Computertomographie Geschichte und Technologie

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Computertomographie
Geschichte und Technologie
Probedruck
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Innovationen für Menschen
Es war schon eine kleine medizintechnische Revolution, als die
radiologische Diagnostik in den siebziger Jahren damit begann,
die Computertomographie (CT) einzusetzen. Und selbst in den
Achtzigern hatte eine CT-Untersuchung noch immer den
Charakter des Besonderen und Exklusiven. Doch die Zeiten
haben sich geändert. Heute stellt die Computertomographie
eine ebenso selbstverständliche wie etablierte Technologie dar,
die zu einem unverzichtbaren und integrierten Bestandteil im
Klinik- und Praxisalltag avanciert ist.
Die vorliegende Broschüre gibt Ihnen einen Einblick in die
Geschichte und in die Gegenwart der Computertomographie.
Doch die Entwicklung geht weiter. Und Siemens wird seine
führende Position in der CT-Technologie konsequent ausbauen.
Mit Ihnen. Für Sie. Und für Ihre Patienten.
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CT Basics
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Historischer Abriss
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Stand der Technik
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Sequentielle CT
Spiral-CT
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Aufbau eines CT-Gerätes
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Aufnahmeeinheit
Röntgenkomponenten
Datenerfassungskomponenten
15
15
16
Scanner-Parameter
18
Kollimation
Inkrement
Pitch
Rotationszeit
mAs
18
19
20
21
22
Bilderzeugung
23
Ein CT-Bild entsteht
Was zeigt das CT-Bild?
Fensterung
23
24
24
Bildauswertung und Bildbearbeitung
25
Zweidimensionale Darstellungen
Dreidimensionale Darstellungen
26
27
CT im klinischen Einsatz
32
CT in der allgemeinen Klinik
Vorteile der Spiral-CT in der Klinik
CT-Angiographie (CTA)
Bei welchen Indikationen werden
CT-Untersuchungen durchgeführt?
32
32
33
33
3
Probedruck
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Historischer Abriss
Die Erfindung der Computertomographie gilt als die größte
Innovation auf dem Gebiet der Radiologie seit der Entdeckung
der Röntgenstrahlen. Das Schichtbildverfahren eröffnete der
radiologischen Diagnostik bessere Einsichten in das Innere des
Körpers und damit bessere Chancen auf Heilung. 1979 wurden
G.N. Hounsfield und A.M. Cormack als Väter der CT mit dem
Nobelpreis für Medizin geehrt.
Heute ist die CT eine der bedeutendsten Methoden der radiologischen Diagnostik. Sie liefert überlagerungsfreie, errechnete
digitale Schichtbilder des Körpers, die kontrastreicher sind
als konventionelle Röntgenbilder. Damit sind z.B. spezielle,
unterschiedlich strukturierte Weichteilregionen überhaupt erst
zufriedenstellend darstellbar.
Einen Innovationsschub nach dem anderen erlebt die Computertomographie seit den neunziger Jahren, als die Spiral-CT
eingeführt wurde. Die Entwicklung der Schleifringtechnik
ermöglichte kontinuierlich rotierende Scannereinheiten –
die Voraussetzung für Spiral-CT. Der erste Spiral-CT-Scanner
war ein Siemens SOMATOM Plus. Heute ist diese Technik weit
verbreitet.
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Probedruck
CT Basics
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08.11.1895
1896
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1913
1903
Entdeckung der Röntgenstrahlung
Gustav Bucky
E.A.O. Pasche
F.H. Williams
Entdecker: Der Physiker
und spätere Nobelpreisträger Wilhelm Conrad
Röntgen (1845–1923),
Rektor der Julius-Maximilian-Universität Würzburg
und Inhaber des Lehrstuhls für Physik
William D. Coolidge
F.H. Williams gelingt in
Boston die erste Thoraxaufnahme und Carl
Schleußner entwickelt in
Frankfurt/Main, Deutschland, die ersten mit Silberbromid beschichteten
Röntgenfotoplatten
Nun ist eine Archivierung
der Befunde möglich;
vorher waren Fluoreszenzschirme das Mittel der
Wahl, die hohe Strahlenbelastungen mit sich
brachten
Gustav Bucky entwickelt in
Berlin, Deutschland, das
Streustrahlenraster
E.A.O. Pasche baut eine
Blende zur Unterdrückung
der Streustrahlung
Erstmals Strahlenschutz
für alle Beteiligten, vorher
standen Patient und Arzt
vor der „blanken“ Röntgenröhre
M e i l e n s t e i n e
Röntgenbild der Hand
seiner Frau
Probedruck
Der Ingenieur William D.
Coolidge baut in Massachusetts, USA, die erste Hochvakuum-Glühkathodenröhre
Bildqualität wird durch Eliminierung der Streustrahlen,
bevor sie auf dem Röntgenfilm auftreffen, erhöht
Leistung und Haltbarkeit
der Röntgenröhren sehr
gesteigert
i n
d e r
C T - G e s c h i c h t e
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1930/31
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1972
Allesandro Vallebona
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CY CMY
1974
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1976
1978
SIRETOM
SOMATOM
Bernard Ziedses
des Plantes
Godfrey N. Hounsfield
Allesandro Vallebona ebnet mit
der Entwicklung der Stratigraphie
den Weg zur Tomographie
Kurz darauf verfeinert Bernard
Ziedses des Plantes mit der von
ihm entwickelten Planigraphie
das Schichtaufnahmeverfahren
und erzeugt damit erstmals geometrisch einwandfreie Bilder
Der Nachteil der Superposition,
die bei der zweidimensionalen
Darstellung von dreidimensionalen Objekten auftritt und bei der
relevante Strukturinformationen
verloren gehen können, konnte
damit zumindest teilweise überwunden werden; die gewünschte
Schichttiefe musste erahnt
werden
In London leitet Godfrey
N. Hounsfield mit der
Entwicklung der Computertomographie eine
neue Epoche in der bildgebenden Diagnostik ein
Durch computergestützte
Tomographie können
erstmals überlagerungsfreie Bilder einer Objektschicht erzeugt werden.
