Im abschließenden Kapitel der Computertomographie können Sie das neu erlangte Wissen auf die Probe stellen. Die Fragen beziehen sich auf alle vorherigen Kapitel und geben Ihnen die Möglichkeit sich zu testen.
Viel Spaß und natürlich Erfolg!
++Es können auch mehrere Antworten richtig sein++
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Für die Fragen bezüglich der Dosis ist ein Taschenrechner vielleicht manchmal sinnvoll!
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Als kleinen Abschluss des Kapitels Computertomographie können Sie über den folgenden Link auf eine interaktive Website der Radiopaedia Gruppe zugreifen. Dort können an frei zugänglichen CTs die Schichten durchfahren und auch Brüche, Tumore etc. erkannt werden. Viel Spaß beim durchklicken!
Das Bundesamt für Strahlenschutz, kurz BfS, beschäftigt sich mit der Exposition von natürlicher und künstlicher Strahlung auf die Bevölkerung. Aus dem Jahresbericht 2017 ist abzulesen, dass die CT Untersuchungen in der Medizin einen Anteil von 9% der Untersuchungsart stellen, dabei aber für ganze 66% der kollektiven effektiven Dosis verantwortlich sind.
Lernziele:
Wie hoch sind tropische Dosen beim CT?
Wie vergleichbar sind diese mit Dosen aus anderen BIldgebungsverfahren (Achtung: ggf. müssen sie im Netz selber recherchieren)
Welches sind die wichtigsten Dosisgrößen beim CT, wie sind diese definiert?
Was versteht man unter Diagnostischen Referenzwerten? Wie werden diese ermittelt? Wer veröffentlicht diese?
Aus diesem Grund spielt der Begriff Dosis in der Computertomographie eine wesentliche Rolle. Die beiden folgenden Videos führen den Begriff der Dosis ein.
Die in der Praxis wesentlichen Dosiswerte sind dabei der CT-Dosisindex CTDI, das Dosislängenprodukt DLP und die Effektive Dosis E.
Der CT-Dosisindex ist ein Maß für die durchschnittliche Dosis in einer Scanschicht. Gemessen wird dieser Wert in festdefinierten zylinderförmigen Phantomen, welche für den Kopf (16cm Durchmesser) und für den Körper (32cm Durchmesser) unterschieden werden. Dieser Wert ist dann der gewichtete CTDI, auch als CTDIW bezeichnet. Gemessen wird er in Milligray. Bezieht man nun noch die spirale Ausbreitung des CT-Scans in Form des Pitchfaktors mit ein, erhält man den effektiven CT-Dosisindex CTDIvol. Dieser ist die übliche Angabe, die man in jeder Untersuchung oder teilweise schon direkt auf den Scannern sieht. Das Dosislängenprodukt DLP multipliziert den effektiven CT-Dosisindex mit der insgesamten Scanlänge. Man erhält eine Aussage über die gesamte akquirierte Scanlänge in mGycm.
Alle diese Angaben beziehen sich auf allgemeine Phantome und haben keinen direkten Bezug auf den Patienten. Dies gelingt durch den Begriff der Effektiven Dosis. Dosiswerte aus den einzelnen Organen (Organdosis) werden mit sogenannten Gewebe-Wichtungsfaktoren multipliziert und aufaddiert. Man erhält einen Dosiswert in Millisievert welchen man im Folgenden auch mit anderen konventionelle Röntgenmethoden vergleichen kann.
Die Gewebe-Wichtungsfaktoren sind vom Bundesamt für Strahlenschutz in der Strahlenschutzverordnung verfasst. Alle Faktoren zusammen ergeben den Wert 1.
