Optimierung der Mikro-CT-Darstellung des Mittel- und Innenohrs der Katze

Röher, Ulrike

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Optimierung der Mikro-CT-Darstellung des Mittel- und Innenohrs der Katze

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1972 gelang G. N. Hounsfield die erste praktische Umsetzung der Computertomographie. Die ersten Mikrocomputertomographen entstanden bereits Anfang der 80er Jahre. Inzwischen findet die µCT ein breites Spektrum an Anwendungen. Zur Diagnostik von Erkrankungen und in der Forschung am Mittel- und Innenohr der Katze wird sie jedoch nicht eingesetzt, obgleich etwa 4 – 7% aller in Tierarztpraxen und -kliniken vorgestellten Patienten an Erkrankungen des Ohrs leiden und eine ausreichende und frühzeitige Diagnose mit den vorhandenen bildgebenden Verfahren, wie Röntgen, Ultraschall, CT und MRT, nicht möglich ist. Außerdem ist die Katze ein wichtiges Modelltier in der Forschung am Ohr, vor allem auf dem Gebiet der Taubheit. Hier müssen für Verlaufskontrollen regelmäßig Tiere geopfert werden. Ihre Anzahl könnte durch den Einsatz der µCT eingeschränkt werden. Ziel dieser Untersuchung war es, die optimalen Geräteeinstellungen zur Darstellung des Mittel- und Innenohrs der Katze im µCT (XtremeCT, Fa. Scanco Medical AG, Schweiz) herauszufinden. Zudem sollte festgestellt werden, ob eine adäquate Bildqualität erreicht werden kann, um die µCT in Diagnostik und Forschung am Ohr der Katze einzusetzen. Auch galt es zu klären, ob die hier gewonnenen Erkenntnisse als Grundlage für die in vivo-Untersuchung des Ohrs von Katzen mittels µCT dienen können. Am XtremeCT können die Integrationszeit (70 – 300 ms), die Projektionen pro 180° (500-1000) sowie die Schichtdicke (41 bzw. 82 µm), die auch die Ortsauflösung bestimmt, variiert werden. Röhrenstrom (1 mA) und -spannung (60 kV) sind auf die ursprüngliche Verwendung in der Humanmedizin, das Scannen von Knochen, optimiert und fest eingestellt. Es wurden µCT-Scans mit 36 verschiedenen Scanprotokollen von zwei Katzenköpfen angefertigt. Sie wurden von vier objektiven Gutachtern im Hinblick auf ihre Bildqualität und die Detailerkennbarkeit beurteilt. Die Gutachter bewerteten Rauschen und Kontrast der µCT-Bilder sowie die Darstellbarkeit verschiedener anatomischer Strukturen auf einer Skala von eins bis fünf. So konnten durch Erstellen einer Rangfolge die bestmöglichen Einstellungen zum Scannen von Mittel- und Innenohr der Katze ermittelt werden. Von einem weiteren Katzenkopf wurde mit den optimierten Parametern ein µCT-Scan angefertigt. Es folgte eine Untersuchung mittels klinischer CT und anschließend wurden von den Ohren dieses Schädels histologische Schnitte hergestellt. Diese Präparate und die Aufnahmen mit dem klinischen CT wurden mit den µCT-Bildern verglichen. Bei der Bewertung durch die Gutachter erhielten in allen Kriterien die Scanparameter 300 ms und 1000 Projektionen pro 180° die besten Noten. Bei der Ortsauflösung schnitten teilweise Scans mit 41 µm besser ab und in anderen Fällen mit 82 µm. Letztendlich lagen jedoch die Einstellungen 41 µm, 300 ms und 1000 Projektionen pro 180° auf dem ersten Rang. Bei einer Ortsauflösung von 82 µm wurden die µCT-Bilder von den Gutachtern als unscharf empfunden. Während der Messungen zur Optimierung der Scanparameter wurde die Dauer des jeweiligen Scans notiert. Die Scanzeiten lagen zwischen 4,8 und 22,3 Minuten. Die applizierte Strahlendosis in Abhängigkeit vom Scanprotokoll wurde von der Bedienungssoftware des XtremeCT in Form des CTDI angegeben und lag zwischen 2,7 und 20,1 mGy für einen Stack. Bei beiden Parametern ergaben sich die höchsten Werte für die Scans mit einer Integrationszeit von 300 ms und 1000 Projektionen pro 180°, also für die optimierten Einstellungen. Die Ortsauflösung hat keinen Einfluss auf Strahlendosis oder Scanzeit. Die ermittelten Werte sind auch bei Scans mit den bestmöglichen Parametern ausreichend gering, um die µCT für in vivo-Untersuchungen einzusetzen. Auf den µCT-Bildern, die für die Messungen zur Optimierung der Scanparameter entstanden, wurde außerdem das Auftreten von Artefakten visuell beurteilt. Der zwischen den Felsenbeinen zu erwartende Strahlaufhärtungseffekt konnte beobachtet werden. Strich- und Streifenartefakte traten vereinzelt auf. Weiterhin neigt das XtremeCT zu Ringartefakten. Im Verlauf der Arbeit trat ein besonders stark ausgeprägtes, auf allen Scans sichtbares Ringartefakt auf, das durch den Defekt eines Detektorelements entstanden war. Der Vergleich der µCT-Bilder, die mit den optimierten Scanparametern angefertigt wurden, und der histologischen Präparate ergab, dass die Bildqualität relativ gut ist. Die knöchernen Bereiche sind sehr detailliert darstellbar. Es sind sogar Kanälchen zum Durchtritt feiner Nerven und Gefäße sichtbar. Zwar können Weichgewebe (Nerven, Muskeln) nicht voneinander differenziert werden, die detaillierte Darstellung der Knochenstrukturen liefert allerdings wertvolle Orientierungsmarken, um die Positionen bestimmter, relevanter Nerven und Muskeln gezielt aufzusuchen. Zur Abbildung von Nerven- und Muskelgewebe wäre die Möglichkeit, die Röhrenspannung anzupassen, nützlich, da diese die Darstellbarkeit der verschiedenen Gewebe beeinflusst. Im Vergleich mit der klinischen CT zeigt sich, dass die µCT deutliche Vorteile hat. Mittels der klinischen CT können alle anatomischen Strukturen dargestellt werden, die auch auf µCT-Bildern zu sehen sind. Auf letzteren sind sie jedoch sehr viel detaillierter und schärfer abgebildet. Man kann daher Veränderungen mit Hilfe der µCT frühzeitiger erkennen als mit der klinischen CT.