Durch so genannte
Faltungsrechner werden
die digitalisierten Messdaten zu einem Bild
einer Schichtebene
rekonstruiert
Sofortbildrekonstruktion
SOMATOM 2
Erstes CT-System
von einem
Medizintechnikhersteller
EKGsynchronisiertes
CT-Bild
512 x 512 Darstellungsmatrix
Röntgenröhre
OPTI mit hoher
Wärmekapazität: 1,0 MHU
5 s Messzeit
Ganzkörper-CT
SIRETOM CT-System
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Probedruck
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1981/82
1983/84
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CY CMY
1985/86
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1987/88
SOMATOM Plus
SOMATOM DR3
1 s/360° SchleifringTechnologie
SOMATOM CR
Kontinuierliche Rotation von
Röhre und Detektor
SOMATOM DRH
512 x 512 Rekonstruktionsmatrix
± 25° GantryKippwinkel
50 cm FOV (Darstellungsfeld); grafisch wählbar,
kontinuierlich variabel
70 cm Gantry-Öffnung
3 s Scanzeit bei voller
360° Rotation
1 mm Schichtdicke
0,5 mm Hochkontrastauflösung
Röntgenröhre OPTI
mit 1,75 MHU
Integrierte
MPR-Funktion
(multiplanare
Reformatierung)
Moderne
Applikationen:
DYNAMIC CT und 3D
mit MPR und SSD
(Shaded Surface
Display)
Kürzere Untersuchungszeiten
3D Oberflächendarstellung (SSD)
40 kW DURA-Generator
Mehr Patientenkomfort
Röntgenröhre DURA
mit 13,5 MHU
Integrierte GantryKühlung: Wärmetauscher
1024 x 1024 Darstellungsund Dokumentationsmatrix
Röntgenröhre OPTI
mit 1,35 MHU
MPR in Echtzeit
Automatischer Scanbetrieb (AutoScan)
Fünf Schichtdicken zur
Auswahl (1–10 mm)
Grafisch vorgegebener
Scanbereich
Coronales MPR,
Femurkopf/Azetabulum,
SOMATOM DRH
3D Oberflächendarstellung
Schlüsselbeinfraktur,
SOMATOM DRH
7
Probedruck
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1989
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1990
CM
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CY CMY
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1991
SOMATOM AR
Erste Spiral-CT im
Routinebetrieb
SOMATOM Plus-S
Intuitive mausgesteuerte
Windows™Bedienoberfläche
Kontinuierliche
Volumenmessung
Datenaufnahme während
einer Atempause
24 s/24 cm kontinuierliche
Volumenerfassung
Kompakter Schleifring-Scanner
32 s kontinuierlicher SPIRAL-Scan
Detektor
QUANTILLARC 3
Spiral-CT-Aufnahme
mit kontinuierlichem
Tischplattenvorschub
links: 3D Oberflächendarstellung Lunge,
hochauflösend, Spiral-CT
rechts: Spiral-CT, Lunge,
hochauflösend, 2 mm,
SOMATOM Plus
8
Probedruck
CT Basics
Monitor mit 4-Quadrantendarstellung (je 5122) für
Multitasking
QUANTILLARC 4 Detektor mit
hohem Wirkungsgrad
Intuitive
Windows™Bedienoberfläche,
mausgesteuert
SOMATOM AR
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1992
Integrierte CT-Angiographie
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CY CMY
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1994
SOMATOM Plus 4
0,75 s SPIRAL
1,0 s SPIRAL
Sub-Sekunden Spiral-CT
30 cm/
30 s
40 cm/
30 s
Röntgenröhre DURA-S mit 4,3 MHU
Überlappende SPIRAL-Rekonstruktion
pro- und retrospektiv
SPIRAL XP: 40 s
(variabler Pitch 1:1 bis 2:1)
Maximal-Intensitätsprojektion (MIP)
und Minimal-Intensitätsprojektion
(MinIP) einschl. Editierfunktion für
CTA
Größere Volumina in kürzerer Zeit,
kürzeres Atemanhalten, mehr
Patientenkomfort, verbesserte
Dünnschicht-Auflösung
Mehr Volumen
in gleicher Zeit
0,75 s Scandauer bei voller 360°
Rotation, 0,5 s Teilscan
0,75 s SPIRAL
1,0 s SPIRAL
100 s/130 cm Mehrfach-SPIRAL
Aufnahme mit Pitch 1:1
Sechs Schichten (1–10 mm) zur Wahl
Fernbediente Gantry-Kippung ± 30°
Edelgas-Detektor QUANTILLARC 6
40–55 kW modular aufrüstbarer
DURA-Generator
Röntgenröhre DURA mit 5,3 MHU
rt
R
CT-Angio (MIP)
der Nierenarterien
SOMATOM
Plus-S
CT-Angio (MIP)
Circulus Willisii
SOMATOM
Plus-S
22 s
0,75 s SPIRAL
30 s
1,0 s SPIRAL
Gleiches Volumen
in kürzerer Zeit
Sub-Sekunden Spiral-CT,
lange MPR, Abdomen/Pelvis,
SOMATOM Plus 4
Probedruck
Bessere DünnschichtAuflösung
Vorteile des Sub-Sekunden
SPIRAL-Scans
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1996/97
L
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1998
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1999
Lightning UFC™
syngo Software
SOMATOM Volume Zoom
Ultra Fast CeramicDetektor UFC
RAL
Gleiche Bildqualität bei
deutlich reduzierter
Strahlendosis
Multislice Spiral Scanning
mit 4 Schichten
pro Rotation
Schnellste Rotationszeit
von 0,5 Sekunden
Verbesserte MPR –
coronar/sagittal/schräg
Nahezu isotrope
Auflösung
Echtzeit-Bilddarstellung
(1 Bild/Rotation)
HeartView CT:
erstmals Cardio CT im
routinemäßigen Einsatz –
zeitliche Auflösung von
bis zu 125 ms
Volume Rendering Technique
(VRT)
Intuitive Benutzeroberfläche
für alle medizinischen
Anwendungen, Applikationen
und Produkte
SureView™:
Rekonstruktionsalgorithmus für Multislice Spiral
Scanning
PIRAL
RAL
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Probedruck
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2000
