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Computertomographie (CT)

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Biologie


In diesem Artikel geht es um die Computertomographie (CT). Wir erklären dir, wie eine CT funktioniert, wann sie durchgeführt wird, welche verschiedenen Arten von Computertomographen es gibt und alