Einleitung
Computertomographie (CT)

Bei der Computertomographie (Synonyme: CT-Scan, Computer Axial Tomography – aus dem altgriechischen: tome: der Schnitt; graphein: schreiben) handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren der radiologischen Diagnostik.

Mit Hilfe der Anwendung der CT ist zum ersten Mal eine Erstellung von axialen überlagerungsfreien Schnittbildern der diversen Körperregionen möglich geworden.
Um dies zu erreichen werden rechnerbasiert röntgenradiologische Bilder aus verschiedenen Richtungen verrechnet, sodass ein dreidimensionales Schnittbild erstellt werden kann. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine Unterscheidung zwischen Strukturen mit einer höheren Strahlenabsorption und einer verbreiterten Schichtdicke vorzunehmen. War es noch bei einer Röntgenaufnahme der Fall, dass der Grad der Verdickung eines Gewebes nicht genau zu bestimmen war, da keine dreidimensionale Untersuchung eine hoch differenzierte Beurteilung von Geweben zuließ, stellt nun die Anwendung der CT eine Lösung dieses Problems dar. Durch die dreidimensionale Betrachtung des Objektes wird allerdings nicht nur eine exakte Beurteilung der Volumenstruktur, sondern auch ein Verzicht auf die Mittelung der Schnittbilder gewährleistet.

Der in der Hounsfield-Skala festgelegte Absorptionsgrad (Schwächungskoeffizient) spiegelt die Wiedergabe der Gewebe in den einzelnen Graustufen wider. Verdeutlichen kann man den Absorptionsgrad durch die Wertangabe von Luft (Absorptionswert von -1.000), Wasser (Absorptionswert 0) und der verschiedenen Metalle (Absorptionswerte von weit über 1.000). Die Darstellung der Gewebe wird in der Medizin durch die Begriffe Hypodensität (niedriger Absorptionsgrad) und Hyperdensität (hoher Absorptionswert) beschrieben.

Entwickelt wurde dieses diagnostische Verfahren in den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts von dem Physiker Allan M. Cormack und dem Elektrotechniker Godfrey Hounsfield, die für ihre Forschung den Nobelpreis der Medizin erhielten. Doch schon vor den finalen Entwicklungen der Computertomographie gab es Versuche, aus radiologischen Schnitten eine Erstellung räumlicher Aufnahmen vorzunehmen und so den Mittelungsprozess der Röntgenaufnahmen zu umgehen. Schon in den zwanziger Jahren wurden erste Forschungsergebnisse zur Tomographie vom Berliner Arzt Grossmann vorgestellt.

Das Verfahren

Das Prinzip des Computertomographen ist die Vermeidung von Überlagerungen von verwischten Ebenen, sodass eine höhere Kontrasterzeugung erreicht werden kann. Auf Grund dessen ist auch die Möglichkeit gegeben, Weichteile mit dem Computertomographen zu untersuchen. Hieraus resultiert die Etablierung der CT in Gesundheitseinrichtungen, bei denen die CT als bildgebende Diagnostik der Wahl zur Organdarstellung eingesetzt wird. Seit der Entwicklung des Tomographen gab es verschiedene Technologien zur Durchführung des diagnostischen Verfahrens. Seit 1989 wird die vom deutschen Physiker Kalendar entwickelte Spiral-CT als wichtigste Methode zur Durchführung angewendet. Die Spiral-CT beruht auf dem Prinzip der Schleifringtechnologie. Durch diese ist es möglich, den Patienten spiralförmig abzutasten, da die Röntgenröhre ständig mit Energie versorgt wird und sowohl die Energieübertragung als auch die Datenübertragung vollständig kabellos übertragen werden kann.

Die Technologie der CT ist wie folgt aufgebaut:

  • Der moderne Computertomograph besteht jeweils aus einem Frontend, bei dem es sich um den eigentlichen Scanner handelt, und dem Backend, welcher aus Bedienkonsole und einer sogenannten Viewing Station (Kontrollstation) besteht.
  • Als Herzstück des Tomographen beinhaltet das Frontend unter anderem die benötigte Röntgenröhre, den Filter und die diversen Blenden, ein Detektorsystem, einen Generator und ein Kühlsystem. In der Röntgenröhre wird eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 10-8 bis 10-18 m erzeugt, die durch den Eintritt schneller Elektronen in ein Metall erzeugt wird.
  • Zur Durchführung der Diagnostik bedarf es der Bereitstellung einer Beschleunigungsspannung, welche die Energie des Röntgenspektrums bestimmt. Zusätzlich kann über den Strom der Anode die Intensität des Röntgenspektrums festgelegt werden.
  • Die bereits erwähnten beschleunigten Elektronen durchlaufen die Anode, sodass diese auf Grund der Reibung an den Atomen der Anode sowohl abgelenkt als auch abgebremst werden. Durch den Bremseffekt wird eine elektromagnetische Welle geformt, die über die Entstehung von Photonen eine Abbildung des Gewebes ermöglicht. Die Bildgebung bedarf allerdings einer Wechselwirkung von Strahlung und Materie, woraus resultiert, dass nicht die einfache Detektion von Röntgenstrahlung zur Bilderzeugung ausreicht.
  • Neben der Röntgenröhre spielt auch das Detektorsystem eine entscheidende Rolle in der Funktion des Computertomographen. 
  • Überdies ist auch die Motoreinheit mitsamt Steuerungseinheit und Mechanik Teil des Frontends.