2001
SOMATOM Smile
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2002
SOMATOM Sensation 16
CARE Dose
Multislice Scanning mit
16 Schichten pro Rotation
Kleinster und
kostengünstigster
Spiral-CT-Scanner
Plug and Play Installation
Do-it-yourself Konzept
für Applikationstraining
und Service mit Hilfe von
interaktiven CD-ROMs
Isotrope Auflösung bis zu 0,6 mm
Dosismodulation zur
Strahlenreduzierung
Routinemäßig SubmillimeterSchichten (16 x 0,75 mm)
Cardio CT mit extrem hoher Bildqualität – zeitliche Auflösung von
bis zu 105 ms mit HeartView CT
Rekonstruktionsalgorithmus mit
Cone Beam Korrektur
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Probedruck
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Stand der Technik
Sequentielle CT
Eine Schichtaufnahme entsteht durch das Abbild einer
Transversalschicht des Körpers aus unterschiedlichen
Winkelpositionen. Dabei rotieren Röhre und Detektor
über einen Bereich von 360° um den Patienten bei
fester Tischposition. Das Bild wird aus den resultierenden Projektionsdaten berechnet.
Bewegt sich der Patient während einer Aufnahme,
so sind die Daten aus den unterschiedlichen Winkelpositionen nicht mehr konsistent. Die Aufnahme weist
Bewegungsartefakte auf und ist für die Diagnose
von eingeschränktem Wert. Das Schichtaufnahmeverfahren ist für die Diagnose anatomischer Regionen
mit periodischen Bewegungen, z.B. das Herz oder die
Lunge, nur begrenzt aussagefähig.
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Probedruck
CT Basics
Röhren
Gantry
Patiententisch
Detektoren
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Richtung des
Patiententransports
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Bahn der rotierenden
Röhre und des Detektors
0
z, mm
0
t, s
Spiral-CT
Im Zusammenhang mit Spiral-CT fällt oft der Begriff „Volumenaufnahme-Verfahren.“ Das impliziert eine deutliche Abgrenzung
zur konventionellen CT und dem dort angewandten Schichtaufnahme-Verfahren. Der Spiral-CT liegt ein eigenes Aufnahmeprinzip zu Grunde. Anders als bei der sequentiellen CT wird der
Patient auf dem Tisch in z-Richtung kontinuierlich durch das
Messfeld bewegt. Dabei führt die Scanner-Einheit immer in der
gleichen Richtung eine Vielzahl von 360°-Rotationen aus. Auf
diese Weise tastet der Röhrenstrahl den Körper spiralförmig ab
und erzeugt ein Datenvolumen. Dieses Volumen wird aus einer
Vielzahl dreidimensionaler Bildelemente – den Voxeln – gebildet.
Die Bewegung der Scan-Einheit während der Aufnahme in
z-Richtung erzeugt zunächst natürlich inkonsistente Datensätze.
Daher würde jedes auf direktem Weg aus einem Volumendatensatz rekonstruierte Bild Bewegungsartefakte aufweisen. Spezielle
Prinzipien der Rekonstruktion – Interpolationsverfahren, die
für jede Tischposition einen planaren Datensatz berechnen –
erzeugen jedoch artefaktfreie Bilder. So können aus einem
großen Datenvolumen einzelne Schichten mit beliebigen
Überlappungen rekonstruiert werden.
Software-Applikationen ermöglichen den klinischen Einsatz
der Spiral-CT auch in Regionen, die unwillkürlichen Bewegungen unterliegen.
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Probedruck
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Aufbau eines CT-Gerätes
Ein komplettes CT-System besteht aus mehreren
Bestandteilen.
Im Wesentlichen sind das:
• Aufnahmeeinheit oder Gantry mit
Röntgen- und Detektorsystem
• Patiententisch
• Bildrechner zur Bildrekonstruktion
• Konsole
Die Konsole dient als Schnittstelle zwischen Mensch
und Maschine und ist multifunktional ausgebildet.
Einmal ist sie als Steuerungseinheit für alle Untersuchungsvorgänge zuständig, zum Zweiten dient
sie der Auswertung der Untersuchungsergebnisse.
Im Sinne eines verbesserten Arbeitsprozesses hat
Siemens eine Doppelkonsole entwickelt, an der beide
Funktionen parallel abgerufen werden können.
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Probedruck
CT Basics
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Röntgenkomponenten
• Röhre
Aufnahmeeinheit
Eine CT-Aufnahmeeinheit besteht aus einer Röntgeneinheit als Sender und einer Datenerfassungseinheit
als Empfänger. Beide Komponenten sind bei den
marktüblichen CT-Systemen in einer ringförmigen
Einheit – der Gantry – untergebracht.
Die Hersteller montieren Röntgenröhren mit variablen Fokusgrößen in ihre Systeme. Das macht Sinn,
denn Volumen, bei denen es auf eine gute Niedrigkontrastauflösung ankommt, werden mit großen
Foki und hoher Leistung aufgenommen. Steht eine
hohe Auflösung mit dünnen Schichten im Zentrum
des Interesses, werden kleine Foki gewählt. Röhren
moderner CT-Scanner haben eine Leistung von
20–60 kW bei Spannungen von 80–140 kV. Die
Geräte können allerdings nur eine begrenzte Zeit
an ihrer jeweiligen Leistungsgrenze betrieben
werden. Diese Grenzen werden durch die Eigenschaften von Anode und Generator bestimmt.
