1 Grundlagen, Abtastprinzip

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1 1 Grundlagen, Abtastprinzip 1.1 Einzelschicht-CT (Sequenzieller CT) Einer Röntgenröhre steht ein Detektorfächer mit ca Detektoren gegenüber. Dieses Röhren-Detektorsystem rotiert 1-mal pro Schicht um das zu untersuchende Objekt (die PatientInnen), welches im Zentrum der Gantry liegt. Die Abtastung erfolgt durch einen kollimierten Röntgenfächerstrahl (Fanbeam). Die durch Absorption geschwächte Röntgenstrahlung wird von den Detektoren (2 unterschiedliche Arten: Gas- und Szintillationsdetektoren) aufgefangen. Die gewonnenen Schwächungswertprofile werden in elektrische Signale umgewandelt und mittels mathematischer Verfahren (Rückprojektion, Faltung, Faltungskerne ) in ein CT-Bild umgerechnet. Bei einer 360 -Rotation werden viele Winkelpositionen und damit viele Projektionen aufgenommen. Röhre 1 x 360 Tischvorschub definiert Geöffnete CT-Gantry Detektorfächer Funktionsprinzip Einzelschicht-CT Nach jeder Schicht fährt der Tisch um einen definierten Abstand weiter, eine neuerliche Schicht wird gescannt (Sequence). Üblicherweise werden die Schichten direkt aneinander anstoßend akquiriert. Wird der Tischvorschub größer als die Schichtdicke gewählt, kann es sein, dass Läsionen übersehen werden. Wird der Tischvorschub kleiner als die Schichtdicke gewählt = überlappende Schichten, steigt die Strahlenbelastung für den Patienten (siehe Kap. 8, Bildqualität und Kap. 11, Strahlenschutz). Je Schicht 1 x 360 Abtastprinzip sequenzieller CT Schichtbereich: Schicht, Schichtabstand Schicht an Schicht Schichtparameter: Schichtdicke, Tischvorschub, kv, ma, Rotationszeit in s, Algorithmus (Kernel) 5

2 1.2 Single-Slice-CT (SSCT, Einzeilen-Spiral-CT, Einzeiler, EZ) Der Aufbau des EZ ist wie beim Einzelschicht-CT, nur dass bei kontinuierlicher Röhren-Detektorrotation und gleichzeitigem Tischvorschub ein Untersuchungsvolumen in Körperlängsachse aufgenommen wird. Als Detektoren werden Gas- und Szintillationsdetektoren (Keramikdetektoren) verwendet, die fächerförmig aneinandergereiht sind. Im Rahmen der Bildrekonstruktion werden aus den gewonnenen schrägen Daten (ergeben sich aufgrund der spiralförmigen Abtastung) durch Interpolation gerade Schichten errechnet. Röhre 360 Dauerrotation Kontinuierlicher Tischvorschub Detektorfächer Funktionsprinzip Einzeilen-Spiral-CT Spiralförmige Volumenaufnahme Schichtbereich EZ Es erfolgt eine Volumenaufnahme. An jeder beliebigen Position dieses Volumens kann ein Bild mit einer definierten Schichtdicke errechnet werden (Increment). Wird die Tischvorschubgeschwindigkeit erhöht, sinkt die Strahlenbelastung für den Patienten. Der Pitchfaktor (P) gibt an, wie weit die Spirale auseinandergezogen wird, und ist definiert als das Verhältnis des Tischvorschubs pro Rotation zur Schichtdicke. Je höher der Pitch ist, desto länger wird das Untersuchungsvolumen auseinandergezogen (Bsp. Pitch 2). Je kleiner der Pitch gewählt wird, desto größer ist die Strahlenbelastung (Pitch 1) (siehe Kap. 8, Bildqualität). Aus Strahlenschutzgründen sollte mit Pitchfaktoren > 1 gearbeitet werden. Beispiel: Pitch 1 Pitch 2 8 mm SD, 8 mm TV 8 mm SD, 16 mm TV Pitch 1 Pitch 2 Scanparameter in der Single-Slice-CT: Schichtkollimation SD, kv, ma, Rotationszeit in s, Tischvorschub/Röhrenrotation in mm (TV), Rekonstruktionsincrement in mm (RI), Pitchfaktor: Tischvorschub/ Rotation dividiert durch Schichtdicke, Tischgeschwindigkeit in mm/s, Scanlänge, effektive Schichtdicke in mm, Rohdaten-Interpolationsalgorithmus (= Kernel). 6

