mini|Siemens NAEOTOM Alpha – CT mit photonenzählenden Detektoren aus dem Jahr 2021. Links im Bild der Kontrastmittelinjektor ulrichINJECT CT motion.
Die Computertomografie bzw. Computertomographie (von und ), Abkürzung CT, ist ein bildgebendes Verfahren in der Radiologie, bei dem zur Röntgenuntersuchung mit Hilfe eines computergestützten Röntgengerätes Schnittbilder angefertigt werden. Alternative Bezeichnungen sind CT-Scan, CAT-Scan (von oder ) oder Schichtröntgen.
Im Gegensatz zur Röntgentomographie wird bei der Computertomografie ein Computer benutzt, um aus den Absorptionswerten von Röntgensignalen, die aus verschiedenen Richtungen durch den Körper treten, digital Schnittbilder zu errechnen.
Ab Einführung der ersten einfachen Geräte 1972 setzte sich die Computertomografie schnell durch, da sie im Gegensatz zu einer normalen Röntgenaufnahme eine überlagerungsfreie Darstellung der Körperstrukturen ermöglicht. Die Darstellung von Gewebearten mit unterscheidender Schwächung für Röntgenstrahlung war bis dahin nur sehr eingeschränkt möglich.W. A. Kalender: Computertomographie. Grundlagen, Gerätetechnologie, Bildqualität, Anwendungen Mit Mehrschicht-Spiral-CT. Publicis MCD Werbeagentur, München 2000, ISBN 3-89578-082-0. Mit über 6,8 Millionen Einsätzen im Jahr 2022 ist die Computertomografie das am häufigsten angewandte dreidimensionale bildgebende Verfahren in deutschen Krankenhäusern und wurde mehr als dreimal so häufig eingesetzt wie die Magnetresonanztomografie.
Verwandte Verfahren sind die digitale Volumentomographie und die Rotationsangiographie.
Funktionsweise mini|Beim CT kommt als Röntgenstrahl ein Fächerstrahl (grün dargestellt) zum Einsatz. In klinischen CTs steht er allerdings senkrecht und nicht, wie in diesem Bild gezeigt, waagerecht. Röhre (rot) und Detektor (weiß) 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 Computertomografie 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.T. M. Buzug: Einführung in die Computertomographie: Mathematisch-physikalische Grundlagen der Bildrekonstruktion. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2002, ISBN 3-540-20808-9 .W. A. Kalender: Computertomographie. Grundlagen, Gerätetechnologie, Bildqualität, Anwendungen. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2006, ISBN 3-89578-215-7.
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 Computertomografen 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 mini|Der erste klinische CT der Firma EMI
Die mathematischen Grundlagen der heute genutzten Computertomografie 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.Cornelius Borck: Computertomographie. Berlin/New York 2005, S. 268.
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.Allen M. Cormack: My Connection with the Radon Transform. In: S. Gindikin, P. Michor (Hrsg.): 75 Years of Radon Transform. International Press, Cambridge (MA) 1994, ISBN 1-57146-008-X, S. 32–35. 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 Computertomograf, 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-ComputertomographVgl. Josef Lissner: Ärztliche Diagnostik in der Radiologie, Entwicklung zum Ganzkörpercomputertomographen. In: Christa Habrich, Frank Marguth, Jörn Henning Wolf (Hrsg.) unter Mitarbeit von Renate Wittern: Medizinische Diagnostik in Geschichte und Gegenwart. Festschrift für Heinz Goerke zum sechzigsten Geburtstag (= Neue Münchner Beiträge zur Geschichte der Medizin und Naturwissenschaften: Medizinhistorische Reihe. Band 7/8). W. Fritsch, München 1978, ISBN 3-87239-046-5, S. 539–548. in Betrieb genommen.
Meilensteine der CT-Entwicklung Die Geschichte der Computertomografie 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 Computertomografie 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 Computertomografen für die Diagnostik am Menschen sind Rotate-Rotate-Geräte, also Geräte der dritten Generation.
mini|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, drehten 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.ACTA Model 0100 CT Scanner National Museum of American History. 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. Problematisch war unter anderem, dass bei einer relativ zu den Detektoren bewegten Röntgenröhre kein fix am Detektor angebrachtes Streustrahlenraster verwendet werden kann, und somit mehr störende Streustrahlung mitgemessen wird.