Um eine gewisse Routine und Regulierung in diese Dosisangaben zu bekommen, gibt es in Deutschland seit 2002 Grenzwerte, welche nicht überschritten werden sollen. Die diagnostischen Referenzwerte (DRW) werden vom Bundesamt für Strahlenschutz veröffentlicht. Für 20 vordefinierte Untersuchungsregionen ist sowohl der CTDIvol als auch das Dosislängenprodukt angegeben. Basieren tuen diese Referenzwerte auf Umfragen und Daten aller CT-betreibender Einrichtungen Deutschlands. Dabei ist der Grenzwert am 3. Quartil orientiert, sprich dem Wert, den 75% der Befragten erreichen konnten. Die aktuellen Werte stammen aus dem Jahr 2016 und sind laut Strahlenschutzgesetz weiterhin aktuell.
Untersuchungsregion
CTDIvol/mGy
DLP/mGycm
Hirnschädel (Scheitel bis Schädelbasis)
60
850
Gesichtschädel (Oberkante Nebenhöhle bis Okklusionsebene)
20
200
Nasennebenhöhlen (Oberkante Nebenhöhle bis Okklusionsebene)
8
90
Hals (Gesichtsschädel bis Aortenbogen)
15
330
CT-Angiographie der Carotis (Vertex bis Aortenbogen)
20
600
Halswirbelsäule (Bandscheiben)
25
–
Halswirbelsäule (Knochen) (HWK1 bis HWK7
20
300
Thorax (mit Nebennieren) (HWK7 bis Nebennieren)
10
350
Lunge (Hochkontrast) (HWK7 bis Sinus)
3
100
Thorax und Oberbauch (mit Beckeneingang) (HWK7 bis Beckeneingang)
10
450
CT-Angiographie der gesamten Aorta (BWK1 bis Symphyse)
13
800
Prospektive EKG-getriggerte koronare Angiographie (BWK5 bis Apex)
20
330
Oberes Abdomen (Zwerchfell bis Untepol Niere)
15
360
Abdomen mit Becken (Zwerchfell bis Symphyse)
15
700
Rumpf (Thorax+Abdomen+Becken)
13
1000
Lendenwirbelsäule (Bandscheiben)
25
–
Lendenwirbelsäule (Knochen) (LWK1 bis LWK5)
10
180
Becken (Weichteile) (Unterpol Niere bis Symphyse)
15
400
Becken (Knochen) ((Unterpol Niere bis Symphyse)
10
260
CT-Angiographie Becken-Bein (Beckenkamm bis Fuß)
8
1000
CT betreibende Einrichtungen sind gesetzlich an die sogenannte Qualitätssicherung gebunden. Diese fordert die Einhaltung der DRW sowie eine stetige Verbesserung der Dosiswerte. Ideen und Konzepte sollen nach Möglichkeit vorgelegt werden, um die Strahlenbelastung auf die Patienten und auch die Ärzte weiter zu reduzieren. Bei Überschreitung der DRW ist eine umgehende Meldung dieser Werte vorgesehen.
Warum der Strahlenschutz so immens wichtig ist, zeigen die Folgen von ionisierender Strahlung im anschließenden Video.
Konkrete Ansätze die hohe Belastung zu reduzieren, sind vor allem in den letzten Jahren ausgearbeitet worden. Modernere Scanner und neu gesammelte Erfahrungen hab verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, Patienten und auch die Betreiber weiter zu schützen. Grundlegend sind dabei die CT-Dosis Modulation, die iterative Rekonstruktion und die Vor- bzw. Formfilterung. Diese Konzepte werden in den folgenden Videos erklärt und auch visuell dargestellt. Außerdem finden Sie im folgenden Link ein Paper welches einen detaillierteren Blick auf die eben genannten Methoden wirft (oder sie lesen es hier).
Einige weitere Videos können ihr Wissen über die Dosisreduktion vertiefen.
Wie der Name des Kapitels verrät, handelt es sich bei der sogenannten QA (engl. Quality Assurance) um die Beibehaltung und Sicherung der alltäglichen Qualität computertopographischer Untersuchungen. Was sich alles hinter dieser Sicherung verbirgt, wird Ihnen in diesem Abschnitt näher gebracht.
