röntgenbildgebung, computer-tomographie

RÖNTGENBILDGEBUNG, COMPUTER-TOMOGRAPHIE
Für die Schwächung von Röntgenstrahlen im menschlichen Körper gibt es zwei Mechanismen:
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den Photoeffekt
den Compton-Effekt
Wie stark diese beiden Effekte den Röntgenstrahl schwächen, hängt im Wesentlichen von zwei
Faktoren ab:
1. Von der Energie der Strahlung
Je größer die Energie der Photonen, desto geringer die Schwächung des Strahls. Deshalb
werden in der CT die Anteile des Röntgenspektrums mit kleiner Energie durch geeignete
Absorber herausgefiltert, da diese den Detektor praktisch
nicht erreichen und nur zur Strahlenbelastung des Körpers beitragen.
2. Von der Dichte der durchstrahlten Substanz
Genau das liefert den Kontrast zwischen den unterschiedlichen Organen.
Hounsfieldskala / Absorptionswerte
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Die vom Computer aufgenommenen Daten lassen sich nun vielfältig bearbeiten. Beispielsweise
kann man Details der Lunge
(„Lungenfenster“) oder anderer Organe hervorheben. Dieses Prinzip der Fenstertechnik soll
folgend beschrieben werden
Die Absorptionsfähigkeit der verschiedenen Substanzen wird auf einer Skala dargestellt, die
nach dem Nobelpreisträger „Hounsfield-Skala“ genannt wird. Die Skala gibt den relativen
Absorptionsunterschied der jeweiligen Substanz im Vergleich zu Wasser in Promille an
Ihre Einheit ist 1 HU (Hounsfield Unit)
Ein Wert von -1000 HU entspricht der Absorptionsstärke von Luft (bzw. Vakuum) und 0 HU
der von Wasser. Nach oben hin ist die Skala offen. Knochen liegt ungefähr bei 500-3000 HU
Die Computertomographie (CT) wird gelegentlich auch Röntgen-Computertomographie
genannt. Anders als bei der Magnetresonanztomographie (MRT) handelt es sich um ein
Schnittbildverfahren, das auf der Röntgentechnik beruht.
Ein Computertomograph besteht aus einer Scan-Einheit, der sogenannten Gantry, und einem
Tisch, auf dem der Patient liegt. Während der Untersuchung wird der Patient auf einer Liege in
die kreisförmige Öffnung in der Gantry geschoben. In der Gantry befinden sich die
Röntgenröhre und gegenüberliegenden Detektoren, die messen, wie sehr die von der
Röntgenröhre ausgehende Strahlung durch das Gewebe im Körper abgeschwächt wird. Die
Detektoren senden die empfangenen Signale an eine Computereinheit, die aus ihnen viele
Schnittbilder berechnet. Je strahlendurchlässiger das Gewebe ist, desto dunkler wird es im CTBild dargestellt. Gewebe, das die Strahlung weniger gut durchlässt und so abschwächt,
erscheint hell. Um den Kontrast zwischen benachbarten Strukturen, Organen und Geweben zu
erhöhen, erhalten Patienten bei Bedarf vor der Untersuchung ein Kontrastmittel.
Während der Untersuchung dreht sich die gesamte Gantry um die Liege mit dem Patienten, also
um dessen Längsachse. Die Röntgenröhre sendet dabei einen fächer- oder kegelförmigen
Röntgenstrahl aus. Die Röntgenstrahlen dringen von allen Seiten in den Körper. Zum Teil
werden sie vom Gewebe aufgenommen oder abgelenkt, durch anderes Gewebe dringen sie
nahezu ungehindert hindurch. Die Strahlen, die das Gewebe durchgelassen hat, werden von den
gegenüberliegend aufgereihten Messköpfen (Detektoren) als Signal empfangen, elektronisch
aufbereitet und einem Computer zugeführt. Der Computer ermittelt die Differenz zwischen
abgeschickter und empfangener Intensität des Röntgenstrahls und kann über komplizierte
Rechenvorgänge den relativen Schwächungswert (entsprechend der Dichte des Gewebes) für
jeden einzelnen Punkt im durchstrahlten Gewebe berechnen. Diese Zahlen werden in Grautöne
umgesetzt und als Bild auf dem Bildschirm wiedergegeben. Ein solches Bild beruht auf der
Untersuchung einer Körperscheibe von meist ein bis fünf Millimeter Dicke.