3 Die Hauptlimitation der Einzeilen-Spiral-CT-Untersuchung liegt in der Scangeschwindigkeit für ein Untersuchungsvolumen bzw. in der Begrenzung des Scanvolumens. Dem kann durch eine größere Schichtdicke mit gleichzeitig kleinerem Increment entgegengewirkt werden. 1.3 Multislice-CT (MSCT, Mehrzeilen-CT, Mehrzeiler, MZ) Das Grundprinzip des MSCT ist gleich dem der Einzeilen-Spiral-CT, nur dass in z-richtung mehrere Detektorreihen hintereinander geschaltet sind (2 320). Es erfolgt eine gleichzeitige Aufnahme von bis zu 640 Schichten innerhalb einer Röhrenumdrehung. Dabei können mehrere Zentimeter eines Untersuchungsvolumens mit nur einer Rotationsbewegung erfasst werden (z.b. 16 cm beim 320- Zeiler). Fächerstrahl z-richtung Cone-Beam Vergleich MSCT und 320-Zeiler (in Anlehnung an Mather R., PhD, Fa. Toshiba, Aquilion One Dynamic Volume Computed tomography) Für MSCT-Geräte werden spezielle Detektorsysteme verwendet: Matrixdetektor (alle Detektorelemente sind gleich breit: GE, Philips, Toshiba: 0,5 x 0,5 mm), Adaptive Array Detektor (Breite der Detektorelemente nimmt nach außen zu: Siemens, Philips bis 6 Zeilen) und Hybriddetektor (innerste Elemente sind halb so groß wie äußerste Elemente: Siemens, Philips, Toshiba, GE). Für eine Bildrekonstruktion ist eine Rotation des Röhren-Detektorsystems von mindestens 180 nötig, wobei über 1000 Projektionen mit bis zu 1200 Messwerten pro Projektion gewonnen werden. Je mehr Detektorreihen ein MSCT hat, desto weiter ist der Kegelstrahl. Aus den vielen mehrfach schrägen Daten werden durch Kegelstrahl- Interpolation = Cone Beam Correction (z.b. AMPR, Fa. Siemens) oder z-filter-interpolation gerade Schichten berechnet (siehe Bildberechnung). Datenaufnahme MSCT 7

4 Die Vorteile der MSCT liegen in der wesentlich schnelleren Abtastung eines Volumens, der höheren zeitlichen Auflösung (Ausnutzung eines KM-Bolus), den kurzen Röhrenumdrehungszeiten (> 0,28 s) und daraus resultierender Reduktion von Bewegungsartefakten (Atmung, Bewegung). Voraussetzung dafür sind unter anderem sehr hohe Röntgenröhrenleistungen. Weitere Vorteile liegen in der Möglichkeit von getriggerten Aufnahmen (Herz, thorakale Aorta), dem größeren Scanvolumen, der dünneren Kollimation und der sich daraus ergebenden höheren räumlichen Auflösung (dünnere Schichten < 1 mm möglich). Röhre 360 Dauerrotation Detektorreihe Kontinuierlicher Tischvorschub Funktionsprinzip MSCT Akquisition von mehreren Schichten Scanbereich MSCT Geräte mit mehr als 64 Zeilen (bis 320 Zeilen) werden vorwiegend für Untersuchungsbereiche angewendet, wo Zeit und Zeitauflösung eine wichtige Rolle spielen: z.b. Untersuchungen von Herz und Gefäßen, in der Unfalldiagnostik, in der Pädiatrie etc. Bei MSCT wird zwischen Scanparametern und Rekonstruktionsparametern unterschieden. Aus dem gescannten Rohdatensatz können mittels unterschiedlicher Rekonstruktionsparameter mehrfache Neuberechnungen des Datensatzes erfolgen (z.b. verschiedene Kernel, verschiedene Ortsauflösungen). Scanparameter: Schichtkollimation (Bsp. 16 x 0,75; 64 x 0,6; 128 x 0,6; 320 x 0,5 etc.), kv, ma, Rotationszeit in s (z.b. 350 ms), Pitch Rekonstruktionsparameter: beliebig oft änderbar Schichtdicke, Increment RI, Kernel (Algorithmus), FOV, Fenster, Ebene (axial, coronar, sagittal, oblique) 8

