Entwicklungen in der Computertomographie

Die sogenannte iterative Bildrekonstruktion mit einem dahinter liegenden Rechenverfahren mit gesteigerter Rechenleistung ersetzt zunehmend die Berechnungen der Schnittbilder mithilfe der sogenannten gefilterten Rückprojektion. Dadurch sinkt die Strahlendosis bei gleichbleibender Bildqualität um bis zu 60 Prozent. Alternativ geht bei vergleichbarer Dosis das Bildrauschen (= zufällige Schwankungen der Bildqualität vor allem hinsichtlich Helligkeit und Bilddichte, die nicht der tatsächlich abgebildeten Anatomie entsprechen) drastisch zurück.

Seit Einführung des Mehrzeilers-CT hat sich die Anzahl der Zeilen immer weiter im Laufe der Jahre rapide erhöht. Toshiba setzte mit dem neuen „Aquilion One“ mit 320 Zeilen dahingehend ganz neue technische Maßstäbe. Das auch heute noch aktuelle Premium-Gerät erfasst innerhalb einer Rotation einen Bereich von 16 Zentimetern. Organe müssen nicht mehr spiralförmig gescannt werden, was die Strahlendosis reduziert. Die geringe Rotationszeit von 0,35 Sekunden ermöglicht mit mehreren aufeinanderfolgenden Rotationen um denselben Bereich, ganze Bewegungsabläufe darzustellen.

Siemens stellte den ersten Dual-Source-CT der Öffentlichkeit vor. Dieses Gerät arbeitete mit zwei im 90-Grad-Winkel zueinanderstehenden Röhren. Dadurch verringerte sich nicht nur die Aufnahmezeit, sondern es minimierte sich auch der Einfluss der sogenannten „Bewegungsartefakte“ (= Bildstörungen durch Körperbewegungen von Patientinnen und Patienten während der Untersuchung), besonders bei Herzuntersuchungen. Zum anderen bestand dadurch erstmals die Möglichkeit, eine Untersuchung mit gleichzeitig zwei unterschiedlichen Energieniveaus durchzuführen. Durch Subtraktionsalgorithmen gelang es damit beispielsweise erstmalig, mit entsprechender Software Harnsäureablagerungen bei Gichterkrankungen farbcodiert darzustellen. 

Siemens brachte den ersten 64-Zeiler auf den Markt. Ausgestattet mit einer automatischen Dosisanpassung und einer Rotationszeit von 0,37 Sekunden setzte dieses Gerät kurz nach der Jahrhundertwende neue Akzente, gerade hinsichtlich der Herzbildgebung. Zudem konnte eine Rotation einen größeren Bereich abdecken.

Kurz danach gab es bereits das erste kommerziell erhältliche 4-Zeilen Gerät mit von vier Spiralen gleichzeitig erbrachten Aufnahmen. Die Folge: drastisch reduzierte Aufnahmezeiten, was insbesondere in der Diagnostik bewegter Organe (beispielsweise dem Herzen) deutliche Vorteile bringt. Die neue Technik verbesserte parallel die räumliche Auflösung durch Anfertigung dünnerer Schichten. 

Erste klinische Veröffentlichungen mit einem Multidetektor-CT (2-Zeiler, Elscint Twin Flash CT) läuteten Ende der 90er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts das Zeitalter der Mehrzeilen-Technik in der Computertomographie ein; verbunden mit einer deutlich gesteigerten räumlichen Auflösung. Im Gegensatz zum DSR (siehe oben) kamen dabei nur eine einzige Anodenröhre, jedoch mehrere parallel geschaltete Detektoren zum Einsatz.

Echtzeitrekonstruktionen ermöglichten erstmals CT-Durchleuchtungen. Ähnlich wie bei der Angiographie konnten Ärztinnen und Ärzte Eingriffe (z.B. Punktionen) nun online verfolgen und kontrollieren. Dies eröffnete ein ganz neues Einsatzgebiet der Computertomographie, verbunden mit mehr Sicherheit für Patientinnen und Patienten. 

