CT (Computertomographie)

Das CT (Computertomographie) ist eines der wichtigsten diagnostischen Mittel der modernen Medizin. Es ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung von Knochen und anderen Bestandteilen des Körpers innerhalb weniger Minuten. Dieser Artikel befasst sich ausführlich mit der Funktionsweise, dem Ablauf und den Anwendungsgebieten der Computertomographie und wirft einen Blick auf die Entwicklungsgeschichte dieser Technik.

Was ist ein CT?

Ein CT, kurz für Computertomographie, beschreibt ein Röntgenverfahren, durch das eine Darstellung des Körpers in Querschnittbildern möglich ist. Damit zählt es zu den Schnittbildverfahren. Im Vergleich zum konventionellen Röntgen ist die Auflösung und Detailhaftigkeit der CT-Aufnahmen deutlich besser. So kann das behandelnde Personal neben den groben Strukturen und Knochen auch Weichteilgewebe mit niedrigen Kontrastunterschieden beurteilen. Bisher war eine Betrachtung der Bilder in 2D die Regel, mittlerweile können die Aufnahmen über Computerberechnungen auch dreidimensional ausgewertet werden.

Unterschied CT und MRT

Das CT darf nicht mit einem ähnlichen bildgebenden Verfahren verwechselt werden, dem MRT. Die Magnetresonanztomografie (MRT) arbeitet im Unterschied zur Computertomographie nicht mit Röntgenstrahlen oder vergleichbaren ionisierenden Strahlen, sondern basiert auf einem kräftigen Magnetfeld. Bei der Methode sind keine Langzeitschäden bekannt und die hohe Kontrastauflösung erlaubt eine noch genauere Beurteilung der Weichteilstrukturen und des Nervengewebes. Durch diese Unterschiede ergeben sich für das MRT andere Einsatzgebiete als für die Computertomographie.

Allerdings nimmt die MRT-Untersuchung deutlich mehr Zeit in Anspruch und Patienten, die metallhaltige Körperimplantate besitzen, können diese Untersuchung aufgrund der magnetsichen Anziehungskraft nicht machen. Weiterhin ist die Diagnostik und Anschaffung des MRTs teurer als die eines CTs.

CT – Funktionsweise

Herzstück des CTs ist der namensgebende Computertomograph, ein runder Apparat. Der Patient platziert sich für die Bildgebung auf einer Liege, welche beliebig weit durch den Computertomographen gefahren werden kann. Das Gerät enthält im Inneren einen Ring, welcher während der Untersuchung rotiert. In diesem ist wiederum ein Röntgenapparat eingebaut, der auf der einen Hälfte die Röntgenröhre zur Entsendung der Röntgenstrahlen enthält. Gegenüberliegend findet sich das Mess-System mit den entsprechenden Detektoren.

Während der Bilderstellung dreht sich der Ring mitsamt der Röntgenröhre um den Patienten. In dieser Zeit entsendet die Röhre Röntgenstrahlen, welche die entsprechende Körperregion von jeder Seite durchdringen. Um die Funktionsweise zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, dass die Durchlässigkeit von Röntgenstrahlen zwischen verschiedenen Körpergeweben variiert. Gewebe, die viel Röntgenstrahlung absorbieren, werden im Bild hell dargestellt. Hierzu zählen zum Beispiel die Knochen. Gewebe mit geringer Absorption sind dunkel erkennbar.

Die Strahlen, welche durch das Gewebe dringen, werden von den Detektoren aufgefangen und in elektronische Signale umgewandelt. Ein Computer wertet diese dann aus und erstellt zweidimensionale Schnittbilder. Werden mehrere davon aus unterschiedlichen Perspektiven zusammengelegt, kann ein dreidimensionales Bild kreiert werden.

Ein Voxel bildet die Grundlage der Bildberechnung im CT und gilt als kleinstmögliche Einheit. Man kann ihn mit dem Pixel eines normalen Bildes vergleichen, er ist allerdings dreidimensional und würfelförmig. Je kleiner der Voxel ist, desto schärfer ist das Bild am Ende.

Zusammenfassend kann man sich die Funktionsweise eines CTs wie folgt vorstellen: Das Gerät schneidet den Körper bildlich in “Scheiben”, ähnlich wie ein geschnittenes Brot. Dabei entspricht eine Aufnahme einer extremst dünnen Scheibe Brot. Auf dieser Scheibe kann man anschließend das Körperinnere begutachten und Diagnostik betreiben.