Um eine Überlastung der Röntgenröhre zu vermeiden, muss die Leistung bei längeren Scans reduziert
werden. Mit der Entwicklung mehrzeiliger Detektorsysteme wurde diese Begrenzung praktisch eliminiert, denn diese Detektorsyteme nutzen die angebotene Röhrenleistung sehr viel effizienter.
• Abschirmungen
Jedes CT-Gerät enthält Blenden, Kollimatoren und
Filter zur Abschirmung von Streustrahlung, zur
Festlegung der Aufnahmeschicht und zur Absorption
niederenergetischer Anteile des Röntgenspektrums.
Dadurch werden sowohl der Patient wie auch der
Untersuchende geschützt.
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Probedruck
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Röntgenstrahlung
Szinzillionskristall
Fotodiode
Licht
•••
••
Datenerfassungskomponenten
• Detektor
Dem Detektorsystem kommt im Zusammenspiel aller
CT-Komponenten eine besondere Rolle zu. Es wandelt die
auftreffenden Röntgenstrahlen unterschiedlicher Intensität
in elektrische Signale um. In nachgeschalteten elektronischen
Bauteilen erfahren diese analogen Signale eine Verstärkung
und eine Wandlung in digitale Impulse. Bestimmte Materialien
haben sich im Laufe der Zeit als sehr wirkungsvoll in der
optimalen Ausnutzung der Röntgenstrahlung erwiesen.
So setzt z.B. Siemens UFC-Detektoren (Ultra Fast Ceramic)
ein, die durch ausgezeichnete Materialeigenschaften die Bildqualität bei minimaler Röntgenexposition deutlich verbessern.
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Probedruck
CT Basics
••
UFC-Detektor
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Adaptive Array Detektor
5 mm
2,5 mm
1,5
1
1
1,5
2,5 mm
5 mm
Ultrafast Ceramic Detektor (UFC)
2 x 0,5 mm
4 x 1 mm
4 x 2,5 mm
4 x 5 mm
Variable Schichtkollimierung durch fokusnahe Einblendung
und elektronische Signalkombination
• Mehrzeilendetektor
Mehrzeilendetektoren sind effektiver in der Nutzung der Röntgenleistung als einzeilige Detektoren. Die simultane Aufnahme
mehrerer Schichten verringert die Aufnahmezeit signifikant
oder erlaubt die Aufnahme kleinster Details bei praktikablen
Aufnahmezeiten. Bei den von Siemens eingesetzten, so
genannten Adaptive Array Detektoren sind die Zeilen im
Inneren des Detektors sehr schmal und werden in z-Richtung
(Körperlängsachse) gegen die äußeren Ränder hin breiter.
Durch eine Kombination aus Einblendung und elektronischer
Verschaltung ergibt sich eine große Flexibilität in der Auswahl
der Schichtdicken. Zugleich wird auch der von den
Detektorsepten eingenommene und damit ungenutzte
Raum minimiert.
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Probedruck
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Scanner-Parameter
Kollimation
Der von der Röntgenröhre emittierte Strahlenkegel wird mit
Hilfe von Blenden, den so genannten Kollimatoren, kontrolliert.
Dabei werden zwei Formen von Kollimatoren unterschieden.
Der Quellen-Kollimator liegt direkt vor der Strahlenquelle.
Er reduziert und formt den Strahlenkegel auf den maximal
notwendigen Strahlenfächer und bestimmt damit die austretende Dosis.
Der Detektor-Kollimator, der unmittelbar vor den Detektoren
positioniert ist, dient primär der Abschirmung des Detektors
vor Streustrahlung und damit der Vermeidung von entsprechenden Bildartefakten. Kollimation und Fokusgröße bestimmen
die Qualität des Schichtprofils.
Aus dem Datenvolumen können Bilder mit gleicher oder größerer
Schichtdicke rekonstruiert werden. Beispielsweise kann man
bei einer Kollimation von 5 mm Bilder zur Schichtdicke von
5 mm oder größer rekonstruieren. Die meisten Möglichkeiten
bei der Wahl von Kollimation und rekonstruierter Schichtdicke
hat man bei Spiralaufnahmen mit Multi-Detektor-Systemen.
18
Probedruck
CT Basics
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Bild 1
Inkrement
Das Inkrement bestimmt die Schichtabstände für die Rekonstruktion aus einem Datenvolumen. Mit geeignetem Inkrement
werden überlappende Schichten erzeugt. Bei der sequenziellen
CT erhält man überlappende Schichten nur dann, wenn der
Tischvorschub zwischen zwei Sequenzen kleiner ist als die Kollimation; jedoch wird dabei die Patientendosis erhöht.
Inkrement
Schichtdicke
Bei der Spiral-CT ist das Inkrement als Rekonstruktionsparameter frei wählbar, d.h. mit der Wahl des Inkrements kann
der Überlappungsgrad retrospektiv frei und ohne Dosiserhöhung eingestellt werden. Überlappungen bieten durchaus
Vorteile: höhere Bildqualität, leichtere und sicherere Diagnose
kleiner Strukturen.
Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge folgendes
Beispiel: Ein Bereich von 100 mm wurde mit einer Kollimation
von 10 mm im Spiralmodus akquiriert. An jeder Stelle dieses
Bereiches lassen sich nun Schichten von 10 mm Stärke rekonstruieren. Beträgt das Inkrement 10 mm, entstehen in Abständen
von 10 mm aneinander grenzende Schichten von 10 mm Stärke
(siehe Bild 1).
