CT-Technik

Auf dieser Seite wollen wir Ihnen die Grundlagen der CT Technik und Probleme während einer Untersuchung näher bringen. Des Weiteren werden spezielle Anwendungen dargestellt.

Lernziele:

• Machen Sie sich nochmals die generelle Funktionsweise eines CTs klar?
• Was versteht man unter einem CT-Protokoll?
• Warum benötigt man Kontrastmittel? Woraus bestehen diese?
• Wie laufen Protokolle unter Verwendung eines Kontrastmittels ab?
• Warum benötigt man eine gewisse Wartezeit zwischen Injektion und Start des Scans?
• Machen sie sich typische CT-Artefakte im Hinblick auf ihre Entstehung klar.
• Was versteht man unter Post-Processing?
• Was versteht man unter Dual-Energy CT?
• Was versteht man unter einer Perfusionsuntersuchung?
• Was versteht man unter einer CT-geführten Intervention?

Dazu zunächst noch einmal ein genereller Überblick über die Funktionsweise:

Die sogenannten Protokolle fassen mehrere CT Untersuchungen hintereinander zusammen. So wird beispielsweise zunächst ein Topogramm der Kopfregion angefertigt und direkt danach der Schädel und die Nasennebenhöhlen untersucht.

Sehr häufig kommt es zu Untersuchungen mit Kontrastmitteln (KM). Diese meist jodhaltige Substanz (gut verträglich für den menschlichen Körper) wird dem Patienten vor der Untersuchung verabreicht. Sie ermöglicht es durch die spezifischen Absorptionseigenschaften neue Informationen über Gefäße und Stoffwechselprozesse zu erlangen. Das folgende Video zeigt Ihnen die sogenannte Kontrastmittelpumpe welche zur Injektion genutzt wird.

Ein genauerer Überblick zum Kontrastmittel-CT wir Ihnen auf der folgenden Website geboten. (Link)

Artefakte

Artefakte in der Medizin sind im Allgemeinen diagnostische Fehler bzw. Abwandlungen des eigentlich vorliegenden natürlichen Zustands. In der Computertomographie sind dabei Bildstörungen gemeint, welche die Befundung erheblich stören bzw. sogar teils verhindern.
Eine kleine Auflistung der typischen Artefakte im klinischen CT-Alltag werden im Folgenden erläutert.

Physikalische Artefakte (Datenakquisition der CT-Geräte):

• Aufhärtungsartefakt: Da sich die Strahlung über ein Spektrum verteilt, werden niederenergetische Photonen in dichten bzw. großen Volumina schneller absorbiert wobei die hochenergetische Strahlung das Gewebe besser durchdringt.  Diese Aushärtung sorgt für Probleme bei der Rekonstruktion.
• Partialvolumeneffekt: Treffen auf einem Detektor geschwächte Strahlen aus unterschiedlich dichten Geweben aufeinander, so kommt es zu einer nicht-linearen Mittelung der beiden Absorptionskoeffizienten. Der Computer mittels somit verzerrende Werte und die Rekonstruktion ist mit Fehlern behaftet. Ebenfalls tritt dieses Artefakt bei nicht im Isozentrum liegenden Körpereigenen auf. Reduziert werden diese Behinderungen durch eine möglichst kleine Schichtdicke.
• Photon-Starvation: Es kommt zu einem erhöhten Bildrauschen durch eine erhöhte Absorption im Strahlengang. Vorzufinden ist dieses Problem oft bei der Untersuchung von Thorax und Abdomen. Manche Patienten sind nicht in der Lage die Arme wie gewünscht über dem Kopf zu platzieren was zu einer erhöhten Absorption und sogenannten Streifenbildung in der Aufnahme führt.

Patientenverursachte Artefakte:

• Metallartefakte: Metalle oder Materialien mit einer spezifischen Absorption härten die Strahlung auf. Es kommt zu einer Schlierenbildung (‘Streaking’). Lösung des Problems ist die sorgfälltige Entfernung aller anfälligen Gegenstände aus dem Strahlengang.
• Bewegungsartefakte: Bewegungen des Patienten sollten möglichst vermieden werden. Atmung und auch das Schlagen des Herzens sorgen dennoch für Ungenauigkeiten in der Bildaufnahme.