Lernziele:
Machen Sie sich die wichtigsten Aspekte der Qualitätssicherung klar?
Warum besteht die QA aus mehr als nur Geräte-Checks?
Gesetzlich festgehalten spielt die Qualitätssicherung im klinischen Alltag eine große Rolle. Jeder Schritt der CT Untersuchung ist dabei möglichst optimal durchzuführen.
Die Qualitätssicherung spaltet sich in 2 grundsätzliche Gebiete auf: die ärztliche Qualitätsanforderung und die Dokumentation bzw. Technik der Untersuchung.
Die ärztliche Anforderung besteht in folgenden Punkten:
Anfertigung eines Topogramms, Einstellung und Markierung der Schichtebene
Darstellung der Dichteunterschiede und Organstrukturen
detaillierte Darstellung feiner Strukturen und kritischer Elemente
Die Untersuchungstechnik sollte wie folgt täglich eingehalten werden:
Exakte Lagerung des Patienten sowie Einstellung des Gantry
KM Injektion nach Vorgaben
CTDI und DLP mit Phantomen ermitteln
Parameter in vorgegebenen Einheiten exakt dokumentieren
Post-Processing Dokumentation
Eine ausführliche Auflistung aller Vorgaben sind im folgenden Dokument angeheftet. Es handelt sich um die Leitlinien der Bundesärztekammer an denen sich die durchführenden Ärzte und Experten halten.
Wie solche Abläufe genau aussehen, verdeutlichen die Videos im Anschluss. Zu sehen ist eine kleine Präsentation der Methoden zu Qualitätssicherung und Aufnahmen aus einer Klinik
Bei weiterem Interesse kann gerne auch ein Blick in den Ablaufsplan einer täglichen, wöchentlichen und monatlichen Routine geworfen werden. Zur Verfügung gestellt ist dieser Ablaufplan von der University of Wisconsin School of Medicine and Public Health.
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’.
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.
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
Die Computertomographie ist eines der wichtigsten diagnostischen Verfahren der heutigen Zeit. Durch die schnelle und detaillierte Darstellung wird sie vor allem in der Notfalldiagnostik angewandt. Grundlage der Bildgebung ist dabei die Absorption der Röntgenstrahlung.
Sie sollten im Kapitel der Computertomographie folgende Lernziele erreichen:
Was ist Computertomographie?
Wie ist ein CT aufgebaut?
Wie läuft eine Untersuchung ab?
Welche Parameter können im Laufe einer Untersuchung beeinflusst werden?
Weiterführende Literatur zum Thema Computertomographie:
Fachwissen MTRA: Für Ausbildung, Studium und Beruf. Hartmann, T., Kahl-Scholz, M. und Vockelmann, C.
Wie funktioniert CT? Alkaldhi, H., Leschka, S., Stolzmann, P. und Scheffel, H.
Aufbau
Computertomographen bestehen im Wesentlichen aus der Gantry und dem Patiententisch. Die Gantry beinhaltet dabei folgende Komponenten:
Röntgenstrahler: Funktionsweise sollte aus vorherigen Kapiteln bereits bekannt sein.
Generator: Erzeugung von Spannungen zwischen 80-140kV. Ebenfalls wird ein stabiler und zeitlich sehr schnell anzupassender Röhrenstrom (mA-Bereich) bereitgestellt. Die sogenannte Dosismodulation (Anpassung der Spannung und Stromstärke an das zu bestrahlende Objekt) erfordert eine sehr präzise und vor allem reaktionsschnelle Funktion des Generators.
Blendensystem: Am Fokus befinden sich Blenden zur Regulierung des Fächerstrahls. Feste Blenden sorgen für die Nichtüberschreitung der gewünschten Bestrahlungsfläche. Hinter dem Patienten, kurz vor dem Detektor, befinden sich kleine flexible Blenden, welche die gewünschte Schichtdicke erzeugen. Am Detektor selbst sind kleine Lamellen zur Absorption von Streustrahlung angebracht. Übliches Material für diese Blenden ist dabei Blei.
