Computertomographie (CT)

Röntgen-Computertomographie (CT) ermöglicht die Aufnahme von 3D-Bildern der inneren Struktur von im Sichtbaren undurchsichtigen Objekten ohne diese zu öffnen. Dazu wird das Objekt aus verschiedenen Richtungen geröngt, um mehr Informationen über die räumliche Verteilung des Röntgenabsorptionskontrasts innerhalb der Probe zu erhalten als mit der normalen Radiographie. Dazu rotiert entweder die Probe zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor oder (in dem meisten medizinischen Anwendungen) es rotiert die Einheit aus Röntgenquelle und Detektor um die Probe. Die  Röntgenprojektion entlang einer Richtung heißt Radon-Transformierte der Probe. Aus allen diesen Projektionen zusammen lässt sich das Rötgenabsorptionskontrastbild für einen Schnitt durch die Probe über eine Fourier-Transformation berechnen. Ein dreidimensionales Bild der Probe lässt sich dann aus vielen solcher Schnittbilder errechnen.

Die Computertomographie wurde ab 1957 durch die Gruppen von Allen M. Cormack und Godfrey Hounsfield entwickelt und unterliegt immer noch stetigen Weiterentwicklungen. Einige technische Entwicklungsschritte der CT sind unten illustriert.

Translations- / Rotationsscanner CT Bei den Systemen der ersten Generation wird die Einheit aus Röntgenquelle und einem einzelnen Detektor senkrecht zur Rotationsachse verschoben, um die Daten einer Projektionsrichtung aufzunehmen. Dann werden Quelle und Detektor um einen kleinen Winkel weitergedreht, bevor sie wieder verschoben werden, um die Daten der nächsten Projektionsrichtung aufzunehmen. Vor der Aufnahme des nächsten Schnittbilds wird der Patient entlang der Rotationsachse verschoben. Bei den Systemen der zweiten Generation wurde mit bis zu zehn Quellen und Detektoren die Aufnahmegeschwindigkeit erhöht.   Abb. 1: CT-System der ersten Generation
Rotation- / Rotationsscanner CT Bei den Systemen der zweiten Generation rotiert die Einheit aus einer Röntgenquelle und einer ringabschnittsförmigen Detektorzeile um den Patienten, um die Bilddaten aufzunehmen. In neueren Systemen ist der Detektor ein Flächendetektor mit bis zu einigen hundert Zeilen nebeneinander, die pro Umdrehung hunderte Bilder aufnehmen (Abb. 2). Der Patient wird entlang der Rotationsachse verschoben, um den ganzen untersuchten Bereich zu erfassen. Eine moderne Variante ist das Helix-CT, bei dem der Patient mit konstanter Geschwindigkeit verschoben wird. 2007 konnten diese Systeme bis zu 320 Schnittbilder pro Sekunde aufnehmen oder auch ein komplettes menschliches Herz mit 12 Bildern pro Sekunde. Seit 2005 gibt es Systeme mit zwei Quelle-Detektor-Einheiten mit unterschiedlichen Photonenenergien. Diese Systeme können verschiedene Gewebetypen besser unterscheiden. Abb . 2: CT-System der dritten Generation mit zwei Quellen und zwei Detektorzeilen
Rotations- / Stationärscanner CT Bei den Systemen der vierten Generation rotiert nur die Röntgenquelle um den Patienten. Der Detektor ist ein stehendes, ringförmiges Array.     Abb. 3: CT-System der vierten Generation
Elektronenstrahlscanner CT (Electron beam scanner CT, EBCT) Bei den Systemen der fünften Generation hat die Röntgenquelle eine ringförmige Anode und einem oder mehreren Elektronenstrahlen (in Abb. 4 grün), welche die Anode immer an dem Punkt treffen, wo gerade die Röntgenquelle liegen soll. Der Detektor ist ein stehendes, ringförmiges Array. Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es keine beweglichen Teile hat. Der Nachteil ist der hohe bauliche Aufwand durch die sehr große Vakuumröhre und die Strahllenkungssysteme.   Abb. 4: CT-System der fünften Generation