CT-basierte-Artefakte (Ungenauigkeiten bei der Messung):

• Ringartefakte: Grund hierfür liegt in der Kalibrierung oder Funktion der Detektoren zueinander. Da diese Fehler sich spiralförmig bzw. in einer Schicht ringförmig fortsetzen, kommt es zu sichtbaren Ringen.
• Kegelstrahlartefakt: Der Geometrie eines divergierenden Röntgenstrahls geschuldet, kommt es zu Verzerrungen in den einzelnen Voxeln. Besonders bemerkbar macht sich dieses Problem mit zunehmendem Abstand vom Gantry. Eine Lösung hierfür bieten Algorithmen, die dieses Problem minimieren aber niemals auslöschen können.

Rekonstruktionsartefakte:

• Stufenartefakte: Diese Artefakte treten bei der Multiplanaren- und 3D-Rekonstruktion auf, wenn große Kollimationen mit einer nichtüberlappenden Rekonstruktion gewählt werden. Ebenfalls kann dies bei der sequenziellen Aufnahme für Probleme sorgen. Hier liegt der Grund in kleinen Bewegungen zwischen zwei Aufnahmen einer Messreihe.

Post-Processing

Der enorme Anstieg an Bildmaterial und Datenmenge stellt die Computertomographie vor die Herausforderung, eine möglichst einfache und schnelle Bearbeitung bzw. Darstellung dieser Daten zu ermöglichen. Dieser Prozess ist als Post-Processing bekannt. Von Medizinern und Physikern wird eine genaue Beurteilung aber auch Dokumentation erwartet, welche durch die 2D- und 3D-Visualisierung anschaulich gemacht wird.

Das Post-Processing umfasst eine komplexe mathematische Rekonstruktion weshalb in diesem Praktikum nur ein kleiner Überblick gegeben wird. Das folgende Video und die Links können ggf. für einen genaueren Einblick genutzt werden.

2D-Visualisierung:

• Multiplanare Reformation (MPR): Die axialen Aufnahmen werden coronar und saggital angeordnet und dargestellt. Dies ermöglicht eine Analyse in allen Ebenen.
• Gekrümmte MPR (curved MPR): Spezielle Methode um gekrümmte Objekte im Körper darzustellen. Größten Einsatz findet diese Methode in der Gefäßuntersuchung.
• Maximum Intensity Projection (MIP): Pro Schicht wird die maximale Dichte verstärkt dargestellt. Von großem Vorteil ist dies in der CT-Angiographie um Gebiete mit allgemein hoher Dichte darzustellen.
• Minimum Intensity Projection (minIP): Selbes Vorgehen wir bei der MIP, nur für die niedrigen Dichtewerte (bsp. Chochlea-Darstellung).

3D-Visualisierung:

• Indirekte Volumendarstellung: Auch als Surface Shaded Display (SSD) bekannt, wird die im Fokus liegende Oberfläche abgegrenzt und via Oberflächenmodell dargestellt. Die Abgrenzung erfolgt dabei binär, sprich ein Voxel gehört entweder 100% dazu oder garnicht.
• Direkte Volumendarstellung: Die Volumen Rendering Methode grenzt das Zielobjekt über eine nichtbinäre Rechnung von dem Rest des Körpers ab. Dies geschieht über eine farbliche Klassifikation im sogenannten ‘Color-Lookup-Table’.

Der angeheftete Link der Radiologie Gesellschaft Nord-Amerikas öffnet eine Website mit einer weiterführenden Beschreibung dieser Prozesse http://pubs.rsna.org/doi/full/10.1148/rg.243035126.

Spezielle Anwendungen

Computertomographen ermöglichen nicht nur präzise Bildaufnahmen der angesprochenen Körperregionen, viel mehr sind sie auch für spezielle medizinische Fragestellungen der gewählte Weg zur Lösung. In diesem Teil des Praktikums erwartet Sie ein kurzer Einblick in 3 moderne Anwendungsbereiche des CTs: die Dual-Energy-CT,  die CT-Perfusion und die CT-gesteuerte Intervention.

