VOM RÖNTGENBILD ZUM COMPUTERTOMOGRAMM

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1 VOM RÖNTGENBILD ZUM COMPUTERTOMOGRAMM REFERAT IM RAHMEN DES FACHSEMINARS WS2009/10 AUSARBEITUNG BEI PROF. KARL-OTTO LINN BJÖRN SAßMANNSHAUSEN 1

2 0. INHALT 1. Vorwort Geschichte Der Computertomogrphie Röntgen Homogenes Objekt bei mono-chromatischer Strahlung Inhomogenes Objekt bei Monochromatischer Strahlung Computertomographie Das Prinzip der Computertomographie Technische Umsetzung der Computertomographie Multi-Slice CT Dual-Sorce CT Quellen

3 1. VORWORT Diese Referat beschäftig sich mit der Technik der Computertomographie. Im speziellen soll klar werden wie mittels Röntgentechnik ein CT-Bild entsteht. Dafür wird erst ein kurzer Überblick über die geschichtliche Entwicklung gegeben. Darauf folgt eine Einführung in die Technik des Röntgens. Auf dieser Grundlage wird der erste Computertomograph und die Weiterentwicklung bis heute vereinfacht vorgestellt. 3

4 2. GESCHICHTE DER COMPUTERTOMOGRPHIE entdeckt der Physiker und spätere Nobelpreis-Gewinner Wilhem Conrad Röntgen ( ) gelingt es Godfres N. Hounsfield in London den ersten Computertomographen zu entwickeln. Damit wurde eine neue Ära in der diagnostischen Bildgebung eingeläutet gab es die erste Sofortbildrekonstruktion erstes Multisclice CT mit 4 Schichten pro Scan-Rotation 2005 erstes Dual Source CT Seit Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895 die Röntgenstrahlen entdeckte, haben Forscher versucht, Wege zu finden, den Körper bis zum kleinsten anatomischen Detail zwei- und sogar dreidimensional abzubilden entwickelten der britische Ingenieur Godfrey N. Hounsfield zusammen mit dem amerikanischen Arzt Allan M. Cormack die Computer-tomographie (CT), dadurch, dass sie die Röntgentechnologie mit Computern verbanden. Diese spezielle Röntgenmethode nimmt Schichtaufnahmen von verschiedenen Körperregionen auf und visualisiert nicht nur Knochen, sondern auch Weichteil- Gewebe. Für diese Erfindung erhielten die zwei Wissenschaftler 1979 den Nobelpreis für Medizin. In der Radiologie wird CT als die größte Erfindung seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen angesehen, da diese Bildgebungstechnik Ärzten einen Einblick in den menschlichen Körper gewährt, wie er vorher nicht möglich war. Heute ist CT eine der wichtigsten Methoden der radiologischen Diagnose. Sie liefert überlagerungsfreie Querschnittsbilder des Körpers und zeigt niedrigere Kontrastunterschiede als herkömmliche Röntgenbilder. Dies erlaubt eine bessere Visualisierung von speziellen, anders strukturierten Geweberegionen, die mit gewöhnlichen Röntgenuntersuchungen nicht sichtbar gemacht werden können. 1 1 (3), Seite 6 4

5 3. RÖNTGEN Röntgen ist die erste Möglichkeit in den menschlichen Körper zu schauen, ohne ihn aufzuschneiden. Hierbei wird der dreidimensionale Körper auf eine zweidimensionale Projektionsfläche abgebildet. Hierbei geht die räumliche Information verloren und so überlagern sich die verschiedenen Schichten im Körper. Auf dem Bild auf dieser Seite ist eine der ersten Röntgenaufnahmen zu sehen, die eine Hand abbildet. Eindeutig sind die Knochen zu erkennen, aber auch Muskeln, die die Knochen umgeben. Abbildung 1: (5) , Wilhem Conrad Röntgen 5

6 3.1. HOMOGENES OBJEKT BEI MONO-CHROMATISCHER STRAHLUNG Abbildung 2: (1), S.7 Aus der obigen Graphik wird ersichtlich, wie sich bei einer homogenen Strahlung, und einem homogenen Körper eine Funktion ableiten lässt. Sie entspricht einer an der y-achse gespiegelten Expotentialfunktion, zwischen 0 und dem Durchmesser d, natürlich verschoben in y Richtung nach oben um den Faktor J D. Hieraus lässt sich dann die physikalische Eigenschaft μ herleiten. 6

7 3.2. INHOMOGENES OBJEKT BEI MONOCHROMATISCHER STRAHLUNG Abbildung 3: (1), S.8 Bei inhomogenen Körper ist es im Prinzip das gleiche, hier wird nur für jede Schicht die physikalische Schicht und damit die Eigenschaft bestimmt. Graphisch stellt sich die Funktion aus gestückelten Exponentialfunktionen zusammen, die jeweils ihre schichtspezifischen Stauchungs- und Streckungsfaktoren haben. 7

