Computertomographie

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. 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.

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 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.