Computertomographie

Computertomographie aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
CT-Scannersystem mit 16 Axialebenen auslesbar, Februar 2007
Die Computertomographie (v. griech. τοµή "Schnitt" und γράφειν "schreiben"), Abkürzung CT, auch Rechnertomografie, ist die
rechnerbasierte Auswertung einer Vielzahl aus verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenaufnahmen eines Objektes, um ein
dreidimensionales Bild zu erzeugen (Voxeldaten). Es handelt sich dabei um ein schnittbildgebendes Verfahren.
Funktionsweise
Röntgenbild einer Hand mit sechs Fingern
Beim herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf
einem Röntgenfilm abgebildet (bildgebendes Verfahren). Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. Bei
dieser Projektion gehen Informationen, welche die dritte Dimension (Dicke) des durchleuchteten Körpers betreffen
weitgehend verloren. Grund hierfür ist, dass im Nachhinein nicht mehr unterschieden werden kann, ob die im Röntgenbild
sichtbare Schwächung (helle Bereiche im Bild) durch ein Material höherer Dichte oder durch eine größere Schichtdicke
hervorgerufen wurde.
Die Computertomographie umgeht dieses Problem, indem sie viele Röntgenbilder des Objekts aus den
unterschiedlichsten Richtungen erstellt und nachträglich aus diesen vielen Abbildungen die verlorenen
Volumeninformationen rekonstruiert (sog. Rekonstruktion oder Rückprojektion[1]). In der Regel setzen sich diese 3DRekonstruktionen aus Einzelschnitten (Schnittbildverfahren), die quer durch das Objekt verlaufen, zusammen. Auf diese
Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes (sog. Voxel entspricht einem dreidimensionalen Pixel) eine Dichte
ermittelt werden.
Geschichte
Die Computertomographie wurde möglich durch die Nutzung des mathematischen Verfahrens, das 1917 von dem österreichischen Mathematiker
Johann Radon entwickelt wurde. Damals ein rein mathematischer Erkenntnisgewinn fern jeglicher Anwendungsmöglichkeiten, bildet die
Radontransformation heute die Grundlage zur Berechnung von zerstörungsfreien räumlichen Aufnahmen eines Objektes mit seinen gesamten
Innenstrukturen.
Nach Vorarbeiten des Physikers Allan M. Cormack in den 1960er Jahren realisierte der Elektrotechniker Godfrey Hounsfield mehrere Prototypen.
Die erste CT-Aufnahme wurde 1971 an einem Menschen vorgenommen. Beide erhielten für ihre Arbeiten 1979 gemeinsam den Nobelpreis für
Medizin.
2006: Ein neuartiger Computertomograph macht es möglich, präzisere Bilder von schnell oder unregelmäßig schlagenden Herzen zu bekommen.
Dazu arbeiten im Dual-Source-Computertomographen [2] (DSCT) erstmals gleichzeitig zwei rotierende Röntgenstrahler mit jeweils 64 Zeilen.
Anwendung
Die Computertomographie wird vorwiegend in der Medizin, aber auch in anderen Fachgebieten angewendet (zum Beispiel CT von Bäumen oder
Mumien, auch in der Materialprüfung). Die Röntgenstrahlen, die durch das Untersuchungsobjekt geschickt werden, werden von mehreren
Detektoren gleichzeitig aufgezeichnet. Der Vergleich zwischen ausgesandter und gemessener Strahlungsintensität gibt Aufschluss über die
Abschwächung (Attenuation) der Strahlung durch das zu untersuchende Gewebe. Die Daten werden mittels eines mathematischen Verfahrens im
Computer zu einem Volumendatensatz zusammengefügt, aus dem man Schnittbilder und 3D-Ansichten in beliebigen Ebenen rekonstruieren kann.
Zur Untersuchung eines Organs wird in der Praxis meist eine Serie von Schnittbildern angefertigt.
Der Schwächungskoeffizient (oft physikalisch ungenau als Dichte oder Röntgendichte bezeichnet) wird in der CT in Grauwerten dargestellt und auf
der Hounsfield-Skala angegeben. Luft hat auf dieser Skala einen Absorptionswert von –1000, Wasser von 0 und Metall (zum Beispiel Implantate)
von über 1000. Spongiöses Knochengewebe (Knochenbälkchen, zum Beispiel in den Wirbelkörpern) liegt typischerweise bei etwa 400 bis 800
Hounsfield-Einheiten (HE oder HU), kompaktes Knochengewebe (zum Beispiel im Schaft langer Röhrenknochen) weit über 1000 HU. Nach oben
ist die Hounsfield-Skala offen, sie ist jedoch in der praktischen Anwendung auf 12 Bit (–1024 bis +3071) begrenzt. In der praktischen Anwendung
wird jedem akquirierten HU ein Grauwert in der bildlichen Darstellung des CT-Scans zugeordnet. Da das menschliche Auge nicht in der Lage ist,
diese 4000 Grauwerte zu differenzieren, wird der Bereich der Grauwert-Darstellung je nach untersuchtem Organsystem begrenzt (Fenster-Weite
und Fenster-Zentrum).