Ende der 80er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts kam es zur ersten klinischen Anwendung der CT-Angiographie (Darstellung von Blutgefäßen). Die Spiral-CT ermöglichte erstmals eine spezielle Untersuchung arterieller Gefäße mithilfe eines Kontrastmittels ganz ohne Katheter – bislang eine Domäne der klassischen und invasiven Angiographie. Aufnahmezeit: etwa 30 Sekunden. Zu den ersten Anwendungen gehörten die Beurteilung von Aneurysmen oder von Dissektionen (= Einrisse der inneren Gefäßschicht von Arterien) bei Blutgefäßen im Brust- und Bauchraum.

Bei konventionellen CT-Geräten erhielt die Röntgenröhre ihren benötigten Strom per Kabel. Nach einem 360-Grad-Scan musste die Röhre daher abgebremst und an ihre ursprüngliche Position zurückgebracht werden – die minimale Scanzeit von 2 Sekunden stellte daher in dieser Zeit das erreichbare Limit dar. Eine weitere Verkürzung ermöglichte erst die Einführung von Schleifenringspannungskontakten möglich, die eine kontinuierliche Rotation von Röntgenröhre und Detektor erlaubte.

Forschende der Universität von Kalifornien in San Francisco (UCSF) entwickelten die Elektronenstrahl-Computertomographie (EBT) und damit ein kombiniertes Ultraschall-Röntgenverfahren mit einer elektromagnetischen Steuerung des Elektronenstrahls. Da diese neue Technik keine rotierenden Geräteteile benötigte aufgrund stationär befestigter Detektoren, betrugen die Aufnahmezeiten lediglich 50 bis 100 Millisekunden. Die Geräte hatten einen deutlich kleineren Durchmesser, waren jedoch länger als bisherige CT-Scanner. Die Schichtdicke betrug 0,8 mm. Durch die hervorragende Zeitauflösung ermöglichte diese Technik sowohl morphologische als auch funktionelle Herzuntersuchungen. Im Vergleich zur Spiral-CT oder der späteren MD-CT war der Unterhalt der Geräte um ein Vielfaches teurer – somit blieb eine weite Verbreitung der EBT aus.

Der an der Mayo Clinic in Minnesota entwickelte „Dynamic Spatial Reconstructor (DSR) beeindruckte mit einer seinerzeit bahnbrechenden Technik. Das wegen seiner Größe auch als „Mayo-Monster“ bezeichnete Gerät besaß 28 an einer 4,5 Meter durchmessenden Gantry befestigten Anodenröhrchen, die um die Untersuchungspersonen rotierten. Während ein konventioneller CT-Scanner seinerzeit fünf Sekunden benötigte, um eine Schicht zu erfassen, brachte es der DSR in der gleichen Zeit auf bis zu (beeindruckende!) 75.000 Schichten mit einer damals sensationell feinen Schichtdicke von 0,9 Millimetern. Die seinerzeitigen computertechnischen Limitationen führten jedoch dazu, dass die Rekonstruktion der Bilder ein Vielfaches der Aufnahmezeit benötigte.

Für ihre Pionierarbeiten zur Computertomographie erhielten die beiden Erfinder der Technik – Hounsfield und Cormack –, die vollkommen unabhängig voneinander gearbeitet hatten, gemeinsam die höchste Auszeichnung in der Medizin: den Nobelpreis. 

In der nun entwickelten vierten Scanner-Generation (AS&E-Scanner) befanden sich erstmals zirkuläre und fest im gesamten Gerät montierte Detektoren. Es rotierte nur noch die Röntgenröhre, was die Aufnahmezeiten für einen Scan (eine Scheibe) auf ein bis fünf Sekunden reduzierte. Diese Technik erforderte 1.200 bis 2.400 Detektoren. 