Detektorsystem: Festkörperdetektoren bestehend aus keramischen oder kristallinen Materialien, welches auf einer Photodiode platziert ist. Bei Einfall von Strahlung szintilliert der Kristall und es kommt zu kleinen Lichtblitzen welche von der Photodiode detektiert werden. Die Signale werden im Folgenden verstärkt und durch das Daten-Akquistions-System weitergeleitet (eine präzisere Darstellung ist auf der unten verlinkten Website bereitgestellt).
Patiententisch: Da eine exakte Ausrichtung des Patienten fundamental für die Computertomographie ist, kann der Tisch millimetergenau in der Höhe und Länge angepasst werden.
Ablaufeiner CT-Untersuchung Die technischen Gegebenheiten sind somit geklärt. Doch wie genau läuft nun eine computertomographische Untersuchung im klinischen Alltag ab? Zunächst wird der Patient isometrisch auf dem Patiententisch gelagert, sodass das zu untersuchende Objekt im Zentrum des Strahlengangs liegt. Im Idealfall ist somit das Zielobjekt während der gesamten Rotation im Fokus und kann somit mit einer maximalen Ortsauflösung visualisiert werden. Vor der eigentlichen Untersuchung wird dabei im Normalfall eine Topogramm aufgenommen (teils auch Scout oder Surview genannt). Darauf folgt die Eingrenzung des relevanten Bereichs, der Range oder auch Field-of-View (FOV).
In der Computertomographie muss zudem in unterschiedliche Untersuchungstechniken unterscheiden werden. Die älteste und grundlegende Technik ist dabei die Sequenz-CT. Im Englischen auch als ‘Step and Shoot’ bezeichnet, wird Schicht für Schicht des Patienten aufgenommen. Zwischen jeder Aufnahme wird der Patiententisch leicht bewegt. Vorteil dieser Technik ist die schnelle Verarbeitung der recht geringen Datenmenge. Nachteil hingegen ist die lange Aufnahmezeit und das Risiko der Nichterfassung von Details im Übergangsbereich zweier Schichten, welches eine 3D-Rekonstruktion nicht möglich macht. Haupt Einsatzgebiet ist die Intervention und prospektiv getriggerte Kardio-CT. Eine spezielle Variation der Sequenz-CT ist die sogenannte Dynamische-CT. Eine Schicht nimmt dabei kontinuierlich der gewünschten Körperabschnitt auf. Unter Einsatz von Kontrastmitteln sind Flussmessungen möglich welche z.B. bei Schlaganfällen von großer Bedeutung sind. Die Weiterentwicklung dieser CT-Technik etablierte sich in den 90er Jahren als Spiral-CT. Die Röhre rotiert um die Patientenachse und bestrahlt kontinuierlich das zu untersuchende Objekt. Derweilen wird der Patient langsam durch den Scanner geschoben und es entsteht eine helixartige Bildaufnahme. Durch eine lückenlose Aufnahme ermöglicht sich somit eine 3D-Rekonstruktion des Körpers bzw. des Messvolumens. Ebenfalls von Vorteil ist die deutlich verbesserte Untersuchungszeit welche Teilweise auf die Länge einer Atemphase reduziert werden kann. Bewegungsartefakte (Artefakt: Bildstörungen) können somit minimiert werden. Erweitert wird diese Technik durch die Einführung von mehreren akquirierten Schichten, der sogenannten Multislice-CT. Anfänglich konnten bis zu 4 Schichten simultan aufgenommen werden. Heutzutage gibt es bis zu 32- und 64-Zeiler. Vorteil liegt auch hier in der reduzierten Aufnahmezeit und einer deutlich verbesserten Ortsauflösung.
