Computertomographie (CT): Technik, Indikationen, Risiken und moderne Entwicklungen

Die Computertomographie (CT) – auch bekannt als CT-Scan oder Computer Axial Tomography – ist ein modernes bildgebendes Verfahren, das auf der Kombination von Röntgentechnik (Röntgenstrahlung) und computerbasierter Bildrekonstruktion (Bildberechnung am Computer) basiert. Sie ermöglicht die Erstellung überlagerungsfreier Querschnitts- und Volumenbilder (3D-Aufnahmen) nahezu aller Körperregionen und stellt heute eines der wichtigsten Verfahren der medizinischen Bildgebung dar.

Die Bildgebung erfolgt durch rotierende Röntgenstrahlen, die in verschiedenen Winkeln durch den Körper gesendet und von gegenüberliegenden Detektoren (Strahlenempfängern) gemessen werden. Die daraus errechneten Schwächungswerte der Gewebe werden in sogenannte Hounsfield-Einheiten (HU) umgerechnet, die eine differenzierte Darstellung von Gewebedichten in Graustufen ermöglichen. Dabei gelten typische HU-Werte wie:

Luft: -1.000 HU
Wasser: 0 HU
Knochen: +300 bis +1.000 HU
Metall: > 1.000 HU

Zur Beschreibung der Gewebedichte werden die Begriffe hypodens (weniger dicht) und hyperdens (dichter) verwendet. Besonders vorteilhaft ist die CT bei der Darstellung von Strukturen, die in der konventionellen Röntgendiagnostik (klassisches Röntgenbild) überlagert wären – etwa bei Weichteilen (Muskeln, Organe), Gefäßen oder komplexen Frakturen (Knochenbrüchen).

Historische Entwicklung und Gerätetypen

Die CT wurde in den 1960er-Jahren von Allan Cormack und Godfrey Hounsfield entwickelt, wofür sie später den Nobelpreis erhielten. Seitdem hat sich die Technologie in mehreren Schritten weiterentwickelt:

1. Generation – Translation-Rotations-Prinzip (Bewegung von Seite zu Seite und Drehung) mit Einzelstrah
2. Generation – Verwendung mehrerer Röntgenstrahlen
3. Generation – Fächerstrahltechnik (strahlenförmige Verteilung) mit rotierender Röhre und Detektoren
Spiral-CT – kontinuierliche Bewegung von Patiententisch und Röhre (seit 1989)
Multidetektor-CT (MDCT) – parallele Detektorzeilen für große Volumenbereiche
Dual-Source-CT – zwei Röntgenröhren und Detektorsysteme für schnellere Scans
Photonenzählende CT – hochauflösende spektrale Bildgebung (Trennung von Röntgenenergien) mit Dosisreduktion

Aufbau und Funktionsweise eines modernen CT-Systems

Ein heutiger Computertomograph besteht aus zwei zentralen Komponenten: dem Frontend, also dem eigentlichen Scanner mit Röntgenröhre, Detektorsystem, Rotationsmechanik und Kühlung, sowie dem Backend, das aus der Steuerkonsole und der Bildverarbeitungsstation besteht. Die erzeugten Rohdaten werden mithilfe komplexer Rekonstruktionsalgorithmen (z. B. durch künstliche Intelligenz) in diagnostisch nutzbare Bilder umgewandelt.

Die eingesetzte Röntgenstrahlung entsteht durch die Beschleunigung von Elektronen auf eine Anode (positiver Pol), wobei durch Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung Photonen (Lichtteilchen) erzeugt werden, die das Körpergewebe durchdringen. Je nach Dichte und Zusammensetzung des Gewebes variiert dessen Absorption (Aufnahme der Strahlung), was sich im Grauwert des Bildes widerspiegelt.

Klinische Einsatzgebiete der CT

Die CT kommt in nahezu allen medizinischen Fachdisziplinen zum Einsatz. Zu den wichtigsten Indikationen (Anwendungsgebieten) gehören:

Neurologie / Neuroradiologie

Schlaganfall (Durchblutungsstörung des Gehirns), Hirnblutung, Tumoren, Hydrozephalus (Wasserkopf)

Thoraxdiagnostik

Lungenembolie (Blutgerinnsel in der Lunge)
Lungenkrebs-Screening (Früherkennung), Pneumonie (Lungenentzündung), Lungenfibrose

Kardiologie

Koronar-CT-Angiographie (Darstellung der Herzkranzgefäße)
Beurteilung von Stents (Gefäßstützen), Plaques (Ablagerungen) und Calciumscore (Verkalkungsgrad)
Dual-Source-Technologie: Untersuchung auch bei Herzrhythmusstörungen möglich

Abdomen und Becken

Tumorstaging (Beurteilung der Ausbreitung von Krebs)
Blinddarmentzündung, Divertikulitis (Entzündung von Darmausstülpungen), Darmdurchblutungsstörung
CT-Kolonographie (virtuelle Darmspiegelung)

Traumatologie

Polytrauma-Diagnostik (Mehrfachverletzung nach Unfall)
Knochenbrüche, Organverletzungen

Interventionelle Verfahren

CT-gesteuerte Gewebeproben (Biopsien)
CT-gestützte Gewebezerstörung bei Tumoren (Thermoablation mit Radiofrequenz oder Mikrowelle)

Pädiatrie / Spezialprotokolle

Low-Dose-CT (niedrig dosierte Bildgebung) bei Mukoviszidose, chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und zur Bestimmung des Skelettalters bei Kindern

Vorteile der Computertomographie

Überlagerungsfreie Darstellung aller Körperregionen
Hohe Auflösung, auch bei Weichteilen und Gefäßen
Sehr schnelle Untersuchung, ideal im Notfall
3D-Bildgebung möglich
Vielfältige Spezialprotokolle, z. B. mit Kontrastmittel, geringer Strahlendosis oder spektraler Auflösung

Strahlenexposition und Risiken

Die Strahlenbelastung der CT ist deutlich höher als bei einer klassischen Röntgenaufnahme. Das Risiko für strahlenbedingte Krebserkrankungen steigt dabei mit der Dosis. Besonders empfindlich sind Kinder und junge Frauen.

Eine große Studie aus dem Jahr 2019 zeigte [5]:

Schilddrüsenkrebs: 2,5-fach erhöhtes Risiko
Leukämie: ca. 1,5-fach erhöhtes Risiko
Non-Hodgkin-Lymphom:
- Unter 35 Jahren: 2,7-fach erhöht
- Zwischen 36-45 Jahren: 3,05-fach erhöht

Zur Risikominimierung werden heute spezielle Protokolle eingesetzt:

Low-Dose- und Ultra-Low-Dose-Techniken
KI-basierte Bildrekonstruktionen mit geringerer Strahlenmenge
Zielgerichtete Kontrastmitteldosierung

Literatur

Kramme R: Medizintechnik: Verfahren – Systeme – Informationsbearbeitung. Springer Verlag 2006
Buzug T: Einführung in die Computertomographie: Mathematisch-physikalische Grundlagen der Bildrekonstruktion. Springer Verlag 2005
Goretzki G: Medizinische Strahlenkunde: Physikalisch-technische Grundlagen. Elsevier Verlag 2004
Johnson T: Dual Energy CT in Clinical Practice. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
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