Um die Entwicklung des Computertomographen über die Jahrzehnte zu verdeutlichen, sind hier die Gerätegenerationen aufgeführt, die auch heute noch bei bestimmten Fragestellungen relevant sind:

  • Geräte der ersten Generation: Bei diesem Gerät handelt es sich um einen Translation-Rotations-Scanner, bei dem eine mechanische Verbindung zwischen Röntgenröhre und Strahlendetektor vorliegt. Mit Hilfe eines einzigen Röntgenstrahles wird durch Dreh- und Verschiebebewegungen dieser Einheit eine einzelne Röntgenaufnahme durchgeführt. Die Verwendung der Computertomographen der ersten Generation begann im Jahr 1962.
  • Geräte der zweiten Generation: Hierbei handelt es sich ebenfalls um einen Translation-Rotations-Scanner, bei dem allerdings die Anwendung des Verfahrens mit Hilfe von mehreren Röntgenstrahlen durchgeführt wurde. 
  • Geräte der dritten Generation: Als Vorteil dieser Weiterentwicklung ist die Aussendung von Strahlen als Fächer zu sehen, sodass eine Translationsbewegung der Röhre nicht mehr notwendig ist.
  • Geräte der letzten Generation: Bei diesem Gerätetyp werden diverse Elektronenkanonen im Kreis eingesetzt, um eine Gesamtdarstellung des Gewebes zeitsparend gewährleisten zu können.

Als aktuell modernster Gerätetyp wird die Dual-Source-CT gehandelt. Bei dieser 2005 von Siemens vorgestellten Neuentwicklung werden zwei um einen rechten Winkel versetzte Röntgenstrahler gleichzeitig zur Reduktion der Aufnahmezeit eingesetzt. Jedem Röntgenstrahler befindet sich ein Detektorsystem gegenüber.

Besonders in der Darstellung des Herzens verfügt die Dual-Source-CT über herausragende Vorteile:

  • Darstellung des Herzens mit einer herzratenunabhängigen zeitlichen Auflösung von wenigen Millisekunden.
  • Der Verzicht auf die Gabe von Betablockern zur Verbesserung der Bildgebung ist nicht mehr notwendig.
  • Überdies wird durch diese Weiterentwicklung ein höherer Differenzierungsgrad von Plaques gewährleistet und eine exaktere In-Stent-Bildgebung erreicht. 
  • Auch bei Patienten mit Arrhythmien wird eine Darstellung gewährleistet, die der von Patienten ohne Pulsabnormitäten entspricht.

Auch bei Fragestellungen außerhalb der Kardiologie kann die Dual-Source-CT eingesetzt werden. Besonders in der Onkologie profitiert man von der verbesserten Tumorcharakterisierung und der genaueren Differenzierung von Gewebsflüssigkeiten.

Die CT kann bei vielen verschiedenen Beschwerden beziehungsweise Erkrankungen eingesetzt werden.

Folgende CT-Untersuchungen sind sehr häufig:

  • Abdomen-CT (Darstellung des Bauchraumes und seiner Organe)
  • Angio-CT (Darstellung von Blutgefäßen)
  • Becken-CT (Darstellung des Beckens und seiner Organe)
  • CCT (Craniale CT) (Darstellung des Schädels und des Gehirns)
  • Extremitäten-CT (Arme und Beine)
  • Halsweichteile-CT (Darstellung des Rachenraumes, des Zungengrundes, der Speicheldrüsen und des Kehlkopfes)
  • Thorax-CT (Darstellung des Brustkorbs zur Begutachtung der Lunge, des Herzens und der Knochen)
  • Virtuelle Koloskopie (Darmspiegelung)
  • Wirbelsäulen-CT

Neben diesen ganzen diagnostischen Möglichkeiten können mit der CT auch Punktionen und Biopsien durchgeführt werden.

Mögliche Folgeerkrankungen

  • Dosisabhängig steigt das Krebsrisiko; Patienten, bei denen CTs durchgeführt worden waren [5]:
    • hatten für das Schilddrüsenkarzinom ein 2,5-fach erhöhtes Risiko und das Leukämierisiko war um um gut 50 % erhöht; am deutlichsten war die Risikosteigerung bei Frauen bis 45 Jahren
    • ließ sich für das Non-Hodgkin-Lymphom (NHL) eine Risikosteigerung nur bis zum Alter von 45 Jahren nachweisen; im Alter unter 35 Jahren war eine CT mit einem 2,7-fach höheren Erkrankungsrisiko assoziiert; im Alter zwischen 36 und 45 Jahren mit einem 3,05-fachen Risiko

Literatur

  1. Kramme R: Medizintechnik: Verfahren – Systeme – Informationsbearbeitung. Springer Verlag 2006
  2. Buzug T: Einführung in die Computertomographie: Mathematisch-physikalische Grundlagen der Bildrekonstruktion. Springer Verlag 2005
  3. Goretzki G: Medizinische Strahlenkunde: Physikalisch-technische Grundlagen. Elsevier Verlag 2004
  4. Johnson T: Dual Energy CT in Clinical Practice. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
  5. Shao YH et al.: Exposure to Tomographic Scans and Cancer Risks. JNCI Cancer Spectrum 19 November 2019, pkz072, https://doi.org/10.1093/jncics/pkz072
     
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