Computertomographie

  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.

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Funktionsweise

 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 3D-Rekonstruktionen 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.

Die neueste Entwicklung zur Beschleunigung der Bildaufnahme erfolgte 2006 mit der Einführung des Dual-Source-Computertomographen ^[2] (DSCT). Die Beschleunigung hat großen Nutzen für die Herzbildgebung, da präzisere Bilder von schnell oder unregelmäßig schlagenden Herzen möglich sind. Dazu arbeiten im Dual-Source-Computertomographen erstmals gleichzeitig zwei rotierende Röntgenstrahler mit jeweils 64 Zeilen.

Auf dem RSNA 2007 stellte Toshiba einen echten 320-Zeiler und Philips einen 128-Zeiler mit Flying-Focus auf 256 interpolierten Zeilen vor.

Die Entwicklung des dynamischen 4D-Volumenscanners TOSHIBA Aquilion One 320 dauerte 10 Jahre und ist seit dem RSNA 2007 Realität geworden. Mit einer Längenabdeckung von 16 cm pro Rotation ist der Computertomograph unter anderem in der Lage, das gesamte Herz in nur einem Herzschlag bei nur einer Rotation abzubilden. Die Dosiseinsparung dieser neuen Technologie beträgt bis zu 80%. Installiert ist das System bereits in Berlin in der Charité.

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).

Im Fachjargon der Mediziner wird ein Gewebe, das einen niedrigerern Schwächungskoeffizient aufweist als erwartet, als hypodens (Hypodensität) bezeichnet; bei höherem Schwächungskoeffizienten als hyperdens (Hyperdensität). Zwei Bildpunkte, die Gewebe mit gleichem Schwächungskoeffizienten repräsentieren, sind einander isodens.

Gerätetypen

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]. Jährlich werden in den USA mehr als 62 Mio. CT-Scans durchgeführt. Jede dritte dieser Untersuchungen ist nach Experteneinschätzungen nicht notwendig. Eine Übersichtsarbeit im "New England Journal of Medicine" warnt, daß die jetzt duchgeführten CTs in einigen Jahrzehnten für 1,5-2% aller Krebserkrankungen verantwortlich sein könnten. Die Autoren der Übersichtsarbeit stellten aber auch klar, daß in den etablierten Indikationen der Nutzen das Risiko überwiege.^[5]

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 MRT-Geräte und längere Untersuchungszeiten.

Spiral-CT oder auch Helix-CT

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 320, 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. Leider tritt dabei aber bedingt durch Streustrahlung ein deutlich erhötes Bildrauschen auf, das die Bildqualität stark vermindert. Die neuen Siemens-Computertomographen, die auf dem RSNA 2007 vorgestellt wurden, verwenden daher nur noch eine Röhre.

Nachweise

1. ↑ Buzug T.M.: Einführung in die Computertomographie - Mathematisch-physikalische Grundlagen und Bildrekonstruktion, Springer Verlag, ISBN 3-540-20808-9
2. ↑ Ärztezeitung: Gabriele Wagner: CT mit Doppel-Röhre: schneller, schärfer - und die Strahlendosis sinkt. (30. November 2006); Zugriff am 31. Juli 2007
3. ↑ http://www.zdf.de/ZDFde/inhalt/6/0,1872,5387366,00.html
4. ↑ RöFo, 2007, 179 (3): 261-7 zitiert nach "Der Allgemeinarzt" 8/2007, S. 18
5. ↑ N Engl J Med 2007;357:2277-84