Computertomographie

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CT-Scan
Moderní výpočetní tomografie s přímo digitální detekcí rentgenového záření.jpg
Moderner CT-Scanner
Andere BezeichnungenRöntgen-Computertomographie (Röntgen-CT), computergestützte axiale Tomographie (CAT-Scan), computergestützte Tomographie, Computertomographie-Scan
ICD-10-PCSB?2
ICD-9-CM88.38
MeSHD014057
OPS-301-Code3–20...3–26
MedlinePlus003330
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Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren in der Medizin, mit dem detaillierte Bilder aus dem Körperinneren gewonnen werden können. Das Personal, das CT-Scans durchführt, wird Röntgenassistent oder Radiologietechnologe genannt.

CT-Scanner verwenden eine rotierende Röntgenröhre und eine Reihe von Detektoren, die in einer Gantry angeordnet sind, um die Abschwächung der Röntgenstrahlen durch verschiedene Gewebe im Körper zu messen. Die aus verschiedenen Winkeln aufgenommenen Röntgenaufnahmen werden dann auf einem Computer mit Hilfe von Algorithmen zur tomografischen Rekonstruktion verarbeitet, um tomografische (Querschnitts-)Bilder (virtuelle "Scheiben") eines Körpers zu erstellen. Die CT kann bei Patienten mit Metallimplantaten oder Herzschrittmachern eingesetzt werden, bei denen eine Magnetresonanztomographie (MRT) kontraindiziert ist.

Seit ihrer Entwicklung in den 1970er Jahren hat sich die CT als vielseitiges bildgebendes Verfahren erwiesen. Die CT wird vor allem in der medizinischen Diagnostik eingesetzt, kann aber auch zur Darstellung von nicht lebenden Objekten verwendet werden. Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1979 wurde dem südafrikanisch-amerikanischen Physiker Allan M. Cormack und dem britischen Elektroingenieur Godfrey N. Hounsfield "für die Entwicklung der computergestützten Tomographie" verliehen.

16-Zeilen-Multidetektor-CT

Die Computertomographie bzw. Computertomografie (von altgriechisch τομή tomé, deutsch ‚Schnitt‘ und γράφειν gráphein, deutsch ‚schreiben‘), Abkürzung CT, ist ein bildgebendes Verfahren in der Radiologie. Alternative Bezeichnungen sind CT-Scan, CAT-Scan (von computer-assisted tomography oder computed axial tomography) oder Schichtröntgen.

Im Gegensatz zur Röntgentomographie wird bei der Computertomographie ein Computer benutzt, um aus den Absorptionswerten von Röntgensignalen, die aus verschiedenen Richtungen durch den Körper treten, digital Schnittbilder zu errechnen.

Obgleich die ersten Geräte im Jahre 1972 nur eine – im Vergleich zu heutigen Geräten – sehr eingeschränkte Funktionalität aufwiesen, wurde die Computertomographie sofort akzeptiert, denn die Bilder bieten im Gegensatz zu einer normalen Röntgenaufnahme eine überlagerungsfreie Darstellung der Körperstrukturen. Außerdem konnten erstmals Gewebearten mit unterscheidender Schwächung für Röntgenstrahlung dargestellt werden, was bis dahin nur sehr eingeschränkt möglich war.

Verwandte Verfahren sind die digitale Volumentomographie und die Rotationsangiographie.

Funktionsweise

CT-Scanner mit entfernter Abdeckung, um die internen Komponenten zu zeigen. Legende:
T: Röntgenröhre
D: Röntgendetektoren
X: Röntgenstrahl
R: Gantry-Rotation
Das linke Bild ist ein Sinogramm, eine grafische Darstellung der Rohdaten eines CT-Scans. Rechts ist ein aus den Rohdaten abgeleitetes Bildmuster zu sehen.

Die Computertomografie arbeitet mit einem Röntgengenerator, der sich um das Objekt dreht; die Röntgendetektoren befinden sich auf der der Röntgenquelle gegenüberliegenden Seite des Kreises. Während die Röntgenstrahlen den Patienten durchdringen, werden sie je nach Gewebedichte von den verschiedenen Geweben unterschiedlich stark abgeschwächt. Eine visuelle Darstellung der gewonnenen Rohdaten wird als Sinogramm bezeichnet, reicht aber für die Interpretation nicht aus. Nach der Erfassung der Scandaten müssen diese mit einer Art tomographischer Rekonstruktion verarbeitet werden, die eine Reihe von Querschnittsbildern erzeugt. Diese Querschnittsbilder bestehen aus kleinen Einheiten von Pixeln oder Voxeln.

Die Pixel in einem durch CT-Scannen gewonnenen Bild werden in Form einer relativen Radiodichte dargestellt. Das Pixel selbst wird entsprechend der mittleren Abschwächung des Gewebes/der Gewebe, dem/denen es entspricht, auf einer Skala von +3,071 (stärkste Abschwächung) bis -1,024 (geringste Abschwächung) auf der Hounsfield-Skala dargestellt. Pixel ist eine zweidimensionale Einheit, die auf der Matrixgröße und dem Sichtfeld basiert. Bezieht man die Dicke der CT-Schicht mit ein, wird die Einheit als Voxel bezeichnet und ist eine dreidimensionale Einheit.

Wasser hat eine Dämpfung von 0 Hounsfield-Einheiten (HU), während Luft -1.000 HU, Spongiosa typischerweise +400 HU und Schädelknochen 2.000 HU oder mehr (Os temporale) erreichen und Artefakte verursachen können. Die Dämpfung von Metallimplantaten hängt von der Ordnungszahl des verwendeten Elements ab: Titan hat in der Regel einen Wert von +1000 HU, Eisenstahl kann die Röntgenstrahlung vollständig auslöschen und ist daher für die bekannten Linienartefakte in Computertomogrammen verantwortlich. Artefakte werden durch abrupte Übergänge zwischen Materialien mit niedriger und hoher Dichte verursacht, was zu Datenwerten führt, die den Dynamikbereich der Verarbeitungselektronik überschreiten. Zweidimensionale CT-Bilder werden üblicherweise so gerendert, dass die Ansicht so ist, als würde man von den Füßen des Patienten aus auf das Bild schauen. Die linke Seite des Bildes ist also die rechte Seite des Patienten und umgekehrt, während die vordere Seite des Bildes auch die vordere Seite des Patienten ist und umgekehrt. Dieser Links-Rechts-Wechsel entspricht der Sichtweise, die Ärzte im Allgemeinen in der Realität haben, wenn sie vor dem Patienten stehen.

Ursprünglich wurden bei CT-Scans Bilder in der transversalen (axialen) anatomischen Ebene erzeugt, die senkrecht zur Längsachse des Körpers verläuft. Mit modernen Scannern können die Scandaten zu Bildern in anderen Ebenen umformatiert werden. Die digitale Geometrieverarbeitung kann aus einer Reihe zweidimensionaler Röntgenbilder, die durch Rotation um eine feste Achse aufgenommen wurden, ein dreidimensionales Bild eines Objekts im Inneren des Körpers erzeugen. Diese Querschnittsbilder werden häufig für die medizinische Diagnose und Therapie verwendet.

Beim CT kommt als Röntgenstrahl ein Fächerstrahl zum Einsatz. In klinischen CTs steht er allerdings senkrecht und nicht, wie in diesem Bild gezeigt, waagerecht. Röhre und Detektor rotieren bei Geräten der dritten Generation um das Untersuchungsobjekt

Beim herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm abgebildet. Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. In Strahlrichtung hintereinander liegende Bildteile des durchleuchteten Körpers überlagern sich zwangsläufig. Dadurch kann beispielsweise nicht unterschieden werden, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung (helle Bereiche im Bild) durch ein Material höherer Absorption oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde (siehe Lambert-Beersches Gesetz).

In der Computertomographie werden Absorptionsprofile des Objekts aus vielen Richtungen erstellt und daraus die Volumenstruktur rekonstruiert. Im Gegensatz zum klassischen Röntgen bestehen die gemessenen Daten nicht aus einem zweidimensionalen Bild, sondern sind ein eindimensionales Absorptionsprofil. (In heutigen Geräten werden bei einem Röhrenumlauf jedoch mehrere, bis zu 320 derartige Zeilen ausgelesen.)

Erst durch die computergestützte Bildrekonstruktion, die heute häufig mit dem Algorithmus der gefilterten Rückprojektion erfolgt, kann für jedes Volumenelement des Objektes (sog. Voxel, entspricht einem dreidimensionalen Pixel) der Absorptionsgrad ermittelt und das Bild errechnet werden.

Das errechnete Bild ist ein Transversalschnitt durch das Untersuchungsobjekt. Mit mehreren aufeinander folgenden Röhrenumläufen lassen sich angrenzende Schnitte erzeugen. Volumengrafiken setzen sich aus mehreren Dutzend, bis zu mehreren hundert Einzelschnitten zusammen.

Für die Bildentstehung beim Computertomographen ist ein Computer zwingende Voraussetzung, da das Bild nicht wie beim klassischen Röntgenverfahren unmittelbar entsteht, sondern erst aus den gemessenen Daten errechnet werden muss. Für die Berechnung eines CT-Bildes sind Projektionen nötig, die mindestens eine 180°-Rotation um das abzubildende Objekt abdecken.

Aufbau

Jeder CT-Scanner besitzt einen kurzen Ringtunnel, auch Gantry genannt, sowie einen elektromotorisch beweglichen Tisch, auf dem der Patient bzw. das Untersuchungsobjekt liegt. Im Rahmen der Untersuchung wird das zu untersuchende Körperteil oder Objekt parallel zum Aufnahmeprozess durch diesen Tunnel gefahren. Für die Erzeugung der Hochspannung, Berechnung der Daten und Steuerung des Gerätes sind meist noch ein oder mehrere Schaltschränke vorhanden, die jedoch variabel platzierbar sind. Sie können sich im Untersuchungsraum, im Bedienraum oder in einem getrennten Raum befinden. Außerhalb des Untersuchungsraumes befindet sich die Bedienkonsole, mit der das Personal den Ablauf der Untersuchung steuert.

Geschichte

Der erste klinische CT der Firma EMI

Die mathematischen Grundlagen der heute genutzten Computertomographie wurden 1917 durch den österreichischen Mathematiker Johann Radon entwickelt. Die Radontransformation bildet die Grundlage zur Berechnung räumlicher Aufnahmen eines Objektes und seiner von Röntgenstrahlen durchdringbaren Innenstruktur mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion.

In den 1930er Jahren wurden im Rahmen der konventionellen Radiologie tomographische Verfahren entwickelt.

Allan M. Cormack erarbeitete zwischen 1957 und 1963 Studien über die Absorption von Röntgenstrahlung durch menschliche Gewebe und entwickelte unabhängig von Radons Arbeiten dazu passende mathematische Methoden; er postulierte darauf aufbauend, dass auch geringe Absorptionsunterschiede darstellbar seien. Wie sich Cormack 1992 erinnerte, musste er das mathematische Problem allerdings selbst lösen, da er erst 1972 durch Zufall von Radons grundlegender Arbeit erfuhr. Im Rahmen seiner Nachforschungen entdeckte er auch, dass Radon seinerseits auf Vorarbeiten von Hendrik Antoon Lorentz hätte zurückgreifen können, die ihm aber ebenfalls nicht bekannt waren. Unter anderem in Ermangelung eines Computers konnte Cormack seine Ideen jedoch nicht in Form konkreter Apparaturen umsetzen.

Erst der bei EMI angestellte Elektrotechniker Godfrey Hounsfield realisierte im Jahr 1969 Prototypen und brachte sie zur Marktreife. Er kannte die Vorarbeiten von Cormack nicht und musste die Algorithmen für die Bildrekonstruktion ebenfalls aufwändig selbst entwickeln.

Bei Hounsfields ersten Laborgeräten wurde im Jahr 1969 noch eine Isotopenquelle als Strahlenquelle verwendet, und die Abtastzeit betrug neun Tage. Cormack und Hounsfield erhielten für ihre Arbeiten 1979 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Nach einer Reihe von Tieruntersuchungen zum Beleg der Unbedenklichkeit wurde die erste CT-Aufnahme an einem Menschen im Jahr 1971 aufgenommen. Schon 1972 wurde der erste kommerzielle Computertomograph, der EMI Mark 1, für die klinische Anwendung im Londoner Atkinson Morley Hospital installiert. Ende 1974 hatte EMI 60 derartige Scanner verkauft und installiert. In Deutschland wurde 1976 im Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg unter der Leitung von Walter Lorenz der erste Ganzkörper-Computertomograph in Betrieb genommen.

Die Geschichte der Röntgen-Computertomografie reicht mindestens bis 1917 zurück, als die mathematische Theorie der Radon-Transformation aufgestellt wurde. Im Oktober 1963 erhielt William H. Oldendorf ein US-Patent für ein "Strahlungsgerät zur Untersuchung ausgewählter Bereiche im Inneren von Objekten, die durch dichtes Material verdeckt sind". Der erste kommerziell nutzbare CT-Scanner wurde 1972 von Godfrey Hounsfield erfunden.

Etymologie

Das Wort "Tomographie" leitet sich von den griechischen Wörtern tome (Scheibe) und graphein (schreiben) ab. Ursprünglich war die Computertomografie als "EMI-Scan" bekannt, da sie in den frühen 1970er Jahren in einer Forschungsabteilung von EMI entwickelt wurde, einem Unternehmen, das heute vor allem für sein Musik- und Schallplattengeschäft bekannt ist. Später wurde sie als axiale Computertomographie (CAT oder CT-Scan) und Körperschnitt-Röntgenographie bezeichnet.

Der Begriff "CAT-Scan" wird nicht mehr verwendet, da die heutigen CT-Scans multiplanare Rekonstruktionen ermöglichen. Daher ist "CT-Scan" der am besten geeignete Begriff, der von Radiologen im allgemeinen Sprachgebrauch sowie in Lehrbüchern und wissenschaftlichen Arbeiten verwendet wird.

In den Medical Subject Headings (MeSH) wurde von 1977 bis 1979 der Begriff "computed axial tomography" verwendet, aber die aktuelle Indizierung enthält ausdrücklich "X-ray" im Titel.

Der Begriff Sinogramm wurde 1975 von Paul Edholm und Bertil Jacobson eingeführt.

Meilensteine der CT-Entwicklung

Die Geschichte der Computertomographie ist voller Innovationen, die alle Teilbereiche des Gerätes betreffen. Sie betreffen die Anordnung und Bauart von Gantry, Röhre und Detektor, aber auch die für die Bildrekonstruktion verwendeten Algorithmen. Die Entwicklungsschritte waren insbesondere in den Anfangsjahren der Computertomographie groß und zielten in dieser Zeit vor allem auf eine Verkürzung der Untersuchungszeit ab.

Gerätegenerationen

Die Änderungen der Art der Datenerfassung (Anordnung, Bewegung und Bauart von Röhre und Detektor) waren so fundamental, dass sie mit dem Begriff „Gerätegeneration“ beschrieben wurden. Diese Zählung endete jedoch mit der fünften Generation. Praktisch alle heute auf dem Markt angebotenen Computertomographen für die Diagnostik am Menschen sind Rotate-Rotate-Geräte, also Geräte der dritten Generation.

Nachbau des ersten CTs
  • Translation-Rotations-Scanner – Bei diesen Geräten der ersten Generation war eine Röntgenröhre, die einen Nadelstrahl aussandte, einem einzelnen Detektor zugeordnet. Detektor und Röhre bewegten sich translatorisch im festen Abstand zueinander und tasteten die zu untersuchende Schicht so ab wie – bildhaft gesprochen – eine Bandsäge ein Stück Holz durchsägt. Das Stück Holz entspricht dem Untersuchungsobjekt (= Kopf des Patienten) und das Sägeblatt dem Röntgenstrahl. Nach jeder solchen Aufnahme, bei der 160 Messwerte erfasst wurden, drehte sich Röhre und Detektor um 1° um die Mitte des Untersuchungsobjektes und tasteten erneut eine Zeile ab. Der EMI Mark 1 nahm so in 5 Minuten 180 Projektionen auf. Der Detektor war zweizeilig, die Schichtdicke betrug 13 mm, die Auflösung 3 Linienpaare/cm. Nach einer Rechenzeit von 35 Minuten konnten 6 × 2 Bilder in einer Matrix von 80 × 80 = 6400 Bildpunkten, errechnet aus insgesamt 28.800 Daten, dargestellt werden.
Bei Geräten dieser Generation handelte es sich meist um reine Schädelscanner, also Geräte mit denen ausschließlich Aufnahmen des Kopfes möglich waren. ACTA (automated computerized transverse axial), der erste in Washington im Jahr 1973 installierte „Körperscanner“, ermöglichte erstmals auch Aufnahmen von Brust- und Bauchraum. Er funktionierte ebenfalls nach dem Translations-Rotationsprinzip und hatte ein axiales Gesichtsfeld von 48 cm, das er während einer 6 Minuten dauernden Aufnahme abtastete.
  • Geräte der zweiten Generation, die ebenfalls schon 1972 auf den Markt kamen, tasteten das Untersuchungsobjekt auf dieselbe Weise ab, es kam jedoch ein Fächerstrahl zur Anwendung, der auf zehn Detektoren projizierte. Auch nahezu alle Geräte der zweiten Generation waren reine Schädelscanner, die lediglich Aufnahmen vom Kopf ermöglichten.
  • 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. Diese Geräte der dritten Generation kamen im Jahr 1975 auf den Markt und erlaubten erstmals, binnen 20 Sekunden die Daten einer Schicht zu erfassen. Hierdurch war es möglich, den Brust- und Bauchbereich während einer Atemanhaltephase aufzunehmen und damit die bisher unvermeidbaren Atmungsverwischungen zu vermeiden.
  • 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. Diese vierte Generation folgte im Jahre 1978, konnte sich aber nicht durchsetzen und verschwand bald wieder vom Markt.
  • Elektronenstrahl-Scanner – Diese Geräte der fünften Generation wurden ca. bis zur Jahrtausendwende gebaut. Es bewegen sich hier 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 den Elektronenstrahl einer Elektronenkanone dient. Nach dem Prinzip einer Braunschen Röhre wird dieser Elektronenstrahl, mittels elektromagnetischer Felder, jeweils zur gewünschten Position auf dem Targetring gelenkt. Wo er auftrifft, entsteht Röntgenstrahlung, die den Patienten durchleuchtet. Um die vollen 360 Grad des Ringes abdecken zu können, werden mehrere Elektronenkanonen und Ablenkanordnungen verwendet, die in regelmäßigen Abständen um das Target herum angebracht sind. Durch diese Technik konnten extrem schnell Bilder erzeugt werden, sogar Echtzeitaufnahmen vom schlagenden Herzen waren möglich, da sich während der Aufnahme keine mechanischen Teile bewegten, sondern lediglich der Elektronenstrahl um den Patienten geführt werden musste. Dies war im Millisekundenbereich möglich, während die schnellsten CTs selbst heute für eine 360°-Aufnahme noch mehrere zehntel Sekunden benötigen. Diese Geräte haben sich wohl aufgrund des hohen technischen Aufwands und damit des hohen Preises im medizinischen Alltag nicht durchgesetzt, wurden jedoch aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung von bis zu 30 ms in der Kardiologie sehr lange verwendet. CT-Aufnahmen des Herzens hoher Qualität können heute mit hochzeiligen Spiral-CTs (64–640 Zeilen) in vergleichbarer bzw. besserer Qualität bei weit geringeren Kosten erstellt werden.

Schleifringtechnik

Auch bei den CTs der 3. Generation waren Röhre und Detektor anfangs über Kabel mit der Gantry verbunden, weswegen nach einer erfolgten 360°-Umdrehung die Röhre zurückgedreht werden musste. Die kürzeste mögliche Aufnahmezeit betrug mit dieser Technik bei den schnellsten Geräten zwei Sekunden. Kliniker wünschten jedoch noch schnellere Aufnahmen und so kamen die ersten Computertomographen mit Schleifringtechnologie auf den Markt. Die ersten „Dauerrotierer“ wurden im Jahr 1987 von den Firmen Siemens (Somatom Plus) und Toshiba (TCT 900S) auf den Markt gebracht. Die kürzeste Zeit für eine volle 360°-Umdrehung lag bei diesen Geräten bei etwa einer Sekunde.

Spiral- oder Helix-CT

Bewegung der Röhre beim Spiral-CT

In der Anfangszeit der Computertomographie wurde ausschließlich axial gescannt. Bei diesem Aufnahmeverfahren wurde der Tisch nach jeder vollen 360°-Rotation der Röhre um den Patienten ein klein wenig verschoben. Der Verschiebeweg war so groß wie die gewählte Schichtdicke, also ca. 5–15 mm. Zum Verfahren des Tisches war mehr als genug Zeit, da sich die Röhre in Gegenrichtung zurückdrehen musste, schließlich waren Röhre und Detektorsystem über Kabel mit der Gantry verbunden. Jedoch wurde dieser Modus auch nach Einführung der „Dauerrotierer“ im Jahr 1987 zunächst beibehalten. Damit fiel lediglich das Zurückdrehen der Röhre weg. Eine Aufnahme bestand also aus einer kontinuierlichen Röhrenrotation bei schrittweisem Tischvorschub, der nach jeder vollen Röhrenumdrehung erfolgte. Ein Spiralmodus, bei dem sich sowohl Röhre wie auch Detektorsystem kontinuierlich bewegen, war zwar verschiedentlich diskutiert und publiziert worden, aber die Mehrheit der Hersteller lehnte eine derartige Aufnahmetechnik ab. Eine Verschiebung des Patienten während der Röhrenrotation galt als Quelle schwerer Bildartefakte und die Spiral-CT wurde spöttisch als „Methode zur Erzeugung von Artefakten in der CT“ bezeichnet.

Dennoch führte der deutsche Physiker Willi A. Kalender im Jahr 1989 die Spiral-CT erfolgreich ein. Das erste Gerät, das in diesem Modus arbeitete, war der Siemens Somatom Plus. Die gefürchteten Artefakte konnten mit dem Algorithmus der „Z-Interpolation“ beseitigt werden. Innerhalb von zwei Jahren brachten auch alle anderen großen CT-Hersteller Geräte heraus, die im Spiral-Modus arbeiten, das Verfahren war akzeptiert. Die schnelle Verbreitung war möglich, da zur damaligen Zeit Algorithmen nicht patentierbar waren, die Z-Interpolation daher von allen Herstellern übernommen werden konnte. Alle heutigen Geräte arbeiten im Spiralverfahren, bei dem der Patient mit konstanter Geschwindigkeit entlang seiner Längsachse durch die Strahlenebene bewegt wird, während die Strahlenquellendetektoreinheit mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert. Je nach Gerät können mehrere Axialebenen – 2 bis maximal 320 – (Toshiba, Stand 2009) gleichzeitig eingelesen werden (Mehrschicht- oder Multislice-Verfahren / Mehrschicht- oder Mehrzeilenspiralcomputertomographie [MSCT]). Dadurch ist das Verfahren schneller und es lassen sich Bewegungsartefakte (z. B. durch die Atmung) reduzieren. Neben der hohen Geschwindigkeit ist ein weiterer Vorteil der modernen Mehrschicht-Spiral-CT die Gewinnung von Datensätzen mit isotropen Voxeln. Isotrope Voxel haben die Form von Würfeln. Dadurch ist eine multiplanare Reformation in beliebigen Bildebenen (axial, sagittal, koronal) ohne einen Verlust an (Detail-)Auflösung oder auch eine schräge (oblique) und gekrümmte (curved) sowie eine qualitativ hochwertige 3D-Rekonstruktion möglich. In Spiral-CTs werden Hochleistungs-Drehanodenröhren verwendet.

Mehrzeilen-CT

Die Firma Elscint stellte im Jahr 1992 als erster Hersteller einen Computertomographen der dritten Generation vor, der bei einem Röhrenumlauf zwei Schnitte gleichzeitig aufnahm. Alle anderen Hersteller klinischer CTs zogen nach und die Schichtzahl verdoppelte sich auf 4 im Jahr 1998, wuchs über 6 und 8 Zeilen auf 16 im Jahr 2001, weiter auf 20, 32 und 40 Zeilen auf 64 im Jahr 2006 und erreichte mit 640 (320 Zeilen, doppelt ausgelesen) gleichzeitig akquirierbaren Bildzeilen beim Toshiba Aquilion ONE im Jahr 2011 bis heute ihren Gipfel. Die entscheidenden Vorteile der Mehrschicht-Systeme liegen in der reduzierten Scanzeit, der Verringerung der Schichtdicke und der Erhöhung der Scanlänge.

Dual-Source-Computertomographie

Prinzip des Dual-Source-Scanners
Dual-Source-CT

Ein Dual-Source-Computertomograph wurde 2005 von Siemens vorgestellt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Computertomographen arbeiten im Dual-Source-Computertomographen zwei rotierende, um 90 Grad versetzt angeordnete Röntgenstrahler gleichzeitig. Damit kann die Aufzeichnungszeit halbiert werden, was besonders für die Herzbildgebung nützlich ist. Die beiden Röhren können mit unterschiedlicher Spannung betrieben werden.

Zwei-Spektren-CT bzw. Multi-Energy-Computertomographie

Das in der Fotografie für die Bildgebung verwendete sichtbare Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge; analog besteht das für die Computertomographie verwendete Röntgenspektrum einer Röntgenröhre ebenfalls aus elektromagnetischen Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Konventionelle Computertomographen quantifizierten die Schwächung des gesamten einfallenden Röntgenspektrums; die unterschiedliche Absorptionscharakteristik eines Gewebes für unterschiedliche Wellenlängen bleibt dabei unberücksichtigt.

Die Schwächungseigenschaften von Geweben und Kontrastmittel sind von der Photonenenergie der verwendeten Röntgenstrahlung abhängig. Da im CT-Bild die Hounsfield-Werte von Kontrastmittel denen von Kalzifikationen ähneln, ist beispielsweise die Differenzierung zwischen Koronarkalk und Kontrastmittel im konventionellen CT-Bild bisweilen schwierig. Da Kontrastmittel im niederenergetischen Spektrum aber eine deutlich höhere Absorption als im höherenergetischen Spektralbereich zeigt, kann mit Hilfe der Multi-Energy-Computertomographie eine Differenzierung zwischen Kalk, bzw. Knochen und Kontrastmittel erfolgen. Knochen und Kalk können so einfach und zuverlässig aus dem Bild entfernt werden, wenn sie die Darstellung und Befundung anderer Bereiche behindern. Da sich mit der Zwei-Spektren-CT auch die Zusammensetzung des untersuchten Gewebes analysieren lässt, ist eine Charakterisierung von Nierensteinen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung möglich. Mit dieser Technologie können auch Blutungen besser beurteilt und die Perfusion des Myokard dargestellt werden.

In den 1990er Jahren bot die Firma Siemens mit dem Somatom DR ein Gerät an, mit dem zwei Aufnahmen, die mit unterschiedlichen Strahlenspektren gewonnen, überlagert und ausgewertet werden konnten. Dieses, von Siemens „Zwei-Spektren-CT“ genannte Verfahren, erlaubte schon damals, präzise Knochendichtemessungen durchzuführen, sowie Bilder zu errechnen, die aussahen, als wären sie mit monochromatischer Röntgenstrahlung erstellt worden. Außerdem waren sie vollkommen frei von Artefakten, die durch Strahlaufhärtung verursacht werden. Das Verfahren setzte sich jedoch nicht durch. Es führte zu doppelter Strahlenbelastung und doppelter Untersuchungszeit, was als dem klinischen Gewinn nicht angemessen betrachtet wurde.

Geräte von Siemens, General Electric und Toshiba boten im Jahr 2013 die Möglichkeit der Zwei-Spektren-CT.

Die Umsetzung dieser Technik variiert heute (2018) je nach Preissegment und Hersteller. Es gibt Lösungen, bei denen zwei Röntgenröhren verwendet werden, die mit unterschiedlichen Spannungen angesteuert werden, Lösungen, wo hintereinander derselbe Abschnitt mit derselben Röhre, aber unterschiedlichen Röhrenspannungen aufgenommen wird und Lösungen, bei denen die Röntgenröhre während eines Umlaufs im Millisekundenbereich schnell zwischen zwei Röhrenspannungen umschaltet. Eine dritte Variante stellt der sogenannte "Spektral-CT" dar. In diesem Fall wird ein spezieller Yttrium-Detektor verwendet, welcher zwei Energie-Niveaus gleichzeitig auswertet. Der Vorteil hierbei liegt in der permanenten Verfügbarkeit von multienergetischen Datensätzen, sowie der geringeren Patientendosis im Vergleich zu Systemen mit 2 Röhren, da lediglich eine Strahlungsquelle verwendet wird. Des Weiteren wird damit der zeitliche Versatz bei der Aufnahme der unterschiedlichen Energieniveaus eliminiert. Derzeit ist Philips der einzige Anbieter der diese Technologie am Markt anbietet.

Iterative Bildrekonstruktion

Iterative Rekonstruktion in der Computertomografie: 1 mm Schichtdicke, 120 kV, 20 mAs. Links gefilterte Rückprojektion, Mitte iterative Rekonstruktion erste Generation, rechts iterative Rekonstruktion Modell-basiert. Insbesondere bei wenig Dosis und dünnen Schichten ist die deutliche Reduktion des Rauschens im Bild gut zu erkennen. Hier apikaler Pneumothorax rechts.

Vom CT aufgenommene Rohdaten wurden mit Ausnahme der allerersten Geräte (EMI Mark1) durchgängig mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion in Schnittbilder umgerechnet. Mit erheblich rechenintensiveren iterativen Bildrekonstruktionsalgorithmen kann die für eine Untersuchung nötige Strahlendosis bei gleichbleibender Bildqualität jedoch um 30 bis 60 % gesenkt werden. Bei GE wird der Algorithmus ASIR (Adaptive Statistical Iterative Reconstruction) bzw. MBIR (Model based iterative Reconstruction) genannt; ASIR ist seit dem Jahr 2009 in kommerziell erhältlichen Geräten verfügbar, MBIR noch in Entwicklung; Philips nennt seinen Algorithmus iDose bzw. IMR, bei Siemens wird er IRIS (Iterative Reconstruction in Image Space) genannt und bei Toshiba AIDR (Adaptive Iterative Dose Reduction). In ersten Studien konnten durch ASIR Untersuchungen mit im Mittel 2,6 mSv anstatt wie bisher 3,8 mSv durchgeführt werden. Laut Herstellerangaben ist das Potential des Verfahrens bislang (Stand 2010) noch nicht voll ausgenutzt; die Strahlenbelastung kann künftig bei gleichbleibender Bildqualität durch Einsatz von erheblich mehr Rechenleistung nochmals weiter reduziert werden.

KI-basierte Bildrekonstruktion

Seit dem Jahr 2019 ist auch eine KI-basierte Bildrekonstruktion verfügbar. Herstellerseitig wird mit einer gegenüber teiliterativer Verfahren reduzierten Strahlendosis bei verringertem Rauschen und verbesserter Detailauflösung geworben. Mit Hilfe dieses Algorithmus sei es möglich, die Bildqualität einer modellbasierten Rekonstruktion (MBIR) bei der Rekonstruktionsgeschwindigkeit eines teiliterativen Verfahrens zu erhalten.

Mobile Geräte

Seit den 1990er Jahren wurden neben den ursprünglich fest installierten Geräten (englisch Fixed CT Scanners) mit separaten Räumen für die Rechentechnik, eigener Stromversorgung und großen mit Blei ausgekleideten Zimmern auch mobile Geräte entwickelt (englisch Mobile CT Scanners). Diese sind wesentlich kleiner und leichter, haben eingebaute Blei-Abschirmungen und werden über Akkumulatoren oder Standard-Stromversorgungen betrieben. Sie werden zum Beispiel auf Lastwagen oder Anhängern transportiert.

Im November 2008 wurde am Universitätsklinikum des Saarlandes eine Mobile Stroke Unit als weltweit erstes Rettungsfahrzeug mit integriertem CT für die prähospitale Schlaganfallbehandlung in Betrieb genommen. Seit Februar 2011 wird im Stroke-Einsatz-Mobil (STEMO) der Berliner Feuerwehr im Rahmen eines Projekts der Schlaganfallforschung ein in ein Feuerwehrfahrzeug eingebautes Gerät genutzt.

Quantenzählende Detektoren

Die photonenzählende Computertomographie ist eine CT-Technik, die derzeit entwickelt wird. Typische CT-Scanner verwenden energieintegrierende Detektoren; die Photonen werden als Spannung an einem Kondensator gemessen, die proportional zu den erfassten Röntgenstrahlen ist. Diese Technik ist jedoch anfällig für Rauschen und andere Faktoren, die die Linearität der Beziehung zwischen Spannung und Röntgenintensität beeinträchtigen können. Photonenzählende Detektoren (PCDs) werden zwar auch durch Rauschen beeinträchtigt, aber die gemessene Anzahl der Photonen wird dadurch nicht verändert. PCDs haben mehrere potenzielle Vorteile, darunter die Verbesserung des Signal- (und Kontrast-) Rauschverhältnisses, die Verringerung der Dosis, die Verbesserung der räumlichen Auflösung und - durch die Verwendung mehrerer Energien - die Unterscheidung mehrerer Kontrastmittel. PCDs sind erst seit kurzem in CT-Scannern möglich, da die Detektortechnologie verbessert wurde und das erforderliche Datenvolumen und die Datenrate bewältigen kann. Seit Februar 2016 wird die photonenzählende CT an drei Standorten eingesetzt. Einige frühe Forschungsarbeiten haben das Dosisreduktionspotenzial der Photon Counting CT für die Brustbildgebung als sehr vielversprechend eingestuft. Angesichts der jüngsten Erkenntnisse über hohe kumulative Dosen für Patienten bei wiederholten CT-Scans wurde auf Scan-Technologien und -Techniken gedrängt, die die Dosis ionisierender Strahlung für Patienten während des CT-Scan-Prozesses auf Werte unterhalb der Millisievert-Grenze (in der Literatur als sub-mSv bezeichnet) reduzieren - ein Ziel, das immer noch besteht.

Bei aktuell eingesetzten Geräten (Stand 2021) treffen die Röntgenphotonen (nachdem sie den Patienten durchflogen haben) auf einen Kristall (z. B. aus Gadolinium-Oxysulfid), in dem sie in Photonen des sichtbaren Lichts umgewandelt werden. In einer weiteren Stufe werden sie vervielfältigt (Photomultiplier) und treffen anschließend auf eine Photodiode, welche das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, was dann ausgewertet wird. Das elektrische Signal entspricht dabei einer Integration über alle Photonen (Energie-integrierender Detektor), so dass Informationen zum Energiegehalt der einzelnen Photonen verloren gehen. Bei einem quantenzählenden bzw. Photonen-zählenden Detektor entfällt der Umwandlungsschritt. Die Röntgen-Photonen werden in den Halbleiter-Detektoren (z. B. aus Cadmiumtellurid) direkt in einen elektrischen Strom umgewandelt, so dass die Information über ihren Energiegehalt erhalten bleibt. Vorteile dieses Ansatzes sind eine höhere räumliche Auflösung sowie eine niedrigere Röntgendosis. Durch einen geeigneten Schwellwert für die Energie der Photonen kann elektronisches Rauschen weitgehend rausgefiltert werden, was sich vor allem bei Untersuchungen mit niedriger Strahlendosis bemerkbar macht. Durch die Möglichkeit, die Energie der einzelnen Photonen zu kennen, ist eine Multispektral-Untersuchung ohne zusätzliche Röntgenröhre möglich.

Spiral-CT

Zeichnung des CT-Fächerstrahls und des Patienten in einem CT-Bildgebungssystem

Die Spiral-CT ist ein bildgebendes Verfahren, bei dem die gesamte Röntgenröhre um die zentrale Achse des zu untersuchenden Bereichs gedreht wird. Diese Art von Scannern ist auf dem Markt vorherrschend, da sie schon länger hergestellt wird und niedrigere Produktions- und Anschaffungskosten aufweist. Die größte Einschränkung dieses CT-Typs ist die Masse und Trägheit des Geräts (Röntgenröhre und Detektoranordnung auf der gegenüberliegenden Seite des Kreises), die die Drehgeschwindigkeit des Geräts begrenzt. Einige Modelle verwenden zwei um einen Winkel versetzte Röntgenquellen und Detektoranordnungen, um die zeitliche Auflösung zu verbessern.

Elektronenstrahl-Tomographie

Die Elektronenstrahltomographie (EBT) ist eine spezielle Form der CT, bei der eine ausreichend große Röntgenröhre so konstruiert ist, dass nur der Weg der Elektronen zwischen Kathode und Anode der Röntgenröhre mit Hilfe von Ablenkspulen gedreht wird. Dieser Typ hat den großen Vorteil, dass die Durchleuchtungsgeschwindigkeiten viel höher sind, so dass bewegte Strukturen wie das Herz und die Arterien weniger unscharf abgebildet werden können. Im Vergleich zu den Spinnröhrentypen wurden weniger Scanner dieser Bauart hergestellt, vor allem wegen der höheren Kosten, die mit dem Bau einer viel größeren Röntgenröhre und Detektoranordnung verbunden sind, und wegen der begrenzten anatomischen Abdeckung.

CT-Perfusionsbildgebung

Bei der CT-Perfusionsbildgebung handelt es sich um eine spezielle Form der CT, bei der der Blutfluss durch die Blutgefäße untersucht wird, während ein Kontrastmittel injiziert wird. Der Blutfluss, die Transitzeit des Blutes und das Blutvolumen der Organe können mit angemessener Empfindlichkeit und Spezifität berechnet werden. Diese Art der CT kann am Herzen eingesetzt werden, obwohl die Sensitivität und Spezifität für die Erkennung von Anomalien immer noch geringer ist als bei anderen Formen der CT. Sie kann auch am Gehirn eingesetzt werden, wo die CT-Perfusionsbildgebung eine schlechte Hirnperfusion oft deutlich früher erkennen kann als eine herkömmliche Spiral-CT. Diese Methode eignet sich besser für die Schlaganfalldiagnose als andere CT-Typen.

Anwendungen

Die Computertomographie wird in vielen Bereichen eingesetzt. Für die Untersuchung von Bäumen, zur zerstörungsfreien Untersuchung von archäologischen Funden wie Mumien oder auch von Musikinstrumenten, zur Materialprüfung in der industriellen Computertomographie oder zur Diagnostik von Tiererkrankungen in der Veterinärmedizin.

CT-Übersichtsbild (Scanogramm) einer Violine
3D-Rekonstruktion einer Violine aus CT-Bildern

Die größte Gerätezahl ist jedoch in der Humanmedizin anzutreffen.

Computertomographie in der Humanmedizin

Der CT gehört heute zum wichtigsten Arbeitsmittel des Radiologen, mit dem eine Vielzahl von Erkrankungen diagnostiziert werden kann. 2009 erhielten in Deutschland rund 4,88 Millionen Menschen mindestens eine Computertomographie. Das Verfahren kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Leiden bzw. Erkrankungsbild zu einer Veränderung in der Struktur des Körpers führt. Es können damit sehr sicher Knochenbrüche, Blutungen, Blutergüsse, Schwellungen (z. B. von Lymphknoten) und oft auch Entzündungen diagnostiziert werden. Da es überdies auch ein recht schnelles Bildgebungsverfahren ist, sind Computertomographen fast ausnahmslos auch in der Nähe der Notfallaufnahme eines Unfallkrankenhauses zu finden.

Weichteilorgane, Nervengewebe, Knorpel und Bänder sind gut in der CT beurteilbar. Die Darstellung dieser Gewebegruppen ist jedoch eine klare Stärke der Kernspintomographie, weshalb bei diesen Organgruppen betreffenden Fragestellungen diesem – teureren und deutlich zeitaufwändigeren, dafür aber röntgenstrahlungsfreien – Verfahren oftmals der Vorzug gegeben wird.

Tumoren und Metastasen von Krebserkrankungen können prinzipiell auch erkannt werden. Eine Schwierigkeit besteht jedoch darin, dass sich ein Tumor zwar als Raumforderung darstellt, jedoch im Bild nicht sichtbar ist, ob die Ursache dieser Raumforderung tatsächlich ein Tumor (bzw. Metastase) ist. Es ist möglich, dass ein vergrößerter Lymphknoten von Metastasen des Tumors befallen oder aber nur entzündet ist. Ebenso ist zwar ein Tumor in seiner Gestalt bisweilen gut erkennbar, aber es ist nicht erkennbar, ob nach einer stattgehabten Therapie (Chemotherapie oder Strahlentherapie) das im Bild dargestellte Tumorgewebe noch vital ist (also lebt) oder bereits aufgrund der Therapie abgestorben ist. Ebenso sind kleine Metastasen und Tumoren oftmals leicht zu übersehen bzw. können nicht hinreichend sicher von normalen Gewebestrukturen unterschieden werden. Die Kombination aus Computertomographie und Positronen-Emissions-Tomographie, die sogenannte PET/CT brachte für die Diagnostik in der Onkologie daher große Fortschritte. Die PET ergänzte, was die CT nicht liefern konnte – und umgekehrt.

Computertomografie des menschlichen Gehirns, von der Schädelbasis bis zur Schädeldecke. Aufgenommen mit intravenösem Kontrastmittel.
Commons: Scrollbare Computertomographie-Bilder eines normalen Gehirns

Die CT-Untersuchung des Kopfes wird in der Regel zum Nachweis von Infarkten (Schlaganfällen), Tumoren, Verkalkungen, Blutungen und Knochentraumata eingesetzt. Dabei können hypodense (dunkle) Strukturen auf Ödeme und Infarkte hinweisen, hyperdense (helle) Strukturen auf Verkalkungen und Blutungen, und Knochentraumata lassen sich als Disjunktionen in den Knochenfenstern erkennen. Tumore können durch die Schwellung und anatomische Verzerrung, die sie verursachen, oder durch das umgebende Ödem erkannt werden. CT-Scans des Kopfes werden auch bei der CT-gesteuerten stereotaktischen Chirurgie und Radiochirurgie zur Behandlung von intrakraniellen Tumoren, arteriovenösen Malformationen und anderen chirurgisch behandelbaren Erkrankungen mit Hilfe eines als N-Lokalisator bekannten Geräts eingesetzt.