Dual-Energy-CT
Wie es der Name schon verrät, basiert die Dual-Energy-CT auf zwei unabhängigen Strahlungsquellen mit zwei unterschiedlichen Spektren. Aufgrund dieser Spezifikation ist es möglich, genauere Aussagen über die materielle Zusammensetzung des Bildmaterials bzw. des untersuchten Objekts zu treffen. 2 Röntgenröhren mit den dazugehörigen Detektoren stehen meist orthogonal zueinander und rotieren um die Patientenachse. Die energieabhängige Absorption der Röntgenstrahlung im Gewebe führt zu unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten welche aufgenommen werden. Die Energieabhängigkeit basiert auf der Zusammensetzung der Absorption: Photo-Effekt (dominiert im niederenergetischen Bereich) und Compton-Effekt (dominiert im hochenergetischen Bereich).
Die ermittelten Schwächungskoeffizienten werden im Folgenden anhand von Referenzmessungen abgeglichen und es ergibt sich die Zusammensetzung des Gewebes. Es ist deshalb notwendig im Voraus zu wissen, nach welcher Substanz man vorrangig sucht. Durch eine automatische Röhrenstromanpassung kommt es bei dieser Untersuchungsform zu keiner erhöhten Strahlenexposition. Ebenfalls von Vorteil ist die deutlich reduzierte Aufnahmezeit.
Ein Beispiel aus dem klinischen Alltag wäre die Untersuchung des Harnweges in der Urologie. Der Dual-Energy-Computertomograph kann dabei einen Stein im Harnweg als Harnleiterstein oder Harnsäurestein identifizieren, welches für die Behandlung von großer Bedeutung ist.  Andere Beispiele sind die Indikation von Gallensteinen oder die Indentifikation von Kalzium als Hinweis auf ein Skelettraumata.
Das anschließende Video des Konzerns Siemens veranschaulicht diese Technik.

CT-Perfusion
Die computertopographische Perfusion ist eine Untersuchungsmethode welche auf die Durchblutung des Patienten abzielt. Unter Verabreichung eines jodhaltigen Kontrastmittels werden repetitive Schnittbilder des gewünschten Zielvolumens aufgenommen. Grundlegend ist dabei der lineare Zusammenhang zwischen der Konzentration des Kontrastmittels und der Abnahme bzw. Zunahme im Blutgefäß. 
Die Verteilung des Kontrastmittels wird in zwei Phasen eingeteilt, die Verteilung in Gefäßen (dem intravaskulärem Kompartiment) und die in dem extravaskulärem Kompartiment (Interstitium). Von großer Bedeutung sind dabei der Blutfluss BF und das Blutvolumen BV.

Über mathematische Modelle und computergestützte Berechnungen können die Schnittbilder in die eben genannten Faktoren BF und BV umgerechnet werden. Diese ermöglichen schließlich eine Aussage über die Durchblutung des Patienten.

Etablierte Anwendungen finden sich vor allem in der Untersuchung von ischämischen (Minderdurchblutung) Hirninfarkten. Andere Bereiche wie die Leber- und Nierenperfusion oder onkologische Indikationen bleiben dabei weiterhin reine Forschungsgebiete.

Über den folgenden Link der Uni-Lübeck sind weitere  Informationen und vor allem beispielhafte Bilder visualisiert. http://www.neuro.uni-luebeck.de/neuro/tl_files/events/journalclub/2013-01-04_Korf.pdf

CT-unterstützte Intervention
In der Medizin versteht man unter Interventionen medikamentöse, apparative und chirurgische  Eingriffe am Patienten. Diese sind unter der Entwicklung des Computertomographen um einiges erleichtert worden. Durch die hohe Auflösung, die Flexibilität der Gantry und die Möglichkeit der instantanen Bildwiedergabe sind CTs in der Diagnostik und Therapie kaum noch wegzudenken.
Organe, welche den Zugangsweg von Injektionen oder Eingriffen behindern, können durch spezielle Lagerungen des Patienten umgangen werden.

In der Diagnostik sind hauptsächlich Gewebeentnahmen in Form von Feinnadelpunktionen und Stanzbiopsien und die Injektion von Kontrastmitteln an einen Computertomographen gebunden.
In der Therapie erreicht die Unterstützung meist die Applikation von Anästhetika, die Operation an Nerven (Neurolyse) und auch die Anwendung von Drainagen. Viele weitere Einsatzgebiete sind auf der Website des Klinikums Nürnberg erläutert. Über eingebaute Links erhalten Sie vertiefende Informationen über die speziellen Therapien und Diagnostik-Methoden https://www.klinikum-nuernberg.de/DE/ueber_uns/Fachabteilungen_KN/md/Radiologie/leistungen/CT/CT-Interventionen.html