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CT – Anwendungsgebiete

Auch außerhalb der Medizin findet das Verfahren der Computertomographie Anwendung. So kann man etwa Bäume oder archäologische Funde untersuchen, ohne sie zu zerstören. In der Industrie kann die Technik zur Materialprüfung eingesetzt werden und auch in der Tiermedizin ist sie von diagnostischem Nutzen.

Medizin

Die Humanmedizin zählt zu den Hauptanwendungsgebieten des CTs. Radiologen und Medizintechnische Angestellte führen jedes Jahr Millionen von Untersuchungen durch. Ein CT ist immer dann sinnvoll, wenn eine Erkrankung zu einer Veränderung einer darstellbaren Struktur geführt hat. Knochenbrüche (Frakturen), Blutungen und oft Entzündungen können Fachärzte darüber etwa diagnostizieren. Diese Verletzungen, besonders die Frakturen, sind manchmal so klein, dass man sie im konventionellen Röntgen nicht sieht und deshalb ein CT zur Abklärung dient.

Knorpel, Bänder, Weichteilgewebe und Nervengewebe kann man mittels der Computertomographie nur eingeschränkt beurteilen. Mittel der Wahl ist hier die Magnetresonanztomographie (MRT). In Kombination mit der Positronen-Emissions-Tomographie kann das CT außerdem Aussagen über Tumoren und Metastasen treffen. Diese Methode ist auch als PET/CT bekannt.

Flughafensicherung

Die Technik der Computertomographie ist mittlerweile auch an Flughäfen etabliert. Gepäck und Pakete werden dort routinemäßig zu Sicherheitszwecken gescannt. Anschließend erfolgt der Einsatz von Objekterkennungsalgorithmen, die anhand des dreidimensionalen Erscheinungsbilds des jeweiligen Gegenstands gängige Bedrohungsgegenstände erkennen können. Darunter fallen etwa Waffen, Messer oder Flüssigkeitsbehälter.

Industrielle Nutzung

Auch in der Industrie kommt das CT regulär zum Einsatz. Durch die Bildgebung ist die Darstellung des gesamten Innen- und Außenaufbaus eines Werkstücks möglich. So können zum Beispiel Bauteilfehler genau lokalisiert werden. Durch die veränderten Anforderungen an das Verfahren unterscheidet sich die Nutzung des CT in der Industrie von der Medizin. Dazu zählt etwa der grundlegende Aufbau. Während sich in der Medizin der Computertomograph um den Patienten dreht, so kann man in der Industrie einen festen Computertomographen installieren und das Objekt stattdessen rotieren lassen. Außerdem verwendet man häufig höhere Strahlungsenergien.

CT-Untersuchung – Ablauf

Für die CT-Untersuchung muss zunächst wegen der Exposition gegenüber Strahlung eine “rechtfertigende Indikation” vorliegen. Medizinische Gründe sind zum Beispiel die Darstellung von Knochen und Gelenken, etwa nach einem Polytrauma, die Darstellung von Bauchorganen oder die Beurteilung des Hirnparenchyms bei der Frage nach akuten Blutungen im Gehirn. Zur Gefäßdarstellung kann die CT-Angiographie eingesetzt werden.

Die Untersuchung selbst nimmt bei kooperierenden Patienten lediglich wenige Minuten in Anspruch und eignet sich deshalb auch als gute Notfalldiagnostik. Außerdem ist sie komplett schmerzfrei und für Patienten mit Platzangst geeignet. Für die Auswertung der Bilder ist es von Vorteil, wenn der Patient bisherige Befunde von bildgebenden Verfahren mitbringt, die als Vergleich genutzt werden können.

Patientenvorbereitung und Kontrastmittel

Das Kontrastmittel findet im Großteil der CT-Untersuchungen seine Anwendung. Darunter versteht man eine Substanz, die in den Körper eingebracht wird und den Kontrast zwischen verschiedenen Strukturen erhöht. Beim Einsatz des Mittels muss der behandelnde Arzt allerdings einige Punkte im Vorfeld beachten.

Dazu zählt etwa die Kontrolle von bestimmten Blutwerten. Zum einen bestimmt man die Nierenfunktionswerte, zu denen das Kreatinin und die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) zählen. Hierüber kann man feststellen, ob die Nierenfunktion ausreichend ist, um das Kontrastmittel zu verarbeiten. Bei eingeschränkter Funktion ist eine Nutzen-Risiko-Abwägung erforderlich. Schlimmstenfalls besteht die Gefahr einer Kontrastmittel-Nephropathie, die eine akute Nierenschädigung zur Folge hat. Vorbeugend ist deshalb wichtig, dass der Patient genügend trinkt. Gegebenenfalls kann Acetylcystein verabreicht werden.

Wichtig ist auch die Bestimmung der Schilddrüsenfunktion. Dafür schaut man sich den Thyreotropin-Wert, auch TSH-Wert genannt, an. Das ist wichtig für das Verhindern einer thyreotoxischen Krise. Man erkennt durch den Wert Patienten mit einer nicht oder lediglich unzureichend behandelten Hyperthyreose. Gibt man diesen Patienten jodhaltiges Kontrastmittel, kann es zu einer drastischen Verschlechterung der Erkrankung kommen (Exazerbation). Vorbeugend kann man verschiedene Maßnahmen durchführen oder muss die Kontrastmittel-Gabe überdenken.

Zusätzlich muss jeder Patient nach möglichen Allergien auf das Kontrastmittel befragt werden, um eine allergische Reaktion zu verhindern.

Zur CT-Untersuchung müssen Patienten in der Regel nicht nüchtern erscheinen. Lediglich für Fragestellungen im Bereich des Gastrointestinaltraktes und bei Durchführung eines PET/CTs ist es notwendig.

Patientenlagerung und Referenzpunkt

Für die Untersuchung legt sich der Patient auf einen höhenverstellbaren Untersuchungstisch. Findet eine Bildgebung des Kopfes (cCT) statt, wird dieser fixiert, um unwillkürliche Bewegungen zu vermeiden. So kann das Bild nicht verwackeln.

Zur Planung des Untersuchungsbereichs benötigt die medizinische Fachkraft einen Nullpunkt. Auf diesen beziehen sich alle Koordinatenangaben. Dafür fährt man den Tisch auf Höhe der Untersuchungsebene. Der Computertomograph besitzt einen Positionier-Laser, der den Referenzpunkt auf den Körper des Patienten projiziert. Die Position dafür ist prinzipiell frei wählbar, sollte sich aber auf die Untersuchungsregion beziehen. Untersucht man zum Beispiel das Handgelenk, so wird der Punkt in die Nähe davon gesetzt. Anschließend nullt man das Koordinatensystem auf diesen Punkt mittels Knopfdruck.

Untersuchungsbereich planen

Zur einheitlichen Anwendung und zur Vermeidung von Anwenderfehlern existieren Untersuchungsprotokolle, die je nach Fragestellung den Ablauf, die Patientenlage und den Referenzpunkt festlegen. Den ersten Schritt stellt in jedem Fall die Übersichtsaufnahme dar. Auf dieser zeichnet die Medizinische Technologin für Radiologie den Untersuchungsbereich ein. Zur Bezeichnung nutzt man die gängigen medizinischen Lage- und Richtungsbezeichnungen.

Zum besseren Verständnis ein Beispiel: Fragestellung ist eine Bildgebung der Lunge. Nach dem Untersuchungprotokoll legt die zuständige Person den Referenzwert auf das Brustbein (Sternum). Jetzt fertigt sie eine Übersichtsaufnahme der gesamten Region an. Im nächsten Schritt wählt sie den gewollten Untersuchungsbereich, woraufhin in diesem Bereich das Schnittbild angefertigt wird.

Aufnahmen

Die Komplexität und damit die Dauer der CT-Aufnahmen hängt auch von der Fragestellung ab. Für eine Beinfraktur ist zum Beispiel nur eine Bildserie notwendig und zur Darstellung von Knochen oder Nierensteinen in der Regel kein Kontrastmittel nötig. Bei komplexeren Fragen, die zum Beispiel den Bauchraum oder das Weichteilgewebe betreffen, ist die Verwendung von Kontrastmittel indiziert und es werden häufig mehrere Scans der Region angefertigt.

Bezüglich der Aufnahmetypen kann man vier Arten unterscheiden:

• Nativ-Aufnahme: Hier erfolgt keine Kontrastmittelgabe
• Arterielle Aufnahme: Sie zeigt gefüllt Arterien, jedoch keine Venen. Eine ausreichende Beurteilung des umliegenden Gewebes ist nicht möglich. Die Aufnahmen werden etwa 30 Sekunden nach Kontrastmittel gestartet.
• Venöse Aufnahme: Bei diesem Typ sind die Venen und das Gewebe gut dargestellt. Zeitlich können diese Aufnahmen etwa 60 Sekunden nach Kontrastmittelgabe aufgenommen werden.
• Spätaufnahmen (late venous CT): Die Bildgebung erfolgt ab 90 Sekunden nach Kontrastmittelgabe oder sogar noch später.