In New York erschien die erste Ausgabe einer Fachzeitschrift, die sich ausschließlich der Computertomographie widmete. Der Herausgeber Giovanni Di Chiro arbeitete als Neurochirurg am National Institute of Health in Bethesda. Diese Konstellation zeigt, dass der klinische Schwerpunkt der Computertomographie seinerzeit eindeutig auf der Schädel-Bildgebung lag.

 Die zeitliche Auflösung der bisherigen Geräte wurde durch das Trägheitsmoment von Röhre und Detektor, welche immer wieder beschleunigt und abgebremst werden mussten, limitiert. In der neu entwickelten dritten Scanner-Generation arbeiteten die Geräte jetzt mit zwischen 256 und 1.200 Detektoren, welche einen Winkel von 30 bis 60 Grad des Scanners abdeckten. Die Aufnahmezeit verkürzte sich hierdurch weiter, der Detektor musste aber unverändert zeitgleich mit der Röntgenröhre rotieren. 

Mit dem ACTA Scanner kam weltweit der erste Computertomograph auf den Markt, der Bilder vom gesamten menschlichen Körper ermöglichte. Das erste Exemplar nutzte die Universität von Minnesota/USA. Bewegungsartefakte (= Bildstörungen durch Körperbewegungen der Untersuchungsperson) limitierten den Einsatz am Körperstamm, sodass der ACTA-Scanner diagnostische Bilder vorerst nur vom Kopf oder den Extremitäten ermöglichte.

Die zweite CT-Generation (EMI 5000 Scanner) verwendete immerhin schon bis zu 52 hintereinander liegende Detektoren. Die räumliche Auflösung nahm von 80 auf bis zu 320 Bildpunkte zu, während sich die Aufnahmezeit auf 18 Sekunden pro Schicht herunterschrauben ließ. 

Die Entwicklung bescherte der kleinen Firma EMI für einige Jahre eine Monopolstellung, 1974 zog dann die Firma Siemens als erster traditioneller Röntgengerätehersteller mit dem „Siretom“-Kopf-Scanner nach.
Für die Akquisition einer Schicht benötigte der „Siretom“ etwa 10 Minuten bei einer im Vergleich zu heute noch sehr bescheidenen Bildqualität mit 80 x 80 Bildpunkten.

Die Firma EMI stellte mit „Mark 1“ den ersten Kopf-Scanner vor, entwickelt von dem bereits erwähnten Godfrey N. Hounsfield. Diese erste Geräte-Generation besaß nur einen einzelnen Detektor, der genau gegenüber der Strahlenquelle lag und mit dieser um den Patientenkopf rotierte. Zum Vergleich: Die heutigen Mehrzeilen-Geräte mit üblicherweise 16 bis 128 Zeilen verfügen allein in jeder Zeile über 1.000 bis 2.000 Detektoren! Der EMI-Scanner „Mark 1“wurde erstmals 1971 im Atkinson Morley Hospital in London aufgestellt, 1973 nahm die Mayo Clinic den ersten EMI-Kopf-Scanner in den USA in Betrieb.

Der englische Ingenieur Godfrey N. Hounsfield (1919-2004)) entwickelte den ersten mit Röntgenstrahlung arbeitenden Experimental-Scanner. Vorerst konnten nur anatomische Präparate vermessen werden.
Die Messung dauerte bis zu 9 Stunden, die Bildrekonstruktion 2 ½ Stunden. Bezug zur Praxis: Die Bilder ermöglichten partiell eine Unterscheidung zwischen grauer und weißer Hirnsubstanz.

Der südafrikanische Physiker Allen M. Cormack veröffentlichte eine Arbeit, in der er die Dichte einzelner Punkte in einem Volumen ermittelte, indem er die Röntgenröhre um sein Objekt rotieren ließ und alle 7,5 Grad ein Bild anfertigte.

Der österreichische Mathematiker Radon entwickelte ein Rechenmodell, mit dem sich ein dreidimensionales Objekt aus zahlreichen zweidimensionalen Projektionen dieses Modells errechnen ließ. Diese Ergebnisse fanden seinerzeit Anwendung in der Physik.