Die meisten CTs werden in der medizinischen Diagnostik eingesetzt. 2008 konnten solche Geräte einen Menschen mit einer Maximalauflösung von drei Bildpunkten pro Millimeter in jeder Raumrichtung (d. h. 75 dpi oder 2 Millarden Voxel (= Volumenbildpunkte) für einen 75 kg schweren Menschen) aufnehmen oder mit geringerer Auflösung ein vollständiges 3D-Bild eines Menschen in 25 s aufnehmen. Bei Mikro-CT-Aufnahmen liegt die Auflösung (im Jahr 2013) bei 1/1000 bis 1/2000 des Probendurchmessers und sie kann bei einigen hundert Nanometern liegen.

Abbildung 5 zeigt ein Foto eines realen CT-Systems und die damit erzielbare Bildqualität.

Abb. 5: Medizinischer Computertomograph (links) und CT-Bild (rechts ) ©02

Bild 6 zeigt eine 3D-Rekonstruktion aus 17 CT-Schnittbildern eines menschlichen Kopfes. Dunkle Bereich stellen Knochen dar, graue Bereiche Gewebe und weiße Bereich luftgefüllte Hohlräume.

Abb. 6: 3D-Rekonstruktion eines menschlichen Kopfes aus 17 CT-Schnittbildern

Wie wird ein CT-Bild aus den gemessenen Röntgenabsorptionsdaten gewonnen? In Abbildung 7 ist die gemessene Röntgenabsorption bei der Aufnahme des Schnittbildes eines menschlichen Kopfes aus Abbildung 6 dargestellt. Beachten Sie die dunkle Linie im oberen Bereich des detektierten Signals. Bei der waagerechten Durchleuchtung des Kopfes müssen die Röngenstrahlen einen langen Weg durch die Knochen oberhalb der Augenhöhlen durchlaufen. Dabei wird das meiste Röntgenlicht absorbiert, wodurch die dunkle Linie auf dem Detektor entsteht!

Abb. 7: Bei der Aufnahme eines CT-Schnittbildes gemessenes Absorptionssignal ( in diesem Beispiel durchläuft die Quelle nur einen Viertelkreis).

Das CT-Bild lässt sich aus dem mit dem Zeilendetektor registrierten Absorptionssignal durch eine so genannte Rückprojektion berechnen. Dazu werden die detektierten Intensitäten vom Detektor zur Röntgenquelle "zurück projiziert" und dabei im Bereich des geröngten Objekts überlagert. Abbildung 8 zeigt am Beispiel des Kopfschnittbildes aus Abbildung 7 die Überlagerung der Rückprojektion der unter 90° und unter 0° detektierten Signale. Die waagerechte dunkle Linie im oberen Teil von Abbildung 8 a) stammt wiederum von der hohen Absorption der Knochen über den Augenhöhlen. Das resultierende Bild hat fast nichts gemeinsam mit einer CT-Aufnahme eines menschlichen Kopfes. Einige Ähnlichkeiten werden erst sichtbar, wenn weitere, unter anderen Winkeln aufgenommene Absorptionssignale  hinzugenommen werden. In Abbildung 8 b) sind es vier Richtungen, in Abbildung 8 c) sechzehn Richtungen. In das Original-CT-Bild (Abb. 8 g)) sind Detektoraufnahmen aus hunderten von Richtungen eingegangen, deshalb ist es so detailreich.

a) CT-Rückprojektion mit den 0° und 90°-Signalen			b) CT-Rückprojektion mit vier Winkeln
c) CT-Rückprojektion mit 16 Winkeln			d) CT-Rückprojektion mit 30 Winkeln
e) CT-Rückprojektion mit 90 Winkeln			f) CT-Rückprojektion mit 180 Winkeln
g) CT-Rückprojektion mit hunderten von Winkeln

Abb. 8: Rekonstruktion eines CT-Schnittbildes eines menschlichen Kopfes durch Rückprojektion