Computertomographie in der Materialwissenschaft

Außer in der Medizin wird die Computertomographie auch in materialwissenschaftlichen Themengebieten eingesetzt. Da in diesem Fall häufig Materialien durchdrungen werden müssen, die eine stärkere Absorption als in der Medizin aufweisen, z. B. Metallgehäuse, werden in der Materialwissenschaft häufig höhere Strahlungsenergien verwendet.

Die Röntgen-CT wird in geologischen Studien verwendet, um Materialien in einem Bohrkern schnell zu identifizieren. Dichte Mineralien wie Pyrit und Baryt erscheinen heller und weniger dichte Bestandteile wie Ton erscheinen in CT-Bildern schwach durchsichtig.

Aufnahmemodi

Die Übersichtsaufnahme, Topo, Scanogramm oder auch Scout-View genannt, dient lediglich der Untersuchungsplanung.
Volume-Rendering-Darstellung einer Computertomographie des menschlichen Herzens

Vor jeder Aufnahme wird grundsätzlich eine Übersichtsaufnahme aufgenommen. Hierbei steht die Röntgenröhre still. Der Patient wird mit Hilfe des verfahrbaren Tisches am Fächerstrahl der Röhre vorbeigefahren. Im Ergebnis erhält man ein Bild, das einer klassischen Röntgenaufnahme sehr ähnlich sieht. Dieses Bild dient jedoch nur der Planung anschließender Aufnahmen.

Bis Mitte der 1990er Jahre war die rein axiale Aufnahme die einzig mögliche Aufnahmeart. Die Röhre drehte sich bei still stehendem Tisch um eine volle 360°-Drehung um den Patienten. Im Anschluss wurde der Tisch verfahren und die nächste Schicht aufgenommen. Jeder klinische CT verfügt bis heute über diesen Modus, da er ein besseres Schichtempfindlichkeitsprofil und damit eine bessere Detailerkennbarkeit bietet. Er wird allerdings mittlerweile selten eingesetzt.

Bei der CT-Fluoroskopie wird auch axial gescannt; es wird an einer bestimmten Position in Zeitintervallen akquiriert. Die Aufnahmeart wird verwendet, um z. B. bei einer Punktion die Biopsienadel zu führen.

Genauso wie bei der CT-Fluoroskopie wird bei der dynamischen CT wiederholt an derselben Position aufgenommen. Aus der Bildfolge kann der zeitliche Verlauf eines physiologischen Vorgangs ermittelt werden. Dies ist meist die Anflutung von CT-Kontrastmittel. Aus der Geschwindigkeit, mit der sich das Kontrastmittel im Untersuchungsbereich verteilt, kann die Durchblutung eines Organes oder Organteils bestimmt werden. Zur Visualisierung kann die Bildfolge als Kino-Sequenz dargestellt werden.

Seit Ende der 1990er Jahre kann die Anatomie des Herzens auch mit Hilfe von Mehrzeilen-CTs dargestellt werden. Bei der Computertomographie des Herzens kann sowohl der axiale als auch der Spiralmodus eingesetzt werden. Das Herz ruht zwar während ca. 70 % der Herzschlagphase, Arrhythmien und Extrasystolen können eine Aufnahme dennoch unbrauchbar machen. Bei den meisten heutigen CTs (2011) muss eine vollständige Aufnahme des Herzens aus Bilddaten zusammengesetzt werden, die im Verlauf von fünf bis zehn Herzschlägen gewonnen wurden.

Die heute (2011) mit Abstand häufigste Aufnahmetechnik ist die sequenzielle Aufnahme im Spiralmodus. Sie kann mit oder ohne gleichzeitigem Einsatz von Kontrastmittel durchgeführt werden.

Ablauf einer typischen CT-Untersuchung

Für eine CT-Untersuchung wird in der Regel wenig Zeit benötigt, da die Technik heute sehr ausgereift und schnell ist. Eine Routineuntersuchung kann in 3 bis 10 Minuten bequem durchgeführt werden.

Patientenvorbereitung, Kontrastmittel und Laborwerte

Der Großteil aller Untersuchungen wird mit Hilfe eines jodhaltigen Kontrastmittels durchgeführt, das intravenös injiziert wird. Da Kontrastmittel Röntgenstrahlung stärker als Wasser schwächt, lässt es – da es sich im Blut befindet – Blutgefäße und gut durchblutete Areale heller erscheinen, die sich damit von nicht bzw. wenig durchbluteten Arealen abheben. In seltenen Fällen kann es jedoch zu Komplikationen führen.

Vor einer geplanten CT-Untersuchung werden daher vom Radiologen meist zwei Werte der Laboruntersuchung des Blutes verlangt. Es sind dies der Kreatinin- und der Thyreotropin-Wert oder kurz der „Krea- und TSH-Wert“.

Im Falle eines bestehenden Jodmangels versucht die Hypophyse, den dadurch verursachten Thyroxin-Mangel (Jod ist für die Thyroxin-Bildung essenziell) durch eine verstärkte Ausschüttung von TSH zu kompensieren. Die Gabe des jodhaltigen Kontrastmittels würde in einer solchen Situation zu einer schlagartig ansteigenden Thyroxinproduktion führen und eine plötzliche Hyperthyreose, im schlimmsten Fall eine thyreotoxische Krise auslösen. Ein erniedrigter TSH-Wert deutet auf Hyperthyreose hin und muss daher vor der Kontrastmittelgabe weiter untersucht werden, um eine Komplikation zu vermeiden.

Durch das Kontrastmittel kann auch eine pseudoallergische Reaktion hervorgerufen werden, die lebensbedrohlich werden kann. Ist eine Kontrastmittelallergie bekannt, kann in Notfallsituationen mittels Medikamenten versucht werden, eine KM-Reaktion zu verhindern. Ansonsten sollte auf eine Kontrastmittelgabe verzichtet werden. Ggf. muss in einem solchen Fall auf alternative Verfahren ausgewichen werden. Dazu bieten sich oft die Sonografie oder eine Magnetresonanztomografie an.

Da eine Kontrastmittelreaktion oft Übelkeit und Erbrechen zur Folge hat, wird empfohlen, die Untersuchung nüchtern durchzuführen, sodass der Magen leer ist und Erbrochenes nicht in die Atemwege gelangen kann.

Das CT-Kontrastmittel wird über die Nieren ausgeschieden und stellt eine Belastung für diese Organe dar. Bei einem gesunden Menschen ist dies kein Problem, vorgeschädigte Nieren könnten jedoch mit der zusätzlichen Last überfordert sein. Über den Kreatininwert wird geprüft, ob eine gegebenenfalls gefährliche Nierenvorschädigung vorliegt.

Das Kontrastmittel wird über eine Hochdruckpumpe injiziert. Dazu wird vor der Untersuchung ein peripherer Venenkatheter gelegt, über den es eingebracht wird. Eine typische Einstellung wäre z. B. 50 ml Kontrastmittel, das mit einer Flussrate von 3 ml/Sekunde verabreicht wird. Im Jargon wird Kontrastmittel auch mit „KM“ und die intravenöse Einbringungsart mit „iv“ abgekürzt; das Fachpersonal spricht bei Verwendung von intravenös verabreichtem Kontrastmittel dann kurz vom „iv-KM“, die Aufnahme wird KM-Aufnahme bezeichnet. Eine Aufnahme ohne Verwendung von Kontrastmittel wird als „Nativ-Aufnahme“ bezeichnet.

Zusätzlich zu dem beschriebenen intravenösen Kontrastmittel wird bei Untersuchungen des Bauchraums häufig auch Kontrastmittel zum Trinken verwendet. Dieses verbleibt im Wesentlichen im Inneren des Magen-Darm-Traktes und dient so der besseren Darstellung desselben. Die Iod- oder Bariumsulfat-haltige Substanz wird in Wasser gelöst und vor der Untersuchung vom Patienten getrunken. Meist sind Geschmacksstoffe zugesetzt, sodass es beispielsweise nach Anis schmeckt. Typischerweise wird ein Liter Kontrastmittel zu trinken gegeben. Bei Fragestellungen, die den letzten Teil des Darmes betreffen, kann zusätzlich auch noch ein Einlauf mit Kontrastmittel erforderlich sein.

Der Patient sollte sich vor der Untersuchung in dem zu untersuchenden Körperbereich (z. B. Brustkorb) weitgehend entkleiden. Dies ist zwar nicht zwingend nötig, weil die Röntgenstrahlung Kleidungsstücke durchdringt. Metallgegenstände in der Kleidung können im Strahlenfeld Artefakte verursachen und sollten daher vor der Untersuchung entfernt werden.

In den Vereinigten Staaten sind die Hälfte der CT-Untersuchungen Kontrastmittel-CTs, bei denen intravenös injizierte Radiokontrastmittel verwendet werden. Die häufigsten Reaktionen auf diese Mittel sind mild und umfassen Übelkeit, Erbrechen und einen juckenden Hautausschlag. Schwere lebensbedrohliche Reaktionen können selten auftreten. Insgesamt treten Reaktionen bei 1 bis 3 % der Patienten mit nichtionischem Kontrastmittel und bei 4 bis 12 % der Patienten mit ionischem Kontrastmittel auf. Hautausschläge können bei 3 % der Personen innerhalb einer Woche auftreten.

Die alten Radiokontrastmittel führten in 1 % der Fälle zu Anaphylaxie, während die neueren, niedrigosmolaren Mittel in 0,01-0,04 % der Fälle Reaktionen hervorrufen. Der Tod tritt bei etwa 2 bis 30 Personen pro 1.000.000 Verabreichungen ein, wobei die neueren Mittel sicherer sind. Ein höheres Sterberisiko besteht bei weiblichen, älteren oder gesundheitlich geschwächten Personen, in der Regel als Folge von Anaphylaxie oder akuter Nierenschädigung.

Das Kontrastmittel kann eine kontrastmittelinduzierte Nephropathie hervorrufen. Dies tritt bei 2 bis 7 % der Personen auf, die diese Mittel erhalten, wobei das Risiko bei Personen mit vorbestehendem Nierenversagen, vorbestehendem Diabetes oder reduziertem intravaskulärem Volumen höher ist. Menschen mit leichter Niereninsuffizienz wird in der Regel geraten, vor und nach der Injektion mehrere Stunden lang für eine vollständige Flüssigkeitszufuhr zu sorgen. Bei mittelschwerer Niereninsuffizienz sollte die Verwendung von jodhaltigem Kontrastmittel vermieden werden; dies kann bedeuten, dass anstelle der CT eine andere Technik verwendet wird. Bei schwerem Nierenversagen, das eine Dialyse erfordert, sind weniger strenge Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, da die Nieren so wenig Funktion haben, dass eine weitere Schädigung nicht auffällt und das Kontrastmittel durch die Dialyse entfernt wird; in der Regel wird jedoch empfohlen, so bald wie möglich nach der Kontrastmittelverabreichung eine Dialyse zu veranlassen, um die nachteiligen Auswirkungen des Kontrastmittels zu minimieren.

Die Nebenwirkungen von Kontrastmitteln, die bei einigen CT-Untersuchungen intravenös verabreicht werden, können die Nierenleistung bei nierenkranken Patienten beeinträchtigen, obwohl dieses Risiko inzwischen als geringer eingeschätzt wird als früher angenommen.

Patientenlagerung und Referenzpunkt

Der Patient legt sich auf den höhenverstellbaren Untersuchungstisch, der zum bequemen Platzieren nach unten gefahren werden kann. Bei Untersuchungen des Kopfes wird der Kopf des Patienten fixiert, um einer Bildunschärfe durch unwillkürliche Kopfbewegungen zuvorzukommen. Die Arme des Patienten liegen bequem am Körper an.

Um den zu untersuchenden Bereich planen zu können, ist die Definition eines Nullpunktes nötig, auf den sich alle Koordinatenangaben beziehen. Zu diesem Zweck fährt das Bedienpersonal den Patiententisch hoch in die Untersuchungsebene und in die Gantry hinein. Für eine genauere Planung des Referenzpunktes verfügt ein CT über Positionier-Laser, so dass genau erkennbar ist, wo sich der gewählte Referenzpunkt auf den Körper des Patienten projiziert. Ein beliebter Referenzpunkt ist z. B. die deutsche Horizontale. Damit der Patient beim Setzen dieses Referenzpunktes nicht versehentlich vom Laser geblendet wird, lässt man ihn für eine kurze Zeit die Augen schließen. Der Ort des Referenzpunktes ist prinzipiell frei wählbar und bezieht sich sinnvollerweise auf die zu untersuchende Region. Soll das Sprunggelenk untersucht werden, ist es folglich zweckmäßig, den Referenzpunkt in der Nähe des Sprunggelenkes zu setzen. Ist der Ort bestimmt, wird mit einem Druck auf eine entsprechende Taste am Gerät das Koordinatensystem des Gerätes auf diesen Punkt „genullt“. Alle Angaben sowohl im Untersuchungsprotokoll wie im späteren Bild beziehen sich auf diesen Nullpunkt.

Die Planung des Untersuchungsbereichs

In der Regel sind am Gerät für jede mögliche Untersuchung vorkonfigurierte, sogenannte „Untersuchungsprotokolle“ hinterlegt, die der Anwender in Abhängigkeit von der medizinischen Fragestellung wählt. Es ist im Protokoll unter anderem festgelegt, wo der Referenzpunkt für die Untersuchung zu setzen ist. Die erste Aufnahme jeder Untersuchung ist die Übersichtsaufnahme. In diese Übersichtsaufnahme zeichnet die MTRA mit Hilfe von verschiebbaren Bildkursoren den abzubildenden Bereich ein. Alternativ können Positionsangaben auch manuell numerisch eingegeben werden, wobei die in der Medizin üblichen Lage- und Richtungsbezeichnungen zur Anwendung kommen. Für eine Aufnahme der Lunge mit Referenzpunkt im Brustbein wird dann z. B. eine Übersichtsaufnahme angefertigt, die von superior 300 bis inferior 200 reicht, was bedeutet, dass sie von 300 mm „kopfwärts“ vom Nullpunkt bis 200 mm „fußwärts“ vom Referenzpunkt reicht. Die folgende Schnittbildaufnahme wird sich innerhalb dieses Bereiches befinden.