8 4. COMPUTERTOMOGRAPHIE Die Computertomographie ermöglicht die Darstellung von verschiedenen Schichten ohne störende Überlagerungen. Gleichzeitig erhält der Beobachter Tiefeninformationen. Tomographie leitet sich aus dem Altgriechischen ab, wobei "tome" für Schnitt und "grafi" für Schrift steht. Abbildung 4: (2), S. 18 8

9 4.1. DAS PRINZIP DER COMPUTERTOMOGRAPHIE Das Prinzip der Computertomographie liegt darin, dass die räumliche Verteilung einer physikalischen Eigenschaft [μ(x,y)] des zu untersuchenden Objekts gemessen wird. Aus diesen Messwerten wird dann ein überlagerungsfreies Bild im Computer generiert. Dies geschieht dadurch,dass ein Schnitt in endlich viele diskrete Volumenelemente der Dicke s aufgeteilt wird. Eine Schicht wird dann genau aus diesen Volumenelementen zusammengesetzt. Zur Veranschaulichung dient hier Abbildung 6. Diese Methode wird auch Rückprojektion genannt. Abbildung 5: (2), S.18 Nachvollziehbar wird dieses Vorgehen in einem der ersten Computertomogramme in Abbildung 7, hier sieht man im Gegensatz zu heutigen Ct-Bildern die einzelnen Pixel (Bildelemente) der Voxel(Volumenelemente). 9

10 Abbildung 6: (2), S.18 10

11 4.2. TECHNISCHE UMSETZUNG DER COMPUTERTOMOGRAPHIE Abbildung 7: (3), S.23 Abbildung 8 stellt das technische Vorgehen dar, wie man zu einem Computertomogramm kommt. Hierbei gehen die Strahlen von der Röntgenröhre aus und werden von dem Detektor und der Messelektronik zu einem Schwächungsprofil umgewandelt. Durch den Kollimator wird erreicht, dass nur eine definierte Ebene durchstrahlt wird. Danach rotieren sowohl Röntgenröhre, als auch Detektor weiter um den Körper (min. 180 )und in bestimmten Abständen findet der Prozess wieder statt. Moderne CT-Scanner machen Projektionen, wobei Messwerte pro Projektion errechnet werden. Zur Verdeutlichung diese Vorganges dient Abbildung 9. Der Faltungskern (Rekonstruktionsalgorithmus) hat drei von einander nicht unabhängige Größen: Schärfe Rauschen Kanten So zeigt ein scharfes Bild mehr Rauschen. Ein Bild mit weniger Rauschen ist glatter, also auch weniger scharf. Ein Beispiel hierfür finden Sie in Abbildung 10 auf der nächsten Seite. 11

12 Abbildung 8 : (3), S.23 Abbildung 9: (1), S.45 12

13 4.3. MULTI-SLICE CT Abbildung 10: (3), S.17 Das Multi-Slice CT nutzt durch die mehrzeiligen Detektoren die Röntgenstrahlung effektiver aus als einzelne Detektoren. Das simultane Scannen mehrerer Schichten des Körpers verringert die Scanzeit beträchtlich und auch in normaler Scannzeit können kleinste Details sichtbar gemacht werden. Der so genannte Adaptive Array Detektor hat im Inneren des Detektors sehr eng gesetzte Zeilen, während sie nach außen, in Längsachse des Körpers immer breiter werden. Diese Kombination ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität bezüglich der Schichtdicke. Gleichzeitig wird der Freiraum zwischen den Detektorelementen minimiert und dadurch auch der nicht nutzbare Bereich für Bildinformationen. 13

14 4.4. DUAL-SORCE CT Abbildung 11: (2), S.33 Die Dual Source Technologie basiert grundsätzlich auf dem Einsatz von zwei Scannern und zwei Detektoren, d.h. es werden zwei Systeme zu einem zusammengesetzt. Dies führt zu einer nie dagewesen guten Bildqualität. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei geringster Strahlung kleinste Details sichtbar gemacht werden können. Diese Technik ermöglich ebenfalls, dass Ärzte jedes Herz bei jeder Herzfrequenz scannen können. Das Dual Source CT ist durch diese Eigenschaft unabhängig von der Größe, dem Zustand und der Herzfrequenz. Dies ist gerade in der Notfallmedizin eine notwendige und wichtige Voraussetzung. 14

15 QUELLEN (1): (2): Mehrschicht CT, Ein Leitfaden, Brüning, Küttner, Flohr, Heidelberg 2008 (3): atienteninformationen/ct_geschichte_technologie.pdf (4): r.pdf (5): (6): (7): (8): 15