Parameter einer CT-Untersuchung Durch die moderne Handhabung eines Computertomographens ergeben sich auch viele Einstellungsmöglichkeiten, welche von erheblicher Bedeutung im Bezug auf den Strahlenschutz sind (siehe Kapitel Strahlenschutz CT). Die wichtigsten Parameter sind für Sie in der folgenden Auflistung kurz erklärt:
Röhrenstrom U [kV]: Typischerweise zwischen 80 und 140kV. Bestimmt die Durchdringungsfähigkeit der Photonen durch die Materie. Meist simultan mit dem Röhrenstrom angepasst.
Röhrenstrom I [mA]: Ausschlaggebend für das Rauschen der Untersuchung. Oft in Kombination mit der Bestrahlungszeit als Rörenstrom-Zeit-Produkt angegeben (wichtig für Ortsauflösung)
Bestrahlungszeit T und Rotationszeit Trot [s]: Je kürzer die Untersuchung, desto niedriger die applizierte Dosis. Abhängig von der Fragestellung, Scanlänge und dem Pitch.
Tischvorschub TV [mm]: Vorschub des Patiententisches pro Rotation.
Pitchfaktor p: Überlappung der Bildaufnahme. Ist der Pitch<1, so überlappen die einzelnen Rotationen. Liegt der Pitch bei 1, so entsteht eine lückenlose Aufnahme. P>1 erzeugt Lücken aber auch eine reduzierte Dosis.
Schichtdicke hcol [mm]: Aufgenommene Schichtdicke. Bei Multislice-CTs kann die Schichtdicke durch zusammenschalten von mehreren Schichten reduziert bzw. vergrößert werden.
Fensterung: Eingrenzung der Grauwerte in einer Untersuchung. Der Fokus wird als Nullpunkt des Ausschnitts gewählt, alle weiteren Grauwerte liegen in der sogenannten ‘Window Width’. Die Grauwerte werden in der Hounsfield-Skala angegeben (Erklärung dieser Skala ist auf folgender Website aufgeführt Hounsfield)
Das kurze Video im Anschluss veranschaulicht ein paar dieser Parameter.
Als konventionelle Radiologie bezeichnet man das Verfahren in dem das klassische Röntgenbild, etwa bei Verdacht auf einen Knochenbruch erstellt wird.
Lernziele:
Machen Sie sich das Abbildungsprinzip des konventionellen Röntgens klar.
Wo ist in einem konventionellen Röntgenbild normalerweise “Links”, wo “Rechts”?
Welche “Farben” haben Knochen im Vergleich zu Weichteilgewebe auf konventionellen Röntgenbildern typischerweise? Warum?
Was sind die “5” Stoffe, die sie im Röntgenbild sehen können?
Die Röntgendiagnostik basiert dabei auf den zuvor vorgestellten physikalischen Prinzipien der Röntgenstrahlung und der Absorption von Strahlung im menschlichen Körper. Die Durchstrahlung des Patienten wird dabei Durchleuchtung genannt. Moderne Geräte ermöglichen eine automatische Belichtungsautomatik, welche nach ausreichender Durchleuchtung die Strahlung unterbricht.
Wie es wahrscheinlich aus vielen Filmen oder dem ein oder anderen Besuch beim Arzt bekannt ist, kommen klassisch lichtempfindliche Röntgenfilme zur Abbildung der durchtretenden Strahlung zum Einsatz. Die Entwicklung dieser Filme findet im Folgenden in sogenannten Dunkelkammern statt. Modernere Methoden arbeiten bereits mit digitalen Röntgenaufnahmen welche eine deutlich schnellere Bearbeitungszeit ermöglichen. Ebenfalls verbessern tut sich dabei die Strahlenexposition, welche durch reduzierte Fehlaufnahmen und sensiblere Detektoren minimiert werden kann.
Das folgende Video führt die konventionelle Radiologie noch ein wenig weiter ein und zeigt Ihnen typischen Röntgenaufnahmen.