Wie bei gewöhnlichen Röntgenuntersuchungen macht man sich bei der CT die unterschiedliche
Durchlässigkeit verschiedener Körpergewebe für Röntgenstrahlen zunutze. Je dichter ein
Gewebe ist, desto schlechter lässt es die Strahlen hindurch. So kann man zum Beispiel
Knochen, Luft (in der Lunge), Wasseransammlungen im Körper und Weichgewebe
voneinander unterscheiden: Sie erscheinen in unterschiedlichen Grautönen. Auf dem Film
entsteht ein "Negativbild": Je dichter ein Gewebe ist, desto heller wird es abgebildet. Gewebe,
das die Strahlung kaum abschwächt, erscheint dunkel.
Bei einer gewöhnlichen Röntgenaufnahme überlagern sich die "Schatten" verschiedener
Gewebe, die hintereinander im Strahlengang gelegen sind und daher auf einer Stelle des Films
zusammen abgebildet werden. Bei der Computertomographie werden Aufnahmen aus
verschiedenen Richtungen gemacht. So können Überlagerungen vermieden werden, und es ist
möglich, die genaue Größe und Lage eines Organs oder einer Gewebeveränderung im Körper
zu bestimmen. Die Rechenleistung des Computers ermöglicht es, dass am Ende nicht nur
Querschnittbilder dargestellt werden können, sondern durch Aneinanderreihung der Bildpunkte
aus verschiedenen Querschichten auch Längs- und Schrägschichten oder dreidimensionale
Bilder, die aus verschiedenen Richtungen betrachtet werden können.
Das Untersuchungsergebnis überträgt der Arzt vom Bildschirm entweder auf Filme oder Papier,
inzwischen aber meist vom Rechner direkt auf CDs oder andere elektronische Speichermedien.
Solche Bilder lassen sich, natürlich unter Beachtung des Datenschutzes, auch innerhalb eines
Krankenhauses von Abteilung zu Abteilung oder an den niedergelassenen Arzt über das Internet
weitergeben.
Während der letzten Jahrzehnte hat sich die Computertomographie stetig weiterentwickelt. In
diesem Abschnitt finden Interessierte einen kurzen Überblick über verschiedene Gerätetypen
und Aufnahmetechniken:
Inkremental-CT: Bei der zuerst entwickelten Technik, der sogenannten "Inkremental-CT" (von
lat.: incrementare = "vergrößern") fuhr für jede einzelne Aufnahme die Liege mit dem Patienten
einige Millimeter weiter, und das Gerät durchleuchtete die nächste Schicht des Körpers. So
wurden zum Beispiel für eine Gesamtaufnahme des Brustraumes vierzig Schichten
aneinandergereiht, für die Darstellung anderer Organe genügten manchmal auch nur zehn
Schichten. Während der einzelnen Aufnahmen, die jeweils etwa fünf Sekunden dauerten,
musste der Patient ruhig liegen bleiben und gemäß den Anweisungen des betreuenden Personals
atmen oder die Luft anhalten, damit das entstehende Bild nicht "verwackelte", das heißt, durch
die Atembewegung unscharf wurde.
Spiral-CT: Modernere CT-Geräte sind die sogenannten Spiral-Computertomographen. Der
Patient wird hier nicht schrittweise, sondern kontinuierlich und in wenigen Sekunden
automatisch durch das Gerät geschoben. Dabei dreht sich die Röntgenröhre fortlaufend um den
Patienten. Der Röntgenstrahl beschreibt dadurch eine Spirale um den Patienten (daher der
Name). Aus den gewonnenen Daten lassen sich Bilder jeder gewünschten Körperschicht
errechnen. Der Vorteil der Spiral-CT ist der, dass die Untersuchung sehr schnell geht. Der
Patient hält für einige Sekunden die Luft an, und in dieser Zeit kann ein großer Körperabschnitt
wie zum Beispiel der Brustkorb oder der Oberbauch aufgenommen werden.