5 Ein weiterer Vorteil der Mehrzeilen-CT-Untersuchungen (ab 16-Zeiler) liegt in der isotropen Bildgebung (= gleiche Seitenlänge der Kanten im Voxel). Daraus resultierend entsteht eine hohe Ortsauflösung bei sehr guten Kontrasten, eine gute zeitliche Auflösung für die verschiedenen KM-Phasen und die Voraussetzung für die hohe Qualität der Bildnachverarbeitung wie MPR, MIP und VRT. Nachteile ergeben sich beim 64-Zeiler aufgrund der erhöhten (Streu-) Strahlenbelastung. Bei extrem dünnen Schichten sowie für die Reduktion des Bildrauschens benötigt man ausreichend ma für die Weichteilauflösung. Abhilfe schaffen spezielle Filter, die bei neuen MSCT-Geräten eingesetzt werden. Bei den modernen 128- oder 320-Zeilern werden vorwiegend Low-dose- Programme gefahren, sodass die Dosis im Vergleich zu 64-Zeilern reduziert werden kann. Mobiler CT Für spezielle Fragestellungen beispielsweise im OP oder im Schockraum werden mobile Computertomographen angeboten. Da man auch hier auf die Vorteile der MSCT nicht verzichten will, sind bis zu 32-Zeiler (BodyTom TM Fa. NeuroLogica TM ) im Einsatz. Dieses Gerät hat eine Gantryöffnung von 85 cm mit einem Messfeld von 60 cm. Für Anwendungen, die nur ein kleines FOV von 25 cm benötigen, z.b. für Schädel- CT und für CT von Kindern, werden spezielle leichte mobile CT-Tomographen angeboten. Diese haben nur eine kleine Gantryöffnung von 32 cm. Die Fa. NeuroLogica TM bietet einen 8-Zeiler (CereETom TM ) an. Bei all diesen Systemen sind auch die Workstations portabel. Die Bilder können direkt im OP im DICOM-Format an Navigationssysteme geschickt werden. Portabler Ganzkörper-CT BodyTom der Fa. NeuroLogica TM Portabler CT CereTom der Fa NeuroLogica TM (Gantrydurchmesser 318 mm) 9

6 Portabler Ganzkörper-CT XCatENT der Fa. Xoran Technologies für HR-Darstellung der NNH online am Rumboldt Z., Huda W., All J.W.: Review of Portable CT with assessment of a Dedicated Head CT Scanner, AJNR 30, Oct 2009, online am online am Dual-Source-CT (DCT, DSCT, DECT) Dieses System stellt eine neuere Entwicklung der Fa. Siemens am CT-Sektor dar. Es werden zwei 64-Zeilen-Computertomographen kombiniert, das heißt, der Dual-Source-CT besitzt zwei um 90 versetzte Röntgenröhren mit jeweils einem gegenüberliegenden unterschiedlich großen Detektorsystem (64-Zeilen- Aufnahme, Hybriddetektor, unterschiedliche Anzahl an Detektorelementen, :14.000). Pro Rotation werden je Detektorfächer 64 Schichten (Somatom Definition) aufgenommen. Die kürzest mögliche Rotationsgeschwindigkeit von 0,28 s gewährleistet eine sehr hohe zeitliche Auflösung. Wenn also zwei Röhren parallel arbeiten, tastet je eine Röhre 180 Grad ab und die Zeit, bis ein Bild entsteht, wird auf 185 Millisekunden halbiert. Das führt im Thorax und im Abdomen zu einer Scan-Geschwindigkeit von etwa 20 Zentimetern pro Sekunde. 10