Man unterscheidet CT-Geräte nach verschiedenen Generationen:
1. Translation-Rotations-Scanner – Bei diesen Geräten sind die Röntgenröhre und der Detektor mechanisch miteinander verbunden. Die
einzelnen Aufnahmen entstehen durch eine Dreh- und eine Verschiebebewegung der Röhre und des Detektors. Alte Geräte verwenden nur einen
einzelnen Röntgenstrahl, neuere (2. Generation) bis zu zehn.
2. Rotate-Rotate-Geräte – Die Röhre muss hier keine translatorische Bewegung mehr durchführen, da ein Fächer von Strahlen ausgesendet wird,
welcher den gesamten Bereich durchleuchtet. Sie wird nur noch um den Patienten gedreht, ein auf der gegenüberliegenden Seite des drehenden
Teils angebrachtes Kreissegment von Detektorzellen nimmt den Fächer auf (3. Generation).
3. Rotate-Stationary-Geräte – Bei diesen Geräten rotiert nur noch die Röntgenröhre um den Patienten herum, während die Detektoren in einem
vollen 360°-Kreis um den Patienten angebracht sind (4. Generation).
4. Elektronenstrahl-Scanner – Bei diesen Geräten bewegen sich keine mechanischen Komponenten mehr. Um den Patienten herum befindet sich
ein 360°-Kreis mit Detektoren und ein Ring aus einem Material wie zum Beispiel Wolfram, welches als Target (Ziel) für einen Elektronenstrahl
dient. Dieser Elektronenstrahl wird mittels elektrischer Felder jeweils zur gewünschten Position auf dem Target gelenkt. Wo er auftrifft, entsteht
Röntgenstrahlung, welche dann den Patienten durchleuchtet. Durch diese Technik können sehr schnell Bilder erzeugt werden, sogar
Echtzeitaufnahmen (zum Beispiel am Herzen) sind möglich. Diese Geräte haben sich, wohl aufgrund des hohen technischen Aufwands (und
damit des hohen Preises), im medizinischen Alltag nicht durchgesetzt.
Nachteile
Ein Nachteil der Computertomographie ist die Strahlenexposition. Diese ist um bis zu 1000 mal höher als bei einer normalen Röntgenaufnahme.[3]
Das damit verbundene Risiko muss bei der Indikationsstellung berücksichtigt werden. Die hohe Aussagekraft der CT kann die Durchführung
rechtfertigen. Ärzte unterschätzen laut Heyer die Strahlenbelastung bei der Computertomographie: Diese machten im Jahr 2003 gut 6% aller
Röntgenuntersuchungen aus, waren aber für mehr als 50% der medizinischen Röntgenstrahlung verantwortlich [4].
Alternativen
Eine Alternative zur CT stellt die Magnetresonanztomographie (MRT) dar, die auch als Kernspintomographie bezeichnet wird. Die beiden
Hauptvorteile dieses Verfahrens gegenüber der CT sind, dass keine schädliche Röntgenstrahlung verwendet wird und die Möglichkeit, Organe und
Gewebe auch ohne Kontrastmittel mit hohem Weichteilkontrast abzubilden. Nachteile sind unter anderem der höhere Anschaffungspreis der MRTGeräte und längere Untersuchungszeiten.
Spiral-CT oder auch Helix-CT
Spiral-CT des Herzens
Moderne Geräte arbeiten im Spiralverfahren, bei dem der Patient mit konstanter Geschwindigkeit entlang seiner Längsachse durch die
Strahlenebene bewegt wird, während die Strahlenquellendetektoreinheit konstant rotiert. Je nach Gerät können auch mehrere Axialebenen (2 bis
maximal 256, Stand 2007) gleichzeitig eingelesen werden (Mehrschicht- oder Multislice-Verfahren). Dadurch ist das Verfahren schneller und es
lassen sich Bewegungsartefakte (z. B. durch die Atmung) reduzieren. Auf dem mit dem Gerät verbundenen Rekonstruktionsrechner werden aus dem
Datensatz die gewohnten 2D-Schnittbilder errechnet. Neben der hohen Geschwindigkeit ist ein weiterer Vorteil moderner Mehrschicht-Spiral-CT
die Gewinnung von Datensätzen mit isotropen Voxeln. Isotrope Voxel haben die Form von Würfeln mit gleicher Kantenlänge in allen drei
Raumrichtungen (dx = dy = dz). Dadurch sind Rekonstruktionen von beliebigen Bildebenen (axial, sagittal, coronar ohne einen Verlust an (Detail-)
Auflösung oder auch oblique (schräge und gekrümmte), sowie qualitativ hochwertige 3D-Rekonstruktionen möglich. Spiral-CTs verwenden
Hochleistungs-Drehanoden. Die neueste Generation von Computertomographen verfügt über zwei Röntgenquellen [Dual Source CT], die im Gantry
um einen Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Auch hierbei ist je eine Detektoreinheit auf der gegenüberliegende Seite angebracht. Die
Geschwindigkeit der Datenaufnahme wird auf diese Weise verdoppelt.