Mehrzeilen-Spiral-CT: Eine Weiterentwicklung des Spiral-CT stellt das sogenannte
Mehrzeilen-Spiral-CT dar. Mit diesen Geräten sind noch schnellere Untersuchungen möglich.
Das liegt daran, dass nicht nur eine Reihe von Detektoren, sondern sehr viele Detektorreihen
nebeneinander liegen. Bei Untersuchungen, die mit Kontrastmittel durchgeführt werden
müssen, kann so eine noch bessere Kontrastmittelverteilung erfasst werden. Über die dünnen
Schichten lassen sich ebenfalls beliebige Schnittrichtungen berechnen und so Bilder in
verschiedenen Ebenen darstellen.
Volumen-CT: Noch neuere Computertomographen sind "Volumen-CTs", bei denen viele
Hundert Schichten pro Rotation erfasst werden. Da so relativ breite Körperschichten auf einmal
"gescannt" werden, reicht eine Rotation mitunter für die Abbildung eines ganzen Organs (Herz,
Gehirn). Die Untersuchungsdauer verkürzt sich dadurch weiter, und Störungen (sogenannte
"Artefakte") durch die Bewegung der Geräte werden vermieden. Diese neuen CTs werden
insbesondere zur Darstellung von Bewegungsabläufen (zum Beispiel die Durchblutung von
Organen) eingesetzt.
Dual-Source-CT: Inzwischen gibt es Computertomographen, bei denen zwei um neunzig Grad
versetzte Röntgenstrahler gleichzeitig um den Patienten rotieren. Damit kann die
Untersuchungszeit verkürzt werden und auch die Strahlendosis, der Patienten ausgesetzt
werden, ist geringer. Ein weiterer Vorteil der Dual-Source-CT ist, dass jede Röntgenröhre mit
unterschiedlicher Spannung und einem unterschiedlichen Röntgenspektrum arbeiten kann.
Diese sogenannten Zwei-Spektren-CTs erlauben es, verschiedene Gewebe noch besser
voneinander abzugrenzen und Bildstörungen zu reduzieren.
Auch die zur Verarbeitung der Signale notwendige Computerleistung hat sich in den letzten
Jahren stark verbessert. Computertomographie-Bilder können heute dreidimensional berechnet
werden, sodass eine räumliche Darstellung der Lage einzelner Organe zueinander möglich
wird. Neue und weiterentwickelte Systeme ermöglichen die Kombination von
Computertomographen mit anderen Diagnosesystemen, zum Beispiel computergesteuerten
Punktionsapparaturen zur zielgenauen Entnahme von Gewebeproben bei einer Biopsie. Dank
mobiler CT-Geräte sind sogar Computertomographien während einer laufenden Operation
möglich.
Ein wichtiger Vorteil der technischen Entwicklung ist zum einen die immer kürzere
Untersuchungsdauer und damit eine immer geringere Strahlenbelastung für den Patienten.
Auch langes Stillliegen ist für viele Fragestellungen nun nicht mehr notwendig. Zum anderen
werden die Aufnahmen immer detaillierter und weniger anfällig für Störungen. So können
immer kleinere Veränderungen im Körper sichtbar gemacht werden.
Typische Daten eines aktuellen Tomographen sind
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Rekonstruktion einer 512x512-Matrix
0.33 Sekunden pro Rotation
64 Schichten-Scanning
Ganzkörper-Scan
Besondere Relevanz findet die CT-Bildgebung heute zB bei Untersuchungen am Kopf (zB
Blutungen, Basisfrakturen, Tumore), Knochen, Lunge, Leber, Lymphknoten, Magen, Darm
und Gefäße (akute Blutungen, Aneurysmen)
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 (4 bis maximal 64, Stand 2004) gleichzeitig eingelesen werden (MultisliceVerfahren).
https://www.krebsinformationsdienst.de/untersuchung/computertomographie-technik.php