Überlappende Schichten
Bild 2
Beträgt das Inkrement 5 mm, entstehen im Abstand von
5 mm Schichten von 10 mm Stärke. Die Schichten überlappen sich um 50%. Mit geeignetem Inkrement kann eine
Überlappung von 90% erreicht werden. Moderne CT-Systeme
erlauben die Rekonstruktion von Schichten in jeder
Abstufung (siehe Bild 2).
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Probedruck
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15 s
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30 s
Der erste Pitch misst das gleiche Volumen in kürzerer Zeit
Pitch
Eine wichtige Größe bei Spiralaufnahmen ist der Tischvorschub
während einer ganzen Umdrehung („feed per rotation“). Je
größer der Vorschub gewählt wird, desto schneller (d.h. mit
weniger Rotationen) kann eine bestimmte Körperregion gescannt werden; bei zu großem Vorschub verschlechtert sich
jedoch die Bildqualität. In diesem Zusammenhang wird auch
der Begriff „Pitch“ verwendet. Bei Einzeilensystemen ist die
Definition
Pitch = Vorschub pro Rotation/Kollimation
allgemein akzeptiert; erfahrungsgemäß erhält man eine
gute Bildqualität mit Pitch-Werten zwischen 1 und 2, wobei
anzumerken ist, dass bei Einzeilen-Systemen mit Pitch > 1
die Dosiseinsparung nicht unerheblich ist. Bei Mehrzeilensystemen gibt es noch keine eindeutige Verwendung von
Pitch; die Mehrdeutigkeit sei an einem Beispiel (SOMATOM
Sensation 4) erläutert:
Kollimation 4 x 2,5 mm, Vorschub 10 mm
Erste Möglichkeit: pitch = 10 mm/4 x 2,5 mm = 1
Zweite Möglichkeit: pitch = 10 mm/2,5 mm = 4
Um Missverständnisse zu vermeiden, verwenden wir auf der
Benutzeroberfläche „feed per rotation“ an Stelle von „pitch“.
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Probedruck
CT Basics
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Rotationszeit
Die Rotationszeit ist die Zeit, die für eine 360°-Umdrehung des
Röhren-Detektor-Systems vergeht. Sie hat einen Einfluss auf
die Spiraldauer und damit auf die Abdeckung des Scanbereiches
in einer bestimmten Zeit. Modernste CT-Systeme benötigen für
eine Rotation nur noch 0,4 Sekunden. Eine kurze Rotationszeit
hat Vorteile:
• Die Spirallänge vergrößert sich bei gleicher Scanzeit
• Bei gleichem Volumen und gleicher Schichtdicke kann
die Scanzeit verkürzt werden
• Bewegungseinflüsse werden eliminiert
• Einsparen von Kontrastmittel durch
kürzere Untersuchungszeiten
• Schonende Untersuchung für Patienten,
da weniger Kontrastmittel benötigt wird
Wenn es auf kurze Untersuchungszeiten ankommt oder große
anatomische Regionen schnell erfasst werden müssen, z.B. weil
sie sich bewegen wie etwa das Herz, ist eine Rotationszeit im
Subsekunden-Bereich empfehlenswert.
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Probedruck
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mAs
Der mAs-Wert (z.B. 100 mAs) ist das Produkt aus
Röhrenstrom (z.B. 200 mA) und Rotationszeit
(z.B. 0,5 s).
Bei Mehrzeilen CT Systemen verwenden wir
zur Vereinfachung die so genannten effektiven
mAs, also das Produkt aus Röhrenstrom und
Belichtungszeit einer Schicht
(Rotationszeit x Kollimation/feed per rotation).
Durch die Wahl der mAs und der Röhrenspannung
wird die Dosis bestimmt. Die Auswahl der mAs hängt
von der jeweiligen Untersuchung ab. Höhere mAsWerte verringern das Bildrauschen und verbessern
damit die Erkennbarkeit geringer Kontraste. Für Weichteildarstellungen, das sind Regionen mit niedrigem
Kontrast, werden höhere Dosen und höhere Schichtstärken benötigt. Regionen mit Weichteilkontrast sind
typischerweise das Abdomen und das Gehirn. Für
Darstellungen von Knochen oder Lunge, also Regionen
mit hohem Kontrast, aber auch für Kontrastmitteluntersuchungen von Gefäßen, sind geringere Dosen
und dünne Schichten angebracht.
22
Probedruck
CT Basics
Zudem arbeiten Siemens CT-Scanner mit dem CARE
Dose Maßnahmenpaket (CARE steht für Combined
Applications to Reduce Exposure), welches zur
Reduzierung der Strahlenbelastung für den Patienten
entwickelt wurde. Dieses Paket steht für kürzere
Untersuchungszeiten, möglichst geringe Strahlenbelastung und Bilder in exzellenter Qualität.
Modernste Computer-Technologie „überwacht“ den
Patienten während der gesamten Untersuchungszeit
präzise. Während jeder Rotation wird die Strahlung
kontinuierlich gemessen und entsprechend der
aktuellen Schwächung moduliert. Mit CARE Dose ist
es dadurch möglich, die Strahlendosis abhängig von
der Anatomie des Patienten zu variieren und um bis
zu 56% zu reduzieren.
Scanner-Parameter bestimmen die Bildqualität.
Die Leistung von Spiral-CT-Systemen kann erst
durch das optimale Zusammenwirken aller
Parameter erzielt werden.
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
Bilderzeugung
Ein CT-Bild entsteht
Aufnahme:
Im einfachsten Fall wird das Objekt (im Beispiel ein runder
Zylinder) durch einen dünnen, nadelartigen Strahl linear
abgetastet. Dabei entsteht eine Art Schattenbild (Schwächungsprofil oder Projektion genannt), welches von dem Detektor und
dem Bildrechner aufgezeichnet wird. Nach Drehung der Röhre
und des Detektors um einen kleinen Winkel wird das Objekt
aus einer anderen Richtung wiederum linear abgetastet und
es entsteht ein weiteres Schattenbild. Dies wird mehrmals
wiederholt, bis man das Objekt aus 180° abgetastet hat.