In 1972 G. N. Hounsfield succeeded in implementing computed tomography (CT) for the first time. The first scanners for microcomputed tomography (µCT) were already developed at the beginning of the 1980s. Since then there is a wide range of µCT applications including imaging of laboratory animals and use in human medicine. For disease diagnosis and research into the middle and inner ear of the cat, however, it is not employed, although approximately 4 – 7 % of all patients presented in small animal practices and clinics suffer from ear diseases and sufficient and early diagnosis is not possible with available imaging methods (x-ray, ultrasound, CT, MRI). Moreover, the cat is an important animal model in ear research, especially in the field of deafness. In these studies animals have to be sacrificed at regular intervals for follow-up examinations. By applying µCT the number of animals required could be reduced. The aim of this study was to determine the optimal scan parameters for imaging the middle and inner ear of the cat with µCT (XtremeCT, Fa. Scanco Medical AG, Switzerland). Besides, it was to be assessed whether adequate image quality can be obtained to use µCT in diagnostics and research on cat ears. Whether these findings can serve as a basis for the in vivo-examination of the cat’s ear was to be clarified as well. On the XtremeCT, employed in this study, integration time (70 - 300 ms), projections per 180° (500 - 1000) and slice thickness (41 and 82 µm, respectively), which also determines the spatial resolution, can be varied. Tube current (1 mA) and tube voltage (60 kV) though are adapted to the original use in human medicine (measurement of bone density), and cannot be altered. Altogether, µCT imaging of two cat skulls was performed with 36 different scanning protocols during this study. The scans were then evaluated by four impartial experts with regard to the image quality and image perception. Noise and contrast of the µCT images as well as presentability of different anatomical structures were marked on a scale from one to five. By compiling a ranking of the results, the best possible scan parameters for imaging the middle and inner ear of cats could be determined. From a third cat’s skull a µCT scan was acquired using these optimised scan parameters. Afterwards a comparison examination with clinical CT (140 kV, 275 mAs, 0,6°mm slice thickness) was performed with the same skull and its ears were sliced. This histological specimen and the images from the clinical CT scan were compared to the µCT images. In the expert evaluation the scan parameters 300 ms and 1000 projections per 180° gave the best results for all criteria. In some criteria scans with a spatial resolution of 41 µm were marked better but in others those with 82 µm were preferred. Altogether, the scan parameters 41 µm, 300 ms and 1000 projections per 180° received the best results. At a spatial resolution of 82 µm all of the experts perceived the µCT images as blurred. Scanning times were between 4.8 and 22.3 minutes. The radiation dose applied depending on the scan parameters was indicated in the user interface of the XtremeCT in the form of the CTDI and was between 2.7 and 20.1 mGy per stack, the area covered by the x-ray beam during a single gantry rotation of 180°. The values of both parameters were at their highest at an integration time of 300 ms and 1000 projections per 180°, which are the optimised scan parameters. The spatial resolution does not have any influence on radiation dose or scanning time. Even for scans performed with the parameters required for the best possible image of the middle and inner ear, the determined values are sufficiently low to apply µCT for in vivo measurements. On the µCT images produced for the optimisation of the scan parameters the occurrence of artefacts was visually evaluated. The expected beam hardening artefact between the left and right petrous temporal bones could be observed. Streak and stripe artefacts appeared sporadically. Besides, the XtremeCT is susceptible to ring artefacts. Over the course of this investigation, there occurred a very pronounced ring artefact on each slice of all of the scans, this being caused by the defect of a detector element. Comparison of the µCT images acquired using the optimised scan parameters with the histological specimen revealed, that relevant anatomical structures can be identified very well on the µCT images. Especially the osseous parts of the middle and inner ear are depicted in detail. Here, delicate canals where nerves and vessels pass through are visible. Though soft tissues (nerves, muscles) can not be satisfactorily differentiated, the bony structures that are depicted in detail, serve as valuable spatial orientation to define the position of specific relevant nerves and muscles. To discriminate nerve and muscular tissue as in the histological specimen the possibility of varying the tube voltage and of choosing a suitable convolution kernel would be advantageous as these parameters decisively affect the display of various anatomical structures and tissues. In comparison to the clinical CT, µCT has considerable advantages regarding image quality. Clinical CT can depict many anatomical structures which can also be seen on µCT images, but these appear much less sharp and also less detailed than with µCT. On clinical CT images the bone contours are strongly blurred, so that they partially become difficult to delineate. Some structures, e. g. the ear drum, the semicircular canals or the Lamina spiralis of the cochlea cannot be visualised with clinical CT. It can be assumed that µCT is able to depict morphological changes in the ear at an earlier stage of disease than clinical CT.