Damit Radiologen und andere Fachärzte die CT-Bilder anschließend auswerten können, dürfen sie nicht verwackelt sein. Deshalb bittet man den Patienten bei Aufnahmen des Bauch- oder Brustraums, wenn nötig mehrmals, die Luft anzuhalten. Die Kommandos können entweder vom Personal selbst oder über automatisierte Sprachkommandos gegeben werden.

CT – Geschichte

Die Geschichte der Computertomographie beginnt im Jahr 1972. Der amerikanische Physiker Allan M. Cormack entwickelte die Technik gemeinsam mit dem britischen Ingenieur Godfrey N. Hounsfield, wofür sie 1979 den Nobelpreis verliehen bekamen.

Bereits einige Jahrzehnte früher, 1917, entwickelte der österreichische Mathematiker Johann Radon die mathematische Grundlage zur Berechnung. 1971 begannen die ersten Aufnahmen an einem Menschen, nachdem die Unbedenklichkeit zunächst an Tieren getestet wurde. Der erste Ganzkörper-Computertomograph fand 1976 in Heidelberg Einzug.

Meilensteine der CT-Entwicklung

Die Etablierung des CTs verlief sehr schnell. Es nahm rasant einen hohen Stellenwert in der Diagnostik ein und durchlief somit auch zügig technische Verbesserungen. Diese können als “Meilensteine” betitelt werden.

• 1972 und 1974: erstes CT-Gerät und erstes kommerzielles CT-System mit Sofortbildrekonstruktion
• 1987: Spiral-CT als technische Weiterentwicklung, bei dem der Tisch sich durch das Messfeld bewegt und durch eine 360-Grad-Drehung der Röhre spiralförmig ein Bild erstellt werden kann
• 1994: Subsekunden-Spiral-CT mit verbesserter Auflösung, dünneren Schichten und der Möglichkeit zur Darstellung größerer Volumina
• 1996: Ultra Fast Ceramic Detektoren, sodass bei gleicher Bildqualität eine geringere Strahlendosis nötig ist
• 1998: Multislice-Spiral-CT, mit dem vier Schichten pro Rotation bei einer Rotationszeit von einer halben Sekunde möglich sind. Diese Form ermöglich das Kardio-CT.
• 2002 und 2004: Zuerst entwickelt man das 16-Zeilen-CT, später das 64-Zeilen-CT.
• 2006: Dual-Source-CT enthält jetzt zwei Röntgeneinheiten und zwei Detektoren in einem Tomographen.
• 2007: 256-Zeilen-CT

Grundlegend verbessert sich mit der Zeit die Bildqualität und die Aufnahmezeit verkürzt sich. Für eine Schichtaufnahme benötigt das CT-Gerät heutzutage nur noch den Bruchteil einer Sekunde.

CT – Strahlenbelastung

Es ist belegt, dass Röntgenstrahlen in hoher Dosis die DNA und damit das Erbgut von Zellen schädigen können. Diese Veränderungen begünstigen die Entstehung von Krebserkrankungen und Tumoren, weshalb man vor der CT-Untersuchung entscheiden muss, ob das Risiko oder der Nutzen überwiegt. Deshalb entwickelte man die benannten rechtfertigenden Indikationen, die bei dieser Entscheidung helfen. Unnötige CT-Untersuchungen sollten bestmöglich vermieden werden, da vermutlich auch kleinere Mengen an Strahlung sich negativ auf die Gesundheit auswirken können.

Die Messgröße der Strahlenbelastung ist Milli-Sievert (mSv). Die Höhe unterscheidet sich je nach untersuchter Körperregion. Bei einem Schädel-CT liegt die Dosis bei zwei Milli-Sievert, während sie bei einem Bauch-CT etwa zehn Milli-Sievert beträgt.

Aufgrund der Strahlenbelastung verlässt das Personal während der Untersuchung den Raum. Da die zuständigen Personen täglich eine Vielzahl solcher Untersuchungen durchführen, würden sie sonst sehr schnell den jährlichen Grenzwert an Strahlenbelastung überschreiten.

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