Wiedergabe:
Im Bildrechner werden die verschiedenen Schwächungsprofile
weiterverarbeitet. Bei einfacher Rückprojektion wird jedes
Schwächungsprofil in der Richtung, in der es gemessen wurde,
auf dem Bildspeicher aufaddiert. Es entsteht ein verwaschenes
Bild, denn der Nachteil dieser einfachen Rückprojektion ist,
dass jedes Objekt nicht nur zur Darstellung von sich selbst einen
Beitrag leistet, sondern das ganze Bild beeinflusst. Dies ist
bereits nach 3 Projektionen sichtbar. Um dieses Problem zu
vermeiden, wird jedes Schwächungsprofil vor der Rückprojektion
mit einem mathematischen Hochpassfilter (einem sogenannten
Faltungskern) behandelt. Dabei entstehen an den Objektkanten
Über- und Unterschwinger. Diese gefalteten Schwächungsprofile
werden dann im Bildspeicher aufaddiert und es ergibt sich ein
scharfes Bild.
Röntgenröhre
Translation
Kollimator
Rotation
Schwächungsprofil
(vereinfacht)
Detektor und
Messelektronik
Rückprojektion
ohne Faltung
mit Faltung
0 Projektionen
1 Projektion
3 Projektionen
N Projektionen
°
N Projektionen
°
Profilschnitt
Ka 2000
23
Probedruck
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
Lungenfenster
Weichteilfenster
Was zeigt das CT-Bild?
Im CT-Bild werden jedoch nicht direkt die µ-Werte dargestellt,
sondern, nach einem Vorschlag von Hounsfield, die dimensionslosen CT-Werte:
CT-Wert =1000 (µ – µWasser) / µWasser
Die Einheit dieser Größen wird mit HE = Hounsfield-Einheit
(engl.: HU = Hounsfield Unit) bezeichnet. Demnach haben
Wasser und Luft die CT-Werte 0 HE bzw. –1000 HE, nach oben
ist diese Skala offen. Medizinische Scanner arbeiten üblicherweise in einem Bereich von –1024 HE bis +3071 HE.
Fensterung
Im CT-Bild werden Dichtewerte als Grauwerte repräsentiert.
Allerdings erkennt das menschliche Auge nur ca. 80 Grauwerte.
Es können also niemals alle möglichen Dichtewerte in erkennbaren Graustufen dargestellt werden. Aus diesem Grund werden
alle erkennbaren Grauwerte dem diagnostisch relevanten Dichtebereich zugeteilt. Dieser Vorgang wird Fensterung genannt.
Um das Fenster (window) einzustellen, wird zunächst festgelegt,
welchem CT-Wert der mittlere Grauwert zugeordnet werden
soll. Dann wird mit der Weite des Fensters definiert, welche
CT-Werte oberhalb und unterhalb des mittleren Grauwertes
noch differenziert werden können. Dichteres Gewebe wird hell
und weniger dichtes dunkel dargestellt.
24
Probedruck
CT Basics
CT-Wert,
HU
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
CT-Wert,
HU
80
70
60
50
40
30
20
10
0
kompakter Knochen
spongiöser
Knochen
200
50
Wasser
+4
-4
250
Fett
Lunge
-550
-950
Luft -990
-1000
Leber
Blut
Pankreas
Niere
40
20
Die Hounsfield-Skala
50
30
60
50
70
50
-80
-100
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
Bildauswertung und Bildbearbeitung
ter
hen
0
00
Die ersten greifbaren Ergebnisse einer CT-Untersuchung bestehen aus axialen Schnittbildern. Da diese
Bilder bereits in digitaler Form auf einem Speichermedium liegen, können sie direkt im Rechner weiterverarbeitet werden. Die Auswertung geometrischer
Parameter wie Abstand, Fläche, Winkel und Volumen
gehören, ebenso wie Dichtemessungen, heute zur
klinischen Routine. Die Gewebedichte wird über den
Mittelwert eines definierten Auswertebereichs, die
so genannte Region of Interest (ROI), erfasst. Geometrische Parameter können präziser als in der konventionellen Radiographie bestimmt werden, da bei der
CT keine Überlagerungsprobleme und keine verzerrten
Darstellungen auftreten.
2D-Nachverarbeitungsmöglichkeiten, die moderne
CT-Geräte bieten, sind z.B.:
• CT-Werte beliebiger Pixel im Bild anzeigen
• CT-Wertprofile entlang beliebiger Strecken
im Bild anzeigen
• Vergrößerung und Bildausschnittsverschiebung
• Filterung von Bildern
• Addition, Subtraktion oder andere Überlagerungsmöglichkeiten von Bildern
Die Bezeichnungen „zweidimensional“ (2D) und
„dreidimensional“ (3D) beziehen sich auf den Inhalt
des Bildes. Als 3D werden Darstellungen ganzer
Volumina bezeichnet.
25
Probedruck
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C
sagittal
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
coronar
transversal
Zweidimensionale Darstellungen
Die CT benutzt hauptsächlich die Transversalebene
als Aufnahmeebene. Deswegen müssen Ansichten
anderer Orientierung meistens aus den Originalbildern
berechnet werden. Dazu wird das Verfahren der
multiplanaren Reformatierung (MPR) genutzt.