Typische Untersuchungsbereiche der konventionellen Radiologie finden sich vor allem in der Aufnahme der Thoraxregion, des Abdomens, des Magen-Darm-Trakts und der Speiseröhre sowie des Skelettsystems. Ebenfalls können Röntgenaufnahmen mit Kontrastmitteln unterstützt werden um ggf. Aussagen über Niere und Harnwege zu treffen (Ausscheidungsurogramme).
Für ein tiefen Einblick in die Technik und Verarbeitung von konventionellen Röntgenaufnahmen sei auf das Werk ‘Fachwissen MTRA’ (Hartmann et al.) verwiesen. In Kapitel 3 wird auf über 40 Seiten das Thema exakt erläutert und mit Bildern untermalt. Das Buch steht bei Orbis für Sie frei zur Verfügung.
Ein letztes kurzes Video bringt Ihnen noch den Beruf des Radiologen näher und grenzt die konventionelle Radiologie von modernen Methoden wie die der CT oder MRT ab.
Falls Sie sich ein paar Röntgenaufnahmen anschauen und selber Arzt spielen wollen ist im folgenden eine frei zugängliche Datenbank verlinkt.
Die Radiologie basiert im Großteil auf dem physikalischen Phänomen der Röntgenstrahlung. Wie diese entsteht und wie sie mit Materie bzw. dem menschlichen Körper interagiert wird Ihnen in diesem Kapitel in kurzen Texten und Videos näher gebracht.
Lernfragen:
Wie werden Röntgenstrahlen erzeugt?
Welches sind die wesentlichen Komponenten einer Röntgenröhre?
Benennen sie die wesentlichen Komponenten eines Röntgenspektrums.
Was versteht man unter dem Photo-Effekt und dem Compton-Effekt?
Welche Strahlenenergien kommen in der Radiologie typischerweise zum Einsatz?
Röntgenstrahlung – Entstehung Röntgenstrahlung ist eine spezielle Kategorie der elektromagnetischen Strahlung. Die kurzwelligen, nicht sichtbaren Strahlen liegen im Bereich von 10 bis 150 keV (medizinischer Nutzen). Der Wellencharakter spielt in diesem Bereich kaum eine Rolle, viel interessanter sind die Aspekte der Energieübertragung in Form des Partikelbilds. Die Erzeugung der Röntgenstrahlung erfolgt über eine Röntgenröhre und viele weitere Einzelheiten, welche im folgenden Video visualisiert werden.
Wie im Video gezeigt, besteht der Großteil des erzeugten Spektrums aus der sogenannten Bremsstrahlung. Wie der Name verrät, entsteht dieses Spektrum während des Energieverlusts beim Abbremsen eines Elektrons, beispielsweise bei der Kollision mit einem fremden Atom. Das Spektrum (siehe nächste Abbildung) setzt sich aus einem ‘weichen’ und ‘hartem’ Teil zusammen. Diese Bezeichnungen spiegeln die Duchdringungskraft des jeweiligen Photons wieder. Abbildung: Typisches Strahlenspektrum in der Röntgendiagnostik für verschiedene Spannungen (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Die Peaks auf dem Bremsstrahlungsspektrum sind die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung. Diese Ausschläge finden ihren Ursprung im Schalenmodell und den diskreten Energieabständen innerhalb eines Atoms. Durch Anregungen mit einer größeren kinetischen Energie als die der Bindung, können die Photonen Elektronen aus der Schale lösen. Durch einen weiteres Elektron welches den freien Platz füllt, kommt es zu einer diskreten Energieabgabe. Da sich diese Energieniveaus von Element zu Element unterscheiden, spricht man vom charakteristischen Spektrum. Das kleine Video im Anschluss veranschaulicht diesen Prozess.
Interaktion mit MaterieDie Interaktion von Strahlung mit Materie sollte den meisten von Ihnen bereits aus dem Studium bekannt sein. Als Erinnerung werden die drei wesentlichen Interaktionen im Folgenden erläutert.
