Computertomographie

Die Rechnertomografie bzw. Computertomographie (v. griech. τομή "Schnitt" und γράφειν "schreiben"), Abkürzung CT, ist die rechnergestützte Auswertung einer Vielzahl aus verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenaufnahmen eines Objektes, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen (Voxeldaten). Es handelt sich dabei um ein bildgebendes Verfahren.

Geschichte

Die Computertomographie basiert auf einem mathematischen Verfahren, das 1917 von dem österreichischen Mathematiker Johann Radon entwickelt wurde. Damals ein rein mathematischer Erkenntnisgewinn fern jeglicher Anwendungsmöglichkeiten, ermöglicht die Radontransformation heute die zerstörungsfreie räumliche Aufnahme 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 in Medizin.

2006: Ein neuartiger Computertomograph in München macht es möglich, präzise Bilder von schnell oder unregelmäßig schlagenden Herzen zu bekommen. Dazu arbeiten im Dual-Source-Computertomographen (DSCT) erstmals zwei parallel rotierende Röntgenstrahler.

Anwendung

Die Computertomographie wird vorwiegend in der Medizin, aber auch in anderen Fachgebieten angewendet (z. B. 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 (z. B. Implantate) von über 1000. Spongiöses Knochengewebe (Knochenbälkchen, z. B. in den Wirbelkörpern) liegt typischerweise bei etwa 400 - 800 Hounsfield-Einheiten oder HU, kompaktes Knochengewebe (z. B. 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.

Man unterscheidet CT-Geräte nach verschiedenen Generationen:

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 10.
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).
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).
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 z. B. Wolfram, welcher 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 (z. B. am Herzen) sind möglich. Diese Geräte haben sich, wohl aufgrund des hohen technischen Aufwands (und damit des hohen Preises), im medizinischen Alltag nicht durchgesetzt.

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Nachteile

Ein Nachteil der Computertomographie ist die Strahlenexposition. Das damit verbundene Risiko muss bei der Indikationsstellung berücksichtigt werden. Die hohe Aussagekraft der CT rechtfertigt jedoch oft die Durchführung.

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 die Freiheit von Röntgenstrahlung und die Möglichkeit, Organe und Gewebe abzubilden, die mit der CT nicht darstellbar sind (etwa Nieren, Hirn). Nachteile sind unter anderem der höhere Anschaffungspreis der MRT-Geräte, eine geringere Auflösung sowie mögliche Abbildungsstörungen.

Spiral-CT

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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 (Mehrschicht- oder Multislice-Verfahren). Dadurch ist das Verfahren sehr schnell 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. Dadurch sind Rekonstruktionen von beliebigen Bildebenen (axial, sagittal, coronar oder auch schräg und gekrümmt), sowie qualitativ hochwertige 3D-Rekonstruktionen möglich. Spiral-CTs verwenden Hochleistungs-Drehanoden (siehe Röntgenstrahler#Anodenarten).

Weblinks

www.netdoktor.de - Computer-Tomographie
www.cg.cs.tu-berlin.de - Die Röntgen-Computertomographie
www.iap.uni-bonn.de - Schattenspiele: CT-Erklärung für Kinder
www.heute.de - Revolutionärer Röntgenstrahler: Innovation in der Computertomographie
SIEMENS medical Computertomographie