Bei diesem Verfahren wird eine Serie axialer Bilder zu
einem Stapel zusammengefasst. Durch Aneinanderreihung der jeweils gleichen Bildspalte bzw. Bildzeile
der Serie errechnet der Computer für jede beliebige
Ebene hintereinander liegende Bilder. Diese kann der
Untersucher z.B. über die Maussteuerung interaktiv
durchsehen und auswerten (iMPR). Durch Vor- und
Zurückfahren findet er das Bild mit der klarsten
Darstellung des interessierenden anatomischen und
pathologischen Details. 4-Quadranten-Darstellungen
mit axialer, sagittaler, coronarer und obliquer Schnittführung sind heute Standard und bieten einen guten
Überblick.
26
Probedruck
CT Basics
Eine Erweiterung der MPR-Technik erlaubt das interaktive Zusammenfassen dünner Schichten zu beliebig
dicken Schichten (slabs). Strukturen, wie z.B. Gefäße,
die durch mehrere Schichten verlaufen, werden so
klarer erkennbar. In der englischen Literatur hat sich
hierfür der Begriff sliding-thin-slab (STS) eingebürgert.
Vorteile zweidimensionaler Darstellungen
• Direkte, unverfälschte Darstellung der CT-Werte
• Einfache Orientierung im Volumen
• Eindeutige Interpretation der Bildwerte
• Interaktive Auswertung am Monitor
• Basis für 3D-Darstellungen
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
Dreidimensionale Darstellungen
Bei derartigen Visualisierungen muss immer die
Position und die Blickrichtung des Betrachters im
Bezug auf das interessierende Volumen angegeben
werden. Entlang dieser Blickrichtung durch das
Datenvolumen wird aus den CT-Werten Voxel für
Voxel ein räumliches Bild errechnet. Solche virtuellen
Ansichten eignen sich besonders für Strukturen,
die sich deutlich von ihrer Umgebung abheben,
wie beispielsweise das Skelett oder kontrastmittelgefüllte Gefäße.
Shaded Surface
Display (SSD)
Maximum Intensity
Projection (MIP)
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Probedruck
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
CT-Wert
HU
virtuelle
Lichtquelle
Kalzifizierung
600
400
Schwellenwert 160 HU
KM-gefülltes
Lumen
CT-Wertprofil
entlang des
Suchstrahls
200
Weichgewebe
5
10
y, cm
Beobachterposition
• Shaded Surface Display (SSD)
Bei schwellenwertbasierten Oberflächendarstellungen wird ein CT-Wert als Schwelle vorgegeben,
z.B. 150 HE. Bildpunkte, die diesen Schwellenwert
überschreiten, tragen zum Ergebnisbild bei. Vom
Betrachter aus gesehen sind das die Punkte entlang
jedes Strahls, die den Wert als Erste überschreiten.
Aus der Gesamtheit der Punkte wird die Oberfläche
rekonstruiert und von einer fiktiven Lichtquelle
beleuchtet, um Schattierungseffekte zu erzeugen
(shaded surface display, SSD). Die Schattierungseffekte dienen dazu, den Raumeindruck für den
Betrachter zu verstärken. Allerdings geht bei diesem
Verfahren die Originalinformation aus den
CT-Werten verloren.
28
Probedruck
CT Basics
Bei SSD ist immer zu beachten, dass Grauwerte
nicht die ursprüngliche Dichte der Strukturen haben.
Überlagern sich z.B. in Blickrichtung mehrere
Strukturen, die den Schwellenwert überschreiten,
wird nur die am weitesten vorne liegende Struktur
dargestellt. Und zwar auch dann, wenn dahinter
liegende Strukturen deutlich höhere CT-Werte
haben.
Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass SSDDarstellungen immer vom gewählten Schwellenwert
abhängig sind. So kann z.B. die Darstellung von
Gefäßstenosen bei ungeeigneter Wahl der Schwelle
verfälscht werden. Wird der Schwellenwert erhöht,
ergeben sich höhere Stenosegrade, wird er gesenkt,
können Stenosen verdeckt werden. Auf diese Weise
lassen sich Verkalkungen und Kontrastmittel in den
Gefäßen nicht mehr unterscheiden. Zur Diagnose
sind SSD-Bilder also kaum geeignet. Sie werden
aber zur Dokumentation von Befunden oder für
3D-Darstellungen genutzt.
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C
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Y
CM
MY
CY CMY
K
CT-Wert
HU
Kalzifizierung
600
400
Schwellenwert 160 HU
KM-gefülltes
Lumen
CT-Wertprofil
entlang des
Suchstrahls
200
Weichgewebe
5
10
y, cm
Beobachterposition
• Maximum Intensity Projection (MIP)
Maximum Intensity Projections (MIP) basieren auf
den Voxeln mit den höchsten CT-Werten. Durch das
3D-Bildvolumen wird der Voxel mit dem maximalen
Dichtewert ausgehend von dem Betrachter entlang
eines virtuellen Strahls in dem daraus resultierenden
MIP-Bild dargestellt. Jedes einzelne MIP-Bild ist also
ein 2D-Projektionsbild. Der Ablauf mehrerer MIPBilder als Sequenz kann einen realistischen räumlichen Eindruck vermitteln. Dazu wird durch Variation des Betrachtungswinkels in kleinen Schritten
eine Serie von Bildern erzeugt.
Im Gegensatz zu SSD bleibt bei diesem Verfahren
eine minimale CT-Wert-Information erhalten. Außerdem ist die Projektion jeweils die Zusammenstellung der dichtesten Voxel aus dem ganzen Stapel.
Und zwar unabhängig davon, ob diese Voxel weiter
vorne oder weiter hinten liegen. In MIP-Bildern ist,
anders als in SSD-Bildern, der Unterschied zwischen
Kalk und Kontrastmittel sichtbar.
Alternativ zum MIP-Bild können auch die Pixel mit
der niedrigsten Intensität im Projektionsbild gezeigt
werden. Diese Bilder werden MinIP genannt und
z.B. zur Darstellung des Bronchialbaums eingesetzt.
