriin jokaisessa radiologisessa yksikössä.

Digitaalisen kuvauslaitteen käyttöönotossa potilasannoksen ja riittävän kuvanlaadun välille tulisi hakea optimaalinen suhde kussakin tutkimuksessa. Myös jälkikäsittelyn ja kuvankatselun osuus optimoinnissa tulisi huomioida digitaalisen tekniikan edellyttämällä tavalla. Modaliteetilla tapahtuvan jälkikäsittelyn ohella myös diagnostisen työaseman jälkikäsittelymahdollisuudet tulisi olla käytössä, jolloin kuvadatan diagnostinen informaatio tulisi mahdollisimman tehokkaasti hyödynnettyä. Digitaalisen detektorin vaste ja dynamiikka poikkeavat usein merkittävästi perinteisestä tekniikasta, joten aiempien kuvausarvojen suoraa kopiointia uudelle laitteelle tulee välttää. Valotusautomaatin toiminta ja herkkyysvalinnat tulisi säätää digitaalisen tekniikan annostehokkuus huomioiden (mm. low dose -kuvaukset). Annosnäyttöön (suoradigitaalilaitteilla yhä useammin DAP-näyttö) tulisi kiinnittää huomiota jokaisessa tutkimuksessa. Toteutuneita potilasannoksia tulisi kirjata seurantaa varten ja hyödyntää tuloksia vertailutasojen kanssa ja optimoinnin kvantitatiivisena arviointikriteerinä.

Perinteisessä tekniikassa kulloinkin käytetty filmi-vahvistuslevy-yhdistelmä ja sen suhteellinen nopeus asettavat reunaehdot kuvausarvojen valinnalle ja siten myös annosoptimoinnille. Digitaalinen tekniikka sallii kehittyneemmän lähestymistavan. Kuvan kontrasti voidaan optimoida suhteessa annokseen kVp-, lisäsuodatus- ja hilavalintojen kautta. Tavoitteena on tuottaa kuvaan mahdollisimman hyvä kontrasti-kohinasuhde ja samalla minimoida potilaaseen absorboituva säteilyannos suhteessa detektoriin absorboituvaan annokseen. Suuremmalla putkijännitteellä ja voimakkaammalla suodatuksella voidaan aina vähentää potilaan annosta ja lisätä detektorin annosta, mutta samalla kuvan kontrasti heikkenee. Tarvittava kontrasti riippuu tutkimuksesta, joten kuvaustekniikan optimointi edellyttää hyvää asiantuntemusta niin fysiikan, käytännön kuvaustekniikan kuin kuvantulkinnankin osa-alueilla. Kun edellä mainitut kontrastiin vaikuttavat kuvausparametrit on saatu kiinnitettyä, kuvan kohinataso voidaan säätää putkivirran (mA) ja kuvausajan valinnoilla (tai mAs-valinnalla) sopivaksi kuvanlaadun kannalta. Kohina kasvaa annoksen pienentyessä ja päinvastoin. Kuvassa tulisi aina näkyä jonkin verran kohinaa, muuten annos on varmuudella liian suuri. Annosoptimointi ja riittävä kuvanlaatu tulisi taata jokaisessa tutkimuksessa. Oikein säädetty kuvausautomatiikka ja kohdeohjelmat ovat suositeltavia työkaluja tähän päämäärään pyrittäessä. Lukuisissa tieteellisissä tutkimuksissa on osoitettu, että suoradigitaalisella röntgenkuvaustekniikalla voidaan saavuttaa merkittäviä annossäästöjä perinteiseen tekniikkaan nähden, jos digitaalisen tekniikan hyödyt vain osataan ottaa riittävän laajasti huomioon. Tämä edellyttää hyvää asiantuntemusta ja toimivaa yhteistyötä fyysikon, laitteen käyttäjän ja radiologin välillä. Lääketieteellisen fysiikan asiantuntemuksen käyttö yhdessä riittävän käyttökoulutuksen kanssa luo turvallisen perustan digitaalisen röntgenkuvauksen käyttöönotolle ja kuvaustekniikan optimoinnille koko diagnostisen prosessin kannalta.

MIKA KORTESNIEMI
Dosentti, sairaalafyysikko