Die Aufnahme(n)

Ablauf und Dauer der CT-Aufnahme(n) hängt stark von der Untersuchungsregion und der Fragestellung ab. Soll beispielsweise eine Arm- oder Beinfraktur diagnostiziert werden, wird meist nur eine einzelne Bildserie aufgenommen.

Für die Darstellung des Knochens oder eines Nierensteins ist kein Kontrastmittel nötig. Wenn die Beurteilbarkeit des Weichteilgewebes nicht gewünscht wird, wird daher auch kein Kontrastmittel injiziert. Im Gegensatz dazu wird für Fragestellungen, die den Brust- und/oder Bauchraum betreffen, fast immer Kontrastmittel verwendet (so eine KM-Allergie oder Niereninsuffizienz dies nicht verbieten). Je nach Fragestellung wird eine Region ein- oder mehrfach gescannt. Folgende Aufnahmetypen werden typischerweise benutzt:

  • Nativ-Aufnahme ohne Kontrastmittelgabe
  • Arterielle Aufnahme, die die gefüllten Arterien zeigt, nicht jedoch die Venen; für die Beurteilung des Gewebes ist sie wenig geeignet und wird ca. 20 bis 30 Sekunden nach Kontrastmittelgabe gestartet.
  • Venöse Aufnahme, die Venen sowie Gewebe in gutem Kontrast zeigt und ca. 60 bis 70 Sekunden nach Kontrastmittelgabe erfolgt.
  • Bisweilen auch: Spätaufnahmen (LVCT = late venous CT), die 90 Sekunden bis wenige Minuten nach Kontrastmittelgabe erfolgen.

Da eine CT-Aufnahme von Brust und/oder Bauchraum selbst bei den schnellsten Geräten mehrere Sekunden in Anspruch nimmt, wird der Patient gebeten, während der Aufnahme die Luft anzuhalten. Andernfalls können Bildstörungen die Folge sein, vergleichbar mit dem „Verwackeln“ in der Fotografie. Gespeicherte Sprachkommandos werden heute vom Gerät vollautomatisch ausgegeben, das Bedienpersonal spricht sie meist nicht selbst (kann dies im Einzelfall jedoch trotzdem tun). Zusätzlich gibt es an manchen Geräten eine numerische Anzeige, die den Patienten über die verbleibende Atemanhaltezeit informiert. Werden über dieselbe Region mehrere Aufnahmen gefahren, wird der Patient mehrmals darum gebeten, die Luft anzuhalten. Ein Beispiel für solch eine Aufnahmesequenz ist die Metastasensuche in der Leber.

Aufnahmen der Lunge werden in Einatemlage durchgeführt, um sicherzustellen, dass sich das Lungengewebe voll entfaltet hat. Folglich wird der Patient darum gebeten, einzuatmen und dann die Luft anzuhalten. Da es für den Patienten bequemer ist, erst auszuatmen und dann die Luft anzuhalten und die Atemlage für Aufnahmen des Bauchraums keine Rolle spielt, wird bei diesen Sequenzen darum gebeten, die Luft anzuhalten, nachdem ausgeatmet wurde.

Industrielle Anwendung

Industrielles CT-Scannen (industrielle Computertomografie) ist ein Verfahren, bei dem Röntgengeräte eingesetzt werden, um 3D-Darstellungen von Bauteilen sowohl von außen als auch von innen zu erstellen. Industrielles CT-Scanning wird in vielen Bereichen der Industrie für die interne Inspektion von Bauteilen eingesetzt. Einige der wichtigsten Anwendungen für das CT-Scanning sind Fehlererkennung, Fehleranalyse, Messtechnik, Montageanalyse, bildbasierte Finite-Elemente-Methoden und Reverse-Engineering-Anwendungen. Das CT-Scannen wird auch bei der Abbildung und Konservierung von Museumsobjekten eingesetzt.

CT-Scanning findet auch Anwendung in der Verkehrssicherheit (vor allem in der Flughafensicherheit), wo es derzeit im Rahmen der Materialanalyse zur Sprengstoffdetektion CTX (Explosivstoffdetektionsgerät) eingesetzt wird und auch für die automatische Gepäck-/Paketsicherheitsdurchleuchtung unter Verwendung von Computer-Vision-basierten Objekterkennungsalgorithmen in Betracht gezogen wird, die auf die Erkennung spezifischer bedrohlicher Gegenstände auf der Grundlage des 3D-Erscheinungsbildes abzielen (z. B. Schusswaffen, Messer, Flüssigkeitsbehälter). Sein Einsatz in der Flughafensicherheit, der im März 2022 am Flughafen Shannon eingeführt wurde, soll das Verbot von Flüssigkeiten über 100 ml aufheben. Der Flughafen Heathrow plant die vollständige Einführung am 1. Dezember 2022, und die TSA hat 781,2 Millionen Dollar für eine Bestellung von über 1.000 Scannern ausgegeben, die im Sommer in Betrieb gehen sollen.

Verwendung im Kulturerbe

Röntgen-CT und Mikro-CT können auch für die Konservierung und Erhaltung von Kulturgütern eingesetzt werden. Bei vielen zerbrechlichen Objekten können direkte Untersuchungen und Beobachtungen schädlich sein und das Objekt mit der Zeit zersetzen. Mithilfe von CT-Scans können Restauratoren und Forscher die Materialzusammensetzung der untersuchten Objekte bestimmen, z. B. die Position der Tinte in den Schichten einer Schriftrolle, ohne dass zusätzliche Schäden entstehen. Diese Scans sind optimal für Forschungen, die sich auf die Funktionsweise des Mechanismus von Antikythera oder den in den verkohlten äußeren Schichten der En-Gedi-Rolle verborgenen Text konzentrieren. Sie sind jedoch nicht für jedes Objekt, das Gegenstand dieser Art von Forschungsfragen ist, optimal, da es bestimmte Artefakte wie die Papyri von Herculaneum gibt, bei denen die Materialzusammensetzung im Inneren des Objekts nur sehr geringe Unterschiede aufweist. Nach dem Scannen dieser Objekte können Computermethoden eingesetzt werden, um das Innere dieser Objekte zu untersuchen, wie es bei der virtuellen Entpackung der En-Gedi-Rolle und der Papyri von Herculaneum der Fall war. Die Mikro-CT hat sich auch bei der Analyse jüngerer Artefakte als nützlich erwiesen, z. B. bei noch versiegelten historischen Briefen, bei denen die Technik des Letterlocking (komplexe Faltungen und Schnitte) angewandt wurde, die einen "manipulationssicheren Verschlussmechanismus" darstellt. Weitere Beispiele für Anwendungsfälle in der Archäologie sind die Darstellung des Inhalts von Sarkophagen oder Keramiken.

Das CT-Bild

In den ersten Jahren wiesen CT-Bilder in der transversalen Bildebene eine erheblich höhere Auflösung auf als in der sagittalen bzw. koronalen. Transversalschnitte waren daher damals die einzig sinnvolle Form der Bilddarstellung; Radiologien befunden bis heute bevorzugt Transversalschnitte. Zur Orientierung: Der Betrachter blickt (vom Patienten aus gesehen) von unten auf einen Transversalschnitt, weshalb das, was aus Patientensicht links ist, sich im Bild rechts befindet.

Hounsfield-Skala und Fensterung

Im CT-Bild wird die Schwächung des Gewebes für das von der Röhre emittierte Röntgenspektrum in Form von Grauwerten dargestellt. Die Schwächungswerte werden in sogenannte CT-Zahlen umgerechnet und auf der Hounsfield-Skala ausgegeben. Luft hat definitionsgemäß die CT-Zahl −1000 und Wasser den Wert 0. Der Grund für die Umrechnung ist, dass die spektrale Zusammensetzung der verwendeten Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von Aufnahmeparametern wie Röhrenspannung und Vorfilterung variiert. Würden im CT-Bild die Schwächungswerte direkt dargestellt, würde das Bild jeweils unterschiedlich ausfallen. Eine Vergleichbarkeit von Bildern, wie sie für die Befundung in der Medizin unabdingbar ist, wäre so nicht möglich. Durch Normierung der gemessenen Schwächung auf die Schwächungswerte von Wasser und Luft wird dieses Problem umgangen.

Für die bildliche Darstellung wird jeder CT-Zahl ein Grauwert zugeordnet. Da das menschliche Auge jedoch nicht in der Lage ist, die 4000 vom Gerät differenzierbaren Grauwerte aufzulösen, wird mit Hilfe der Fensterung ein für die jeweilige Fragestellung optimierter Dynamikbereich des Bildes eingeblendet.

In der medizinischen Fachsprache wird ein Gewebe, das einen niedrigeren Absorptionsgrad aufweist als erwartet, als hypodens (Hypodensität) bezeichnet; bei höherem Schwächungskoeffizienten als hyperdens (Hyperdensität). Zwei Bildpunkte, die Gewebe mit gleichem Absorptionsgrad repräsentieren, sind einander isodens.

Multiplanare Reformation und 3D-Darstellungen

Craniale Computertomographie; links oben: Raycasting (= VR)-Darstellung; rechts oben: transaxialer Schnitt; links unten: multiplanar reformatierter sagittaler Schnitt; rechts unten: multiplanar reformatierter koronaler Schnitt

Erst mit der Einführung von Mehrzeilen-Spiral-CTs Mitte der 1990er Jahre gab es in der Computertomographie isotrope Voxel. Da alle heutigen (2011) klinischen CTs kleine isotrope Voxel erzeugen können, ist eine hohe räumliche Auflösung in beliebigen Raumrichtungen möglich. Durch die multiplanare Reformation werden auch sagittale und koronale Darstellungen in hoher Qualität möglich, die für den Nicht-Radiologen erheblich einfacher zu verstehen sind. Die Maximum Intensitäts Projektion stellt die Maximalwerte aus einem frei wählbaren Datenvolumen dar, die auf eine Ebene projiziert werden, vergleichbar einem Schattenbild. Durch die heute auf Auswerte- bzw. PACS-Workstations preiswert verfügbare Rechenleistung können aus den Daten auch hochwertige 3D-Darstellungen in Form von MIP, Surface-Rendering oder – am aufwändigsten und beeindruckendsten – Raycasting erzeugt werden.

Für den Radiologen in der klinischen Routine ist die MIP zur Gefäßdarstellung und der Suche nach Lungenmetastasen sehr hilfreich. Eine 3D-Darstellung ist zur präoperativen Darstellung von Mehrfragment-Frakturen für den Chirurgen nützlich. Raytracing und MIP werden ferner im Rahmen von Spezialanwendungen für Visualisierungen in der Computertomographie des Herzens und der virtuellen Koloskopie verwendet.

Sliding thin slab

Die kleinstmögliche Schichtdicke heutiger CTs liegt im Bereich von etwa 0,3 mm. Dünne Schichten erlauben zwar die Darstellung kleinster Bilddetails, sind jedoch der Grund für die – trotz allem technischen Fortschritt – immer noch hohe Strahlenbelastung durch computertomographische Untersuchungen, denn die Höhe des Bildrauschens wird wesentlich von der gewählten Schichtdicke bestimmt. Der Radiologe benötigt für die Befundung nur in seltenen Fällen Schichtdicken von 1 mm und darunter. Auf der anderen Seite können Bilder einer (rauscharmen) dickschichtig rekonstruierten Untersuchung nur in begrenztem Umfang und nur bei Vorliegen der Rohdaten im Nachhinein in dünne Schichten umgerechnet werden. Je größer die Schichtdicke in einem CT-Bild ist, desto rauscharmer ist es, desto größer ist aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich im Bild Artefakte durch den Partialvolumeneffekt zeigen. Dieses Dilemma kann durch die sliding thin slabs Darstellung (abgekürzt sts) umgangen werden. Die Bilder werden hierbei dünnschichtig (z. B. mit 1 mm Dicke und weniger) rekonstruiert, jedoch dickschichtig (z. B. 5 mm) dargestellt. Beispiel: Bei einer angenommenen 1-mm-Rekonstruktion mit 5-mm-Darstellung werden 5 Schichten addiert. Blättert der Radiologe im Bild, wird der nächste 1-mm-Schnitt in die Darstellung hinzugenommen und der letzte 1-mm-Schnitt entfernt. Es wird wieder ein Bild mit 5 mm effektiver Dicke dargestellt. Das betrachtete Bild ist rauscharm wie ein Bild, das in 5 mm Dicke aufgenommen worden wäre, jedoch kann mit einem Inkrement von 1 mm geblättert werden. Außerdem kann die Schichtdicke jederzeit auf bis zu 1 mm verringert oder über 5 mm hinaus erhöht werden. Die Mittelung in der sts-Darstellung kann in manchen Nachverarbeitungsworkstations in Form einer Mittelung (klassische STS), als MIP, als Min-IP oder als VR (Volume Rendering = Raycasting) erfolgen. Ebenso ist bisweilen möglich, die Ansichten multiplanar reformatierter Bilder in sts-Darstellungen umzurechnen.

Arten der Darstellung von CT-Scans:
- Projektion der durchschnittlichen Intensität
- Projektion der maximalen Intensität
- Dünne Schicht (Medianebene)
- Volumendarstellung mit hohem und niedrigem Schwellenwert für die Radiodichte

Technisch gesehen werden alle Volumenrenderings zu Projektionen, wenn sie auf einer zweidimensionalen Anzeige betrachtet werden, so dass die Unterscheidung zwischen Projektionen und Volumenrenderings etwas vage ist. Die Inbegriffe von Volumenrendering-Modellen weisen eine Mischung aus z. B. Färbung und Schattierung auf, um realistische und beobachtbare Darstellungen zu schaffen.