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Probedruck
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C
M
Y
CM
CT-Wert
HU
Kalzifizierung
600
400
Schwellenwert 160 HU
KM-gefülltes
Lumen
CT-Wertprofil
entlang des
Suchstrahls
200
Weichgewebe
5
Beobachterposition
• Volume Rendering Technik (VRT)
Volume Rendering Technik (VRT) bezeichnet den
Prozess der Rekonstruktion eines 3D-Modells von
einem 2D-Bilderstapel. VRT-Verfahren gehen in
ihrem prinzipiellen Ansatz und in ihrer Leistungsfähigkeit über SSD- und MIP-Verfahren hinaus.
Sie sind nicht auf die Auswahl eines CT-Wertes
beschränkt, sondern es können alle Werte entlang
eines virtuellen Strahls mit geeigneter Gewichtung
zum Ergebnisbild beitragen. Im Gegensatz zu MIP
und SSD kann bei VRT jeder CT-Wert einbezogen
werden. Jedem CT-Wert werden über frei wählbare
und interaktiv veränderbare Transferfunktionen
Opazität und Farbe zugeordnet. Somit ist es möglich,
in einem Volumendatensatz unterschiedlichste
Gewebestrukturen mit unterschiedlicher Dichte
bzw. unterschiedlichen Hounsfield-Unit-Werten
gleichzeitig darzustellen.
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Probedruck
CT Basics
10
y, cm
MY
CY CMY
K
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
• Virtuelle Endoskopie
Eine VRT-Spezialform ist das perspektivische Volume
Rendering, mit dem vor allem virtuelle endoskopische Ansichten erstellt werden. Hier geht es um
eine perspektivische Ansicht der Darstellungsregion.
Das Haupteinsatzgebiet der virtuellen Endoskopie
sind anatomische Hohlräume: beispielsweise der
Bronchialbaum, größere Gefäße, das Kolon oder
die Nasennebenhöhlen. Auch für Bereiche, die nicht
für die konventionelle Endoskopie zugänglich sind,
wie z.B. die Hirnzisternen oder der Gastrointestinalbereich, wird die virtuelle Endoskopie genutzt.
Das Verschieben des Endoskopes in dem perspektivischen Volume Rendering dargestellten Hohlraum,
vermittelt dem Benutzer den Eindruck eines „fly
through” (virtueller Flug).
Vorteile dreidimensionaler Darstellungen
• Realistische Darstellung von Volumina
• Präsentation des ganzen Volumens in nur
einem Bild
• Leichter erkennbare diagnostisch relevante Details
• Hilfreich für präzisere operative Planung
• CT-Bilddaten als Vorlage für dreidimensionale
Modelle
• Möglichkeit zur freien Rotation von 3D-Objekten
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Probedruck
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C
CT im klinischen Einsatz
CT in der allgemeinen Klinik
Die Aufnahmezeiten der Spiral-CT haben sich gegenüber der sequentiellen CT erheblich verkürzt. Das ist
für Untersuchungen an Patienten, die aufgrund Ihrer
Erkrankung nicht kooperieren können, sehr vorteilhaft.
Bewegungsartefakte durch unterschiedliche Atemlagen während der Aufnahmen werden deutlich
verringert, denn durch die Spiral-CT wird das komplette
Volumen in kürzerer Zeit lückenlos erfasst. Mehrfachscans wegen Veratmung der Aufnahme sind also
nicht mehr nötig. Somit wird auch die Patientendosis
verringert.
Vorteile der Spiral-CT in der Klinik
• Vollständige Abdeckung von Organen in einer
Atemlage
• Kurze Scanzeiten (dadurch weniger Bewegungsartefakte und Kontrastmittelbedarf)
• Zusätzliche diagnostische Aussagen aufgrund
besserer Auflösung (dünnere Schichten) und
3D Visualisierung im Routinebetrieb
• Spezielle kostengünstige Applikationen
auf Basis der Spiral-CT
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Probedruck
CT Basics
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
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C
M
Y
CM
MY
CY CMY
K
CT-Angiographie (CTA)
Die CT-Angiographie (CTA) ermöglicht mit Hilfe von
Konstrastmittelgabe die Darstellung von Gefäßstrukturen. Mit der Einführung der Multislice Scanner
ist es durch extrem kurze Scanzeiten möglich, das
gesamte Gefäßsystem in der maximalen Kontrastmittelanreicherung darzustellen. Die Bildnachbearbeitung ermöglicht eine gute Darstellung des
gesamten Gefäßsystems, selbst kleine Gefäßabgänge
(Seitenäste) und Embolien oder Dissektionsmembrane können dargestellt werden. Retrospektiv
kann der Arzt hier jede Projektionsrichtung wählen
und dreidimensionale Bilder z.B. für die operative
Planung erstellen.
33
Probedruck
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C
Bei welchen Indikationen werden
CT-Untersuchungen durchgeführt?
M
Hals
Halsweichteile
Carotiden
Hier einige CT-Untersuchungsbeispiele:
• Schädel
• Hals
• Thorax
• Abdomen
• Extremitäten
• Wirbelsäule
Schädel
Schädel allgemein/Gehirn
Orbita
Sella turcica
Felsenbeine
Nasennebenhöhlen
Circulus Willisii
3D-Schädelknochen
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Probedruck
CT Basics
Wirbelsäule
HWS
BWS
LWS
Y
CM
MY
CY CMY
K
Thorax
Mediastinum
Thorax High Resolution
Thorakale Gefäße
Pulmonalgefäße
Herz
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C
M
Y
CM
MY
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K
Abdomen/Becken
Leber
CT-Arterioportographie (CTAP)
Pankreas
Nieren biphasisch
Nebennieren
Nierenarterien
Abdominale Gefäße
Kleines Becken
Gefäße Becken-Bein
Extremitäten
Schultergelenk
Hüftgelenk
Handwurzelknochen
Kniegelenk
Fuß
35
Probedruck