Photoeffekt: Trifft ein Photon mit erhöhter Energie auf ein Atom, kann dieses Photon ein Elektron aus der Schale lösen. Das Atom befindet sich zu diesem Zeitpunkt nicht mehr im Grundzustand, welcher energetisch aber am sinnvollsten ist. Um diesen Zustand wieder zu erreichen, nimmt ein Elektron des Atoms diesen Platz wieder ein. Dabei wird Energie in Form von Photonen frei. Folgende Abbildung verdeutlicht diesen Prozess. Abbildung: Schematische Darstellung des Photoeffekts (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Rayleighstreuung: Diese Art von Interaktion wird auch als elastische Streuung bezeichnet. Das einfallende Photon ändert bei der Kollision mit dem Atom lediglich seine Richtung. Es findet keine Energieübertragung statt.
Comptonstreuung: Eine weiterführende Form der Rayleighstreuung. Das einfallende Photon übertragt die Energie an das Elektron des Atoms, ändert seine Richtung und bewegt sich mit einer niedrigeren Energie weiter. Das angeregte Elektron (meist ein relativ schwach gebundenes) verlässt die Atomumgebung mit der resultierenden Energie aus Kollision und Bindung. Auch hier ist eine Skizze zum Verständnis sinnvoll.
Abbildung: Schematische Darstellung der Comptonstreuung (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Die eigentliche Schwächung der Röntgenstrahlung wird im Schwächungsgesetz angegeben. Es setzt sich aus der Intensität I0 des einfallenden Strahls, der Schichtdicke d und dem totalen linearen Schwächungskoeffizient μ zusammen: I=I0∗exp(−μ∗d) Der Schwächungskoeffizient setzt sich dabei aus den Anteilen des Photoeffekts, der Rayleighstreuung und der Comptonstreuung zusammen.
Die eigentliche Bildentstehung geschieht durch die Aufnahme der geschwächten bzw. absorbierten Strahlung mit Hilfe eines Empfängers. Verwendet werden hierfür Filme oder digitale Detektoren.
Die Radiologie ist wahrscheinlich der bekannteste Teilbereich der Strahlenmedizin. Die meisten haben im Laufe ihres Lebens bereits einmal eine Röntgenuntersuchung machen müssen. Allerdings kann die moderne Röntgendiagnostik weit mehr als nur eine zweidimensionale Abbildung des Körpers. Mit tomographischen Methoden können mehrdimensionale, zeitaufgelöste Aufnahmen des Körpers angefertigt werden, ausgewählte Stoffwechselprozesse abgebildet werden, unter Durchleuchtung können kompolizierte minimalinvasive Operationen durchgeführt werden und letztendlich gehören auch nicht-ionisierende Methoden wie etwa der Ultraschall oder die Kernspintomographe zum Portfolio der modernen Radiologie.
Die Vielzahl der unterschiedlichen Anwendungen kennt dabei kaum eine Grenze und durch die Weiterentwicklung neuer Methoden (wie etwa im Moment der Multi-Spectral CTs) kommen immer wieder neue Anwendungsgebiete auf dem Markt. All diese Techniken haben dazu geführt, dass die Strahlenbelastung pro Untersuchung zwar in vielen Bereichen reduziert werden konnte, die gesamte applizierte Dosis ist aber in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. Aus diesem Grunde ist die Tätigkeit eines MPE in der Radiologie in der neuen Strahelnschutzgesetzgebung verpflichtend für sogenannte Hochdosisanwendungen (CT und bestimmte Interventionelle Untersuchungen) und für Untersuchungen von besonders strahlensensiblen Organen (Mammographie). Auf den folgenden Seiten geben wir Ihnen einen Überblick über diesen Bereich.
Einen unterhaltsamen Podcast zum Thema finden sie hier:
Abbildung: Typisches Strahlenspektrum in der Röntgendiagnostik für verschiedene Spannungen (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