Strahlenexposition

Ein Nachteil der Computertomographie ist die Strahlenexposition. Vergleicht man eine CT-Aufnahme beispielsweise mit der natürlichen Strahlenbelastung, so führt eine typische Abdomenaufnahme zu einer Exposition, die 2,8 Jahren natürlicher Hintergrundstrahlung entspricht. Obgleich dies ca. 500-mal höher ist als bei einer Thorax-Röntgenaufnahme, ist es auch in diesem Dosisbereich statistisch nicht möglich, eine später auftretende Erkrankung mit hinreichender Sicherheit auf die vorangegangene Strahlenexposition zurückzuführen. Bis heute wird daher aus der Häufigkeit von Erkrankungen, die aus einer sehr viel höheren Strahlenbelastung resultierten, linear auf die zu erwartenden Fälle bei niedriger Strahlenbelastung extrapoliert, obgleich für dieses angenommene Risiko keine belastbare Statistik vorliegt. Denkbar – jedoch bis heute statistisch nicht belegbar – wären auch Hormesis-Effekte (also positive Effekte) bei geringen Strahlendosen. Es existiert eine Reihe von Studien, die in diese Richtung deuten. Daneben ist aber auch ein mitohormesischer Effekt möglich, wonach besonders geringe Dosen eher eine schädliche Wirkung entfalten.

So lange es jedoch keine stichhaltigen Belege gibt, dass es bei geringen Strahlenbelastungen kein oder ein erheblich niedrigeres Risiko gibt als es bei hohen Strahlendosen zweifelsfrei existiert, muss dieses angenommene Risiko bei der Indikationsstellung berücksichtigt werden. Die hohe Aussagekraft der CT kann die Durchführung rechtfertigen. Ärzte unterschätzen laut Heyer die Strahlenbelastung bei der Computertomographie: Diese machte im Jahr 2003 gut 6 % aller Röntgenuntersuchungen aus, war aber für mehr als 50 % der medizinischen Röntgenstrahlung verantwortlich. 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 durchgeführten 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. Eine 2009 veröffentlichte Studie macht 70 Millionen CT-Scans in den USA für 29.000 Krebsfälle verantwortlich und berechnet die jährlichen CT-Todesfälle in den USA mit 14.500. Nach einer neuen Studie haben Kinder, die mehrere CT-Untersuchungen des Kopfes erhalten haben, später ein leicht erhöhtes Krebsrisiko. Bei Mädchen würde jede 300. bis 390. CT-Aufnahme von Abdomen und Becken zu einer zusätzlichen Krebserkrankung führen, bei Wirbelsäulenscans käme es je nach Alter bei jeder 270. bis 800. Aufnahme zu einer zusätzlichen Krebserkrankung; Kopf-CTs würden vor allem das Leukämierisiko steigern. Eine andere Studie zeigte, dass Kinder, bei denen eine CT-Untersuchung durchgeführt wurde, ein um 24 Prozent erhöhtes Risiko haben, später an Krebs zu erkranken; jede weitere CT-Aufnahme hätte das Risiko um 16 Prozent gesteigert.

Die Strahlenexposition durch eine CT-Aufnahme wird durch die Größen CTDI und DLP quantitativ beschrieben. Multipliziert man das CTDI mit der Länge des bestrahlten Bereiches, erhält man das DLP. Bei Kenntnis der bestrahlten Region kann man hieraus die Organdosen der betroffenen Organe und daraus wiederum die Effektive Dosis errechnen. Die folgende Tabelle zeigt die effektiven Dosen typischer Untersuchungen bezogen auf 75-kg-Standardpatienten. Die tatsächlich aufgewendete Dosis einer CT-Untersuchung kann aber schon wegen der starken Abhängigkeit von der Körpermasse (Dicke der zu durchstrahlenden Schicht) besonders am Rumpf (Thorax/Abdomen) im Einzelfall um ein Vielfaches höher ausfallen.

Untersuchung Effektive Dosis (mSv) Energiedosis (mGy)
Natürliche Strahlenbelastung pro Jahr 2,1 2,4
Kopf-CT 1,5 – 2,3 56
Abdomen-CT 5,3 – 10 14
Thorax-CT 5,8 – 8 13
Thorax-, Abdomen- und Becken-CT 9,9 12
Screening Mammografie 0,2–0,6 3
Röntgenaufnahme des Thorax 0,02 – 0,1

Die zugrundeliegende Einheit Sievert berücksichtigt nicht Unterschiede im Intensitätsverlauf und der spektralen Zusammensetzung zwischen künstlich erzeugter und natürlicher Röntgenstrahlung.

Einflussparameter auf die Strahlenbelastung

Einer der wichtigsten Güteparameter für die Bildqualität eines CT ist das Bildrauschen, das zum größten Teil von Quantenrauschen im Detektor verursacht wird. Eine Verbesserung der Bildqualität ist mit Änderungen von Aufnahmeparametern verbunden, die meist zu einer Erhöhung der Strahlenbelastung des Patienten führen. Die Untersuchungsparameter sollen aus Strahlenschutzgründen so gewählt werden, dass der Rauschanteil im Bild ausreichend niedrig ist, dass eine sichere Befundung noch möglich ist. Es wird folglich auch hier gemäß dem ALARA-Prinzip nicht ein möglichst gutes, sondern nur ein hinreichend gutes Bild angestrebt.

Der Zusammenhang zwischen dem Bildrauschen , dem gewählten Rekonstruktionsalgorithmus , der Schwächung , der Systemeffizienz , dem Milliampere-Sekundenprodukt und der Schichtdicke ist:

Aus dieser Gleichung ergibt sich unter anderem, dass sich bei Vervierfachung der Schwächung das Bildrauschen verdoppelt. Der gewählte Rekonstruktionsalgorithmus kann die für eine bestimmte Bildqualität nötige Strahlendosis um 30–40 Prozent verändern.

Vorfilterung der Röntgenstrahlung

Das Emissionsspektrum jeder Röntgenröhre enthält niederenergetische Strahlenanteile, die vollständig vom Untersuchungsobjekt absorbiert werden und damit nicht zur Bildgebung beitragen. Zur Verringerung der Strahlenbelastung wird daher ein Röntgenfilter aus mehrere Millimeter dickem Blech (z. B. aus Aluminium, Kupfer oder Beryllium) eingebaut; eine Mindest-Vorfilterung ist seit Jahren sogar gesetzlich vorgeschrieben. Das Blech absorbiert die niederenergetischen Anteile des Röntgenspektrums vollständig, verringert jedoch auch die Intensität der für die Bildgebung benutzten Spektralanteile.

Die Dosisleistung einer Röhre kann folglich nur dann mit den Angaben von Röhrenspannung und Röhrenstrom beschrieben werden, wenn neben dem Fokus-Objektabstand auch die Vorfilterung bekannt ist und in die Berechnung mit einbezogen wird.

Röhrenspannung

Eine Erhöhung der Röhrenspannung erhöht bei gleichem Röhrenstrom die Strahlenbelastung für den Patienten. In der klassischen Radiografie verringert dies auch den Bildkontrast, in der CT werden dagegen nur die Hounsfieldwerte dichter Knochenstrukturen etwas verringert, da der Bildkontrast rein durch die Wahl des Hounsfieldfensters bestimmt wird.

Photonen höherer Energie werden durch das Gewebe zwar geringer geschwächt als niederenergetische Photonen, jedoch steigt die insgesamt im Gewebe deponierte Energie stark an. Bei einer Röhren-Vorfilterung durch 2 mm Kupfer beträgt die Äquivalentdosisleistungskonstante bei 100.000 Volt = 100 kV Röhrenspannung 0,35 mSv·m²/mA·min – bei 140 kV Röhrenspannung jedoch schon ca. 1,4 mSv·m²/mA·min. Daraus folgt, dass eine Röntgenröhre bei 140 kV eine 4-fach höhere Dosisleistung liefert als bei 100 kV, wenn man den Röhrenstrom unverändert belässt.

Aus Strahlenschutzgründen wäre es folglich wünschenswert, mit niedrigen Röhrenspannungen um ca. 60–80 kV zu arbeiten, was jedoch nur selten möglich ist. Für die Bildgebung in der Computertomographie ist eine hohe Intensität (= Dosisleistung) der Röntgenstrahlung erforderlich. Die erforderliche Dosisleistung liegt bei Verwendung der leistungsfähigsten Drehanoden-Röhren leider auch heute noch im Allgemeinen höher, als mit dem höchsten einstellbaren Röhrenstrom bei einer Anodenspannung von beispielsweise 80 kV erzielt werden kann. Um ein ausreichend niedriges Bildrauschen zu gewährleisten, bleibt daher meist nichts anderes übrig, als die Röhrenspannung über den aus Strahlenschutzgründen optimalen Wert zu heben, denn der Wirkungsgrad einer Röntgenröhre steigt mit dem Quadrat der Röhrenspannung. Üblich sind Werte von ca. 120 kV, bei korpulenten Patienten auch 140 kV.

Artefakte durch Strahlaufhärtung treten umso stärker in Erscheinung, je niedriger die Röhrenspannung ist. Dies ist ein weiterer Grund, warum meist mit mehr als 100 kV Röhrenspannung gearbeitet wird.

Röhrenstrom

Der Röhrenstrom verhält sich linear zur Dosis, d. h. eine Verdopplung des Röhrenstroms verdoppelt die Strahlenbelastung.

Rotationszeit

Ebenso verhält es sich mit der Rotationsdauer. Die beiden Parameter werden daher meist zusammengefasst. Angegeben wird das Produkt aus Rotationsdauer und Röhrenstrom in Milliampere-Sekunden, in der Gleichung oben abgekürzt mit Q und der Einheit mAs. Bei Halbierung der Rotationsdauer der Röhre muss folglich der Röhrenstrom verdoppelt werden, soll das Bildrauschen konstant bleiben.

Zusammenhang von Bildrauschen und Schichtdicke

Aus obiger Gleichung folgt ebenso, dass bei Halbierung der Schichtdicke (bei gleicher Rotationsdauer) der Röhrenstrom verdoppelt werden muss, soll das Bildrauschen konstant bleiben. Umgekehrt kann der Röhrenstrom halbiert werden, wenn die Schichtdicke verdoppelt wird. Um das Bildrauschen zu halbieren, muss der Röhrenstrom vervierfacht werden. Alternativ kann die Schichtdicke vervierfacht oder beides verdoppelt werden.

Pitch, Rekonstruktionsfilter und Kontrastierung

Die Strahlenbelastung wird auch wesentlich vom gewählten Pitchfaktor bestimmt. Der Zusammenhang ist linear: Wird der Pitchfaktor bei sonst gleichen Parametern verdoppelt, halbiert sich die Strahlenbelastung.

Im Parameter fA ist neben dem Pitchfaktor auch der Einfluss des für die Bildrekonstruktion verwendeten Faltungskerns der gefilterten Rückprojektion enthalten: Dieser kann glättend oder kontrastanhebend wirken. Neben dem Kontrast wird allerdings auch das Bildrauschen verstärkt. kann je nach Faltungskern um bis zu einem Faktor 5 differieren. Die Faltungskerne werden je nach Hersteller etwas unterschiedlich benannt. Glättende Kerne heißen smooth oder soft, der Standardkern meist standard, kontrastverstärkend sind bone, edge, lung, high oder ultrahigh. Durch Wahl eines geeigneten Faltungskerns kann das Bild für das zu befundende Gewebe mit optimaler Qualität berechnet und damit unnötige Strahlendosis vermieden werden. Ein häufiger Kontrastverstärkungsmodus wird als HR-CT (High Resolution CT) bezeichnet.

Möglichkeiten zur Verringerung der Strahlenexposition

Die Strahlenbelastung des Patienten kann durch eine Reihe von Maßnahmen gesenkt werden. Eine aus Strahlenschutzgründen wünschenswerte Dosisersparnis bedeutet auch eine Verringerung der Röhrenbelastung, was letztlich die Lebensdauer der Röhre erhöht. Da CT-Röhren höhere 5-stellige Beträge kosten, ist hiermit ein weiterer Anreiz zur Dosissenkung geschaffen – zumindest für den niedergelassenen Radiologen, der die Kosten für einen Röhrentausch selbst zu tragen hat.

Untersuchungsbereich und medizinisches Aufnahmeprotokoll

Allen voran ist der Radiologe in der Pflicht, der die Zahl der CT-Untersuchungen auf die tatsächlich klar indizierten Fälle begrenzen muss. Jede zusätzliche Aufnahme bedeutet eine zusätzliche Strahlenbelastung und allzu oft werden mehrere Aufnahmen (nativ, arterielle Kontrastmittel-Phase, venöse Kontrastmittel-Phase, Spätphase) über dieselbe Untersuchungsregion gefahren. Auch mit der Begrenzung des Scan-Bereiches auf die relevante Untersuchungsregion kann einfach und effizient die Dosis reduziert werden.

Technisches Aufnahmeprotokoll

Die MTRA hat mit der Wahl des korrekten Untersuchungsprotokolls mit auf die Fragestellung optimierter Schichtdicke, Pitchfaktor, Faltungskern und Bildrauschen eine weitere, sehr mächtige Möglichkeit zur Dosisersparnis. Bei schlanken Patienten und Kindern kann und soll in aus Strahlenschutzgründen optimalen Röhrenspannungsbereichen von 60 bis 100 kV gearbeitet werden.

Dosismodulation

CTs aller großen Hersteller verfügen heute über eine Dosismodulation. Der Röhrenstrom wird dabei der vorliegenden Schwächung angepasst, sowohl in x-y- als auch in z-Richtung. Dies bedeutet, dass bei Aufnahmen der Lunge, die Leistung im Vergleich zum Abdomen zurückgenommen wird. Aber auch bei der Rotation wird der Röhrenstrom moduliert. Da der menschliche Körper einen näherungsweise ovalen Querschnitt hat, wird die Röhrenlast diesem Umstand angepasst. Die Leistung wird zurückgenommen, wenn von vorne bzw. von hinten (aus Sicht des Patienten) gestrahlt wird und hochgeregelt, wenn von der Seite gestrahlt wird. Meist ist diese Dosisregelung mit einer zweiten Automatik kombiniert, die den Röhrenstrom auch in Abhängigkeit vom Body-Mass-Index des Patienten regelt. Die Hersteller benutzen unterschiedliche Namen für diese Funktionen, z. B. Auto-mA, Smart-mA, Caredose 4D, Doseright oder Sure-Exposure.

Schichtdicke

Werden mehrere Schichten summiert dargestellt, verringert dies zwar die Auflösung im Bild, jedoch auch das Bildrauschen. Verzichtet der Arzt auf eine hohe Auflösung, weil er den Befund auch in einer Darstellung mit beispielsweise fünf Millimeter Schichtdicke hinreichend gut erkennen kann, kann durch Wahl eines darauf abgestimmten Aufnahmeprotokolls signifikant Dosis eingespart werden. Die Verwendung der Darstellung Sliding thin slab kann damit schließlich auch zur Dosissenkung beitragen.

Alternativen

Im Jahre 1977 wurden die ersten Studien zur Magnetresonanztomographie, abgekürzt MRT, am Menschen publiziert.

Dieses auch als Kernspintomographie bezeichnete Verfahren bietet zwei große Vorteile:

  1. Es wird keine potenziell krebserregende Röntgenstrahlung verwendet.
  2. Organe und Gewebe können auch ohne Verwendung von Kontrastmittel mit hohem Weichteilkontrast abgebildet werden, was insbesondere bei Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion ein gewichtiges Argument darstellt. Der Weichteilkontrast ist sogar deutlich besser als bei den modernsten Computertomographen.

Nachteilig waren lange Zeit die schlechtere Verfügbarkeit bedingt durch den höheren Anschaffungspreis der MRT-Geräte. Das starke Magnetfeld, die räumliche Enge im Gerät und die im Vergleich zur CT auch heute noch lange Untersuchungszeit bringen weitere Einschränkungen mit sich: So können zum Beispiel intensivmedizinisch überwachungspflichtige Patienten, Patienten mit Klaustrophobie oder Patienten die z. B. schmerzbedingt nicht für eine längere Zeit ruhig liegen können, nur eingeschränkt im MRT untersucht werden. Die erheblich längere Untersuchungszeit ist auch im Hinblick auf Unschärfe durch physiologische Patientenbewegung (Herz, Lunge, Darm) bis heute ein relevanter Nachteil. Außerdem ist die MRT zwar in der Lage, Weichteile mit exzellentem Weichteilkontrast darzustellen, aber prinzipbedingt bei der Darstellung von Knochen und Zähnen im Nachteil. Die MRT stellt damit oftmals keine Alternative, sondern ein komplementäres Verfahren dar.

Im zahnärztlichen Bereich ist eine alternative Bildgebung die Digitale Volumentomographie (= DVT). Für Angiographie-Anlagen und C-Bögen sind bisweilen Softwareoptionen verfügbar, die in Form der Rotationsangiographie ebenso eine räumliche Darstellung ermöglichen. In DVT wie auch in der Rotationsangiographie werden ähnliche Algorithmen wie bei der CT zur Bildberechnung verwendet.

Diagnostik in Deutschland

Gesamtzahl (stationär + ambulant) der CT-Untersuchungen und CT-Geräte in Deutschland (Daten: OECD)
Jahr 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
CT-Untersuchungen 7.442.307 7.993.497 8.393.000 8.779.000 9.251.000 9.859.000 10.236.000 10.548.000 10.910.000 11.643.000 11.689.698 12.225.017
CT-Geräte 2.434 2.399 2.446 2.558 2.559 2.643 2.688 2.735 2.719 2.862 2.866 2.896

Kursive Werte stellen Schätzwerte dar.

Literatur zur Geschichte der CT

  • Cornelius Borck: Computertomographie. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 268 f.

Medizinische Anwendung

Seit ihrer Einführung in den 1970er Jahren hat sich die CT zu einem wichtigen Instrument in der medizinischen Bildgebung entwickelt, das die konventionelle Röntgenbildgebung und die medizinische Ultraschalluntersuchung ergänzt. In jüngerer Zeit wird sie auch in der Präventivmedizin oder bei der Früherkennung von Krankheiten eingesetzt, z. B. bei der CT-Kolonographie für Menschen mit einem hohen Darmkrebsrisiko oder bei Ganzkörper-Scans des Herzens für Menschen mit einem hohen Risiko für Herzerkrankungen. Mehrere Einrichtungen bieten Ganzkörperscans für die Allgemeinbevölkerung an, obwohl diese Praxis vor allem wegen der angewandten Strahlendosis gegen den Rat und die offizielle Position vieler Berufsverbände auf diesem Gebiet verstößt.

Der Einsatz von CT-Scans hat in den letzten zwei Jahrzehnten in vielen Ländern drastisch zugenommen. Im Jahr 2007 wurden in den Vereinigten Staaten schätzungsweise 72 Millionen Scans durchgeführt, im Jahr 2015 waren es mehr als 80 Millionen.

Hals

Die Kontrastmittel-CT ist im Allgemeinen die erste Untersuchung der Wahl bei Halsgeschwülsten bei Erwachsenen. Die CT der Schilddrüse spielt eine wichtige Rolle bei der Beurteilung von Schilddrüsenkrebs. Bei der CT werden häufig zufällig Schilddrüsenanomalien entdeckt, so dass sie oft die bevorzugte Untersuchungsmethode für Schilddrüsenanomalien ist.

Lunge

Mit einer CT-Untersuchung lassen sich sowohl akute als auch chronische Veränderungen des Lungenparenchyms, des Lungengewebes, feststellen. Sie ist hier besonders wichtig, da normale zweidimensionale Röntgenaufnahmen solche Defekte nicht zeigen. Je nach der vermuteten Anomalie werden verschiedene Techniken eingesetzt. Zur Beurteilung von chronischen interstitiellen Prozessen wie Emphysemen und Fibrosen werden Dünnschnitte mit Hochfrequenz-Rekonstruktionen verwendet; oft werden die Aufnahmen sowohl beim Einatmen als auch beim Ausatmen durchgeführt. Diese spezielle Technik wird als hochauflösende CT bezeichnet, die ein Sampling der Lunge und keine kontinuierlichen Bilder erzeugt.

HRCT-Bilder eines normalen Thorax in axialer, koronaler bzw. sagittaler Ebene.
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Bronchialwanddicke (T) und Durchmesser des Bronchus (D)

Eine Verdickung der Bronchialwand kann auf CTs der Lunge gesehen werden und deutet im Allgemeinen (aber nicht immer) auf eine Entzündung der Bronchien hin.

Ein zufällig gefundener Knoten ohne Symptome (manchmal auch als Inzidentalom bezeichnet) kann die Befürchtung wecken, dass es sich um einen gut- oder bösartigen Tumor handeln könnte. Vielleicht aus Angst stimmen Patienten und Ärzte manchmal einer intensiven Reihe von CT-Scans zu, manchmal bis zu alle drei Monate und über die empfohlenen Leitlinien hinaus, um die Knoten zu überwachen. Nach den geltenden Leitlinien ist es jedoch unwahrscheinlich, dass bei Patienten, bei denen in der Vorgeschichte kein Krebs aufgetreten ist und deren Knoten über einen Zeitraum von zwei Jahren nicht gewachsen sind, ein bösartiger Krebs vorliegt. Aus diesem Grund und weil es keine Forschungsergebnisse gibt, die belegen, dass eine intensive Überwachung zu besseren Ergebnissen führt, sowie wegen der Risiken, die mit CT-Scans verbunden sind, sollten Patienten keine CT-Screenings erhalten, die über die in den etablierten Leitlinien empfohlenen hinausgehen.

Angiographie

Beispiel für eine CTPA, die einen Sattelembolus (dunkle horizontale Linie) zeigt, der die Lungenarterien (helles weißes Dreieck) verschließt

Die Computertomographie-Angiographie (CTA) ist eine Form der Kontrastmittel-CT zur Darstellung der Arterien und Venen im gesamten Körper. Dies reicht von den Arterien, die das Gehirn versorgen, bis hin zu den Arterien, die das Blut in die Lunge, die Nieren, die Arme und die Beine leiten. Ein Beispiel für diese Art von Untersuchung ist das CT-Pulmonalangiogramm (CTPA), das zur Diagnose einer Lungenembolie (PE) eingesetzt wird. Dabei wird eine Computertomographie und ein jodhaltiges Kontrastmittel verwendet, um ein Bild der Lungenarterien zu erhalten.

Herz

Eine CT-Untersuchung des Herzens wird durchgeführt, um Erkenntnisse über die Anatomie des Herzens oder der Herzkranzgefäße zu gewinnen. Traditionell werden CT-Untersuchungen des Herzens zur Erkennung, Diagnose oder Nachverfolgung von Erkrankungen der Herzkranzgefäße eingesetzt. In jüngster Zeit spielt die CT eine Schlüsselrolle auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der transkathetergestützten strukturellen Herzinterventionen, insbesondere bei der transkathetergestützten Reparatur und dem Ersatz von Herzklappen.

Die wichtigsten Formen der CT-Untersuchung des Herzens sind:

  • Koronar-CT-Angiographie (CCTA): Einsatz der CT zur Beurteilung der Herzkranzgefäße. Der Patient erhält eine intravenöse Injektion von Radiokontrastmittel, und dann wird das Herz mit einem Hochgeschwindigkeits-CT-Scanner gescannt, so dass Radiologen das Ausmaß des Verschlusses der Koronararterien beurteilen können, in der Regel zur Diagnose einer koronaren Herzkrankheit.
  • Koronarer CT-Kalzium-Scan: wird ebenfalls zur Beurteilung des Schweregrads einer koronaren Herzkrankheit eingesetzt. Dabei wird insbesondere nach Kalkablagerungen in den Koronararterien gesucht, die die Arterien verengen und das Risiko eines Herzinfarkts erhöhen können. Ein typischer Koronar-CT-Kalzium-Scan wird ohne Radiokontrastmittel durchgeführt, kann aber unter Umständen auch mit kontrastverstärkten Bildern durchgeführt werden.

Um die Anatomie besser zu veranschaulichen, werden die Bilder häufig nachbearbeitet. Am häufigsten sind multiplanare Rekonstruktionen (MPR) und Volumenrendering. Für komplexere Anatomien und Verfahren, wie z. B. Herzklappeneingriffe, wird auf der Grundlage dieser CT-Bilder eine echte 3D-Rekonstruktion oder ein 3D-Druck erstellt, um ein tieferes Verständnis zu gewinnen.

Abdomen und Becken

CT-Aufnahme eines normalen Abdomens und Beckens, jeweils in der Sagittalebene, der Koronalebene und der Axialebene.
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Die CT ist ein präzises Verfahren für die Diagnose von Unterleibserkrankungen wie Morbus Crohn, Blutungen im Magen-Darm-Trakt und die Diagnose und Stadieneinteilung von Krebs sowie für die Nachsorge nach einer Krebsbehandlung zur Beurteilung des Ansprechens. Sie wird häufig zur Untersuchung akuter Unterleibsschmerzen eingesetzt.

Die nicht-verstärkte Computertomographie ist heute der Goldstandard für die Diagnose von Harnsteinen. Größe, Volumen und Dichte von Steinen können geschätzt werden, um den Ärzten bei der weiteren Behandlung zu helfen; die Größe ist besonders wichtig, um die spontane Passage eines Steins vorherzusagen.

Achsenskelett und Extremitäten

Im Bereich des axialen Skeletts und der Extremitäten wird die CT häufig zur Darstellung komplexer Frakturen, insbesondere im Bereich der Gelenke, eingesetzt, da sie in der Lage ist, den betreffenden Bereich in mehreren Ebenen zu rekonstruieren. Frakturen, Bandverletzungen und Verrenkungen können mit einer Auflösung von 0,2 mm leicht erkannt werden. Mit den modernen Dual-Energie-CT-Scannern wurden neue Anwendungsbereiche erschlossen, wie z. B. die Unterstützung bei der Diagnose von Gicht.

Biomechanische Anwendung

Die CT wird in der Biomechanik eingesetzt, um die Geometrie, die Anatomie, die Dichte und den Elastizitätsmodul von biologischen Geweben schnell zu erkennen.

Interpretation der Ergebnisse

Fensterung

CT-Datensätze haben einen sehr hohen Dynamikbereich, der für die Anzeige oder den Druck reduziert werden muss. Dies geschieht in der Regel durch einen Prozess der "Fensterung", bei dem ein Bereich (das "Fenster") von Pixelwerten auf eine Graustufenrampe abgebildet wird. So werden beispielsweise CT-Bilder des Gehirns üblicherweise mit einem Fenster betrachtet, das sich von 0 HU bis 80 HU erstreckt. Pixelwerte von 0 und darunter werden schwarz dargestellt; Werte von 80 und darüber werden weiß dargestellt; Werte innerhalb des Fensters werden als graue Intensität proportional zur Position innerhalb des Fensters dargestellt. Das für die Darstellung verwendete Fenster muss an die Röntgendichte des interessierenden Objekts angepasst werden, um die sichtbaren Details zu optimieren.

Volumen-Rendering

Menschlicher 3D-Schädel aus Computertomographie-Daten

Der Bediener legt einen Schwellenwert für die Radiodichte fest (z. B. einen Wert, der einem Knochen entspricht). Mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen zur Kantenerkennung kann aus den Ausgangsdaten ein 3D-Modell erstellt und auf dem Bildschirm angezeigt werden. Verschiedene Schwellenwerte können verwendet werden, um mehrere Modelle zu erhalten, wobei jede anatomische Komponente, wie z. B. Muskel, Knochen und Knorpel, auf der Grundlage unterschiedlicher Farben unterschieden werden kann. Bei dieser Arbeitsweise können jedoch keine inneren Strukturen dargestellt werden.

Das Oberflächenrendering ist eine begrenzte Technik, da es nur die Oberflächen anzeigt, die eine bestimmte Schwellendichte erfüllen und die dem Betrachter zugewandt sind. Beim Volumenrendering hingegen werden Transparenz, Farben und Schattierungen verwendet, was die Darstellung eines Volumens in einem einzigen Bild erleichtert. So können beispielsweise die Beckenknochen halbtransparent dargestellt werden, so dass auch bei schrägem Blickwinkel nicht ein Teil des Bildes einen anderen verdeckt.

Bildqualität

Niedrigdosis-CT-Aufnahme des Thorax.
Standard-CT-Aufnahme des Brustkorbs.

Dosis versus Bildqualität

Ein wichtiges Thema in der Radiologie ist heute die Frage, wie die Strahlendosis bei CT-Untersuchungen ohne Beeinträchtigung der Bildqualität reduziert werden kann. Im Allgemeinen führen höhere Strahlungsdosen zu höher aufgelösten Bildern, während niedrigere Dosen zu einem stärkeren Bildrauschen und unscharfen Bildern führen. Eine höhere Dosis erhöht jedoch die unerwünschten Nebenwirkungen, einschließlich des Risikos einer strahleninduzierten Krebserkrankung - ein Vier-Phasen-CT des Abdomens ergibt die gleiche Strahlendosis wie 300 Röntgenaufnahmen des Brustkorbs. Es gibt mehrere Methoden, mit denen die Belastung durch ionisierende Strahlung während einer CT-Untersuchung verringert werden kann.

  1. Neue Softwaretechnologien können die erforderliche Strahlendosis erheblich reduzieren. Neue iterative tomographische Rekonstruktionsalgorithmen (z. B. iterative Sparse Asymptotic Minimum Variance) könnten eine Superauflösung bieten, ohne dass eine höhere Strahlendosis erforderlich ist.
  2. Individualisierung der Untersuchung und Anpassung der Strahlendosis an den untersuchten Körpertyp und das Körperorgan. Verschiedene Körpertypen und Organe erfordern unterschiedliche Strahlungsmengen.
  3. Eine höhere Auflösung ist nicht immer geeignet, z. B. bei der Erkennung von kleinen Lungenmassen.

Vorteile

Das CT-Scannen hat mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen zweidimensionalen medizinischen Radiographie. Erstens entfällt bei der CT die Überlagerung von Bildern von Strukturen außerhalb des Untersuchungsgebiets. Zweitens haben CT-Scans eine höhere Bildauflösung, so dass feinere Details untersucht werden können. Die CT kann zwischen Geweben unterscheiden, die sich in der Röntgendichte um 1 % oder weniger unterscheiden. Drittens ermöglicht die CT eine multiplanare, umformatierte Bildgebung: Die Scandaten können je nach diagnostischer Aufgabe in der transversalen (oder axialen), koronalen oder sagittalen Ebene dargestellt werden.

Die verbesserte Auflösung der CT hat die Entwicklung neuer Untersuchungen ermöglicht. Bei der CT-Angiographie wird zum Beispiel das invasive Einführen eines Katheters vermieden. Mit der CT kann eine virtuelle Koloskopie mit größerer Genauigkeit und weniger Unannehmlichkeiten für den Patienten durchgeführt werden als eine herkömmliche Koloskopie. Die virtuelle Kolonographie ist bei der Erkennung von Tumoren viel genauer als ein Bariumeinlauf und benötigt eine geringere Strahlendosis.

Die CT ist ein diagnostisches Verfahren mit mittlerer bis hoher Strahlendosis. Die Strahlendosis für eine bestimmte Untersuchung hängt von mehreren Faktoren ab: gescanntes Volumen, Körperbau des Patienten, Anzahl und Art der Scansequenzen sowie gewünschte Auflösung und Bildqualität. Zwei Parameter des Spiral-CT-Scans, der Röhrenstrom und die Steigung, lassen sich leicht einstellen und haben einen großen Einfluss auf die Strahlung. CT-Scans sind bei der Beurteilung der anterioren interkorporellen Fusion genauer als zweidimensionale Röntgenaufnahmen, obwohl sie das Ausmaß der Fusion immer noch überbewerten können.

Unerwünschte Wirkungen

Scan-Dosis

Einheiten der Strahlendosis

Die in der Einheit Gray oder mGy angegebene Strahlendosis ist proportional zu der Energie, die der bestrahlte Körperteil voraussichtlich absorbiert, und die physikalische Wirkung (z. B. DNA-Doppelstrangbrüche) auf die chemischen Bindungen der Zellen durch Röntgenstrahlung ist proportional zu dieser Energie.

Die Einheit Sievert wird für die Angabe der effektiven Dosis verwendet. Im Zusammenhang mit CT-Scans entspricht die Sievert-Einheit nicht der tatsächlichen Strahlendosis, die der gescannte Körperteil absorbiert, sondern einer anderen Strahlendosis in einem anderen Szenario, wobei der gesamte Körper die andere Strahlendosis absorbiert und die andere Strahlendosis eine Größenordnung hat, für die die gleiche Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung wie für den CT-Scan geschätzt wird. Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, ist die tatsächliche Strahlung, die von einem untersuchten Körperteil absorbiert wird, oft viel größer als die effektive Dosis vermuten lässt. Ein spezielles Maß, der so genannte Computertomographie-Dosisindex (CTDI), wird üblicherweise als Schätzung der Strahlungsabsorptionsdosis für das Gewebe innerhalb des Scanbereichs verwendet und von medizinischen CT-Scannern automatisch berechnet.

Die Äquivalentdosis ist die effektive Dosis eines Falles, bei dem der gesamte Körper tatsächlich die gleiche Strahlendosis aufnehmen würde, und wird in der Einheit Sievert angegeben. Bei ungleichmäßiger Bestrahlung oder bei Bestrahlung nur eines Teils des Körpers, wie sie bei CT-Untersuchungen üblich ist, würde die Verwendung der lokalen Äquivalentdosis allein die biologischen Risiken für den gesamten Organismus überbewerten.

Auswirkungen der Strahlung

Die meisten gesundheitsschädlichen Wirkungen der Strahlenbelastung lassen sich in zwei allgemeine Kategorien einteilen:

  • deterministische Wirkungen (schädliche Gewebereaktionen), die größtenteils auf die Abtötung/Fehlfunktion von Zellen nach hohen Dosen zurückzuführen sind;
  • stochastische Wirkungen, d. h. Krebs und vererbbare Wirkungen, bei denen sich entweder bei den exponierten Personen aufgrund von Mutationen somatischer Zellen Krebs entwickelt oder bei deren Nachkommen aufgrund von Mutationen reproduktiver (Keim-)Zellen vererbbare Krankheiten auftreten.

Das zusätzliche Lebenszeitrisiko, an Krebs zu erkranken, das sich aus einer einzigen abdominalen CT von 8 mSv ergibt, wird auf 0,05 % oder 1 zu 2.000 geschätzt.

Aufgrund der erhöhten Strahlenempfindlichkeit von Föten ist die Strahlendosis einer CT-Untersuchung eine wichtige Überlegung bei der Wahl der medizinischen Bildgebung in der Schwangerschaft.

Überhöhte Dosen

Im Oktober 2009 leitete die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) eine Untersuchung von Hirnperfusions-CT-Scans (PCT) ein, die auf Strahlungsverbrennungen aufgrund falscher Einstellungen in einer bestimmten Einrichtung für diese spezielle Art von CT-Scan zurückzuführen war. Über 256 Patienten waren über einen Zeitraum von 18 Monaten der Strahlung ausgesetzt. Über 40 % von ihnen verloren Haarsträhnen, was den Leitartikel dazu veranlasste, verstärkte CT-Qualitätssicherungsprogramme zu fordern. Es wurde festgestellt, dass zwar eine unnötige Strahlenbelastung vermieden werden sollte, eine medizinisch notwendige CT-Untersuchung mit geeigneten Aufnahmeparametern jedoch Vorteile bietet, die die Strahlenrisiken überwiegen". Ähnliche Probleme wurden auch aus anderen Zentren gemeldet. Man geht davon aus, dass diese Vorfälle auf menschliches Versagen zurückzuführen sind.

Kontrastmittel

Kontrastmittel, die bei der Röntgen-CT ebenso wie beim Röntgen auf Normalfilm verwendet werden, nennt man Radiokontraste. Radiokontraste für die CT sind in der Regel jodhaltig. Dies ist nützlich, um Strukturen wie Blutgefäße hervorzuheben, die sonst nur schwer von ihrer Umgebung abzugrenzen wären. Die Verwendung von Kontrastmitteln kann auch dazu beitragen, funktionelle Informationen über Gewebe zu erhalten. Häufig werden Bilder sowohl mit als auch ohne Radiokontrast aufgenommen.

Gesellschaft und Kultur

Kampagnen

Als Reaktion auf die zunehmende Besorgnis der Öffentlichkeit und die ständigen Fortschritte bei den bewährten Verfahren wurde innerhalb der Gesellschaft für pädiatrische Radiologie die Alliance for Radiation Safety in Pediatric Imaging gegründet. In Zusammenarbeit mit der American Society of Radiologic Technologists, dem American College of Radiology und der American Association of Physicists in Medicine hat die Gesellschaft für Pädiatrische Radiologie die Kampagne Image Gently entwickelt und ins Leben gerufen, die darauf abzielt, qualitativ hochwertige Bildgebungsstudien aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die niedrigsten Dosen und die besten Strahlenschutzpraktiken bei pädiatrischen Patienten anzuwenden. Diese Initiative wurde von einer wachsenden Zahl medizinischer Fachorganisationen auf der ganzen Welt befürwortet und umgesetzt und erhielt Unterstützung und Hilfe von Unternehmen, die in der Radiologie verwendete Geräte herstellen.

Nach dem Erfolg der Image Gently-Kampagne haben das American College of Radiology, die Radiological Society of North America, die American Association of Physicists in Medicine und die American Society of Radiologic Technologists eine ähnliche Kampagne mit dem Namen Image Wisely ins Leben gerufen, die sich mit diesem Thema bei Erwachsenen beschäftigt.

Die Weltgesundheitsorganisation und die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) der Vereinten Nationen haben sich ebenfalls mit diesem Thema befasst und führen derzeit Projekte durch, die darauf abzielen, bewährte Verfahren zu erweitern und die Strahlendosis für Patienten zu senken.

Prävalenz

Anzahl der CT-Scanner nach Ländern (OECD)
Stand: 2017
(pro Million Einwohner)
Land Wert
 Japan 111.49
 Australien 64.35
 Island 43.68
 Vereinigte Staaten 42.64
 Dänemark 39.72
  Schweiz 39.28
 Lettland 39.13
 Südkorea 38.18
 Deutschland 35.13
 Italien 34.71
 Griechenland 34.22
 Österreich 28.64
 Finnland 24.51
 Chile 24.27
 Litauen 23.33
 Irland 19.14
 Spanien 18.59
 Estland 18.22
 Frankreich 17.36
 Slowakei 17.28
 Polen 16.88
 Luxemburg 16.77
 Neuseeland 16.69
 Tschechische Republik 15.76
 Kanada 15.28
 Slowenien 15.00
 Türkei 14.77
 Niederlande 13.48
 Russland 13.00
 Israel 9.53
 Ungarn 9.19
 Mexiko 5.83
 Kolumbien 1.24

Der Einsatz von CT hat in den letzten zwei Jahrzehnten drastisch zugenommen. Im Jahr 2007 wurden in den Vereinigten Staaten schätzungsweise 72 Millionen Untersuchungen durchgeführt, was fast die Hälfte der gesamten Pro-Kopf-Dosisleistung aus radiologischen und nuklearmedizinischen Verfahren ausmacht. Von den CT-Untersuchungen werden sechs bis elf Prozent bei Kindern durchgeführt, was einem Anstieg um das Sieben- bis Achtfache seit 1980 entspricht. Ähnliche Steigerungen sind in Europa und Asien zu verzeichnen. In Calgary, Kanada, wurde bei 12,1 % der Personen, die mit dringenden Beschwerden in die Notaufnahme kamen, eine CT-Untersuchung durchgeführt, in den meisten Fällen entweder des Kopfes oder des Abdomens. Der Prozentsatz der Patienten, die ein CT erhielten, schwankte jedoch stark nach dem behandelnden Notarzt und lag zwischen 1,8 % und 25 %. In der Notaufnahme der Vereinigten Staaten werden seit 2007 bei 15 % der Personen, die mit Verletzungen eingeliefert werden, CT- oder MRT-Untersuchungen durchgeführt (im Vergleich zu 6 % im Jahr 1998).

Der verstärkte Einsatz von CT-Scans war in zwei Bereichen am stärksten: Screening von Erwachsenen (Screening-CT der Lunge bei Rauchern, virtuelle Koloskopie, CT-Screening des Herzens und Ganzkörper-CT bei asymptomatischen Patienten) und CT-Bildgebung bei Kindern. Die Verkürzung der Scanzeit auf etwa 1 Sekunde und die Tatsache, dass die Versuchsperson nicht mehr unbedingt stillhalten oder sediert werden muss, ist einer der Hauptgründe für die starke Zunahme der pädiatrischen Bevölkerung (insbesondere bei der Diagnose von Blinddarmentzündungen). Seit 2007 wird in den Vereinigten Staaten ein Teil der CT-Untersuchungen unnötig durchgeführt. Einigen Schätzungen zufolge liegt dieser Anteil bei 30 %. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, darunter: rechtliche Bedenken, finanzielle Anreize und der Wunsch der Öffentlichkeit. So bezahlen einige gesunde Menschen gerne für Ganzkörper-CT-Scans als Vorsorgeuntersuchung. In diesem Fall ist keineswegs klar, dass der Nutzen die Risiken und Kosten überwiegt. Die Entscheidung, ob und wie ein Inzidentalom behandelt werden soll, ist komplex, die Strahlenbelastung ist nicht zu vernachlässigen, und die Kosten für die Untersuchungen sind mit Opportunitätskosten verbunden.

Hersteller

Die wichtigsten Hersteller von CT-Scannern, Geräten und Ausrüstungen sind:

  • United States GE Healthcare
  • Germany Siemens Healthineers
  • Japan Canon Medical Systems Corporation (ehemals Toshiba Medical Systems)
  • Netherlands Koninklijke Philips N.V.
  • Japan Fujifilm Healthcare (ehemals Hitachi Medical Systems)
  • China Neusoft Medizinische Systeme
  • China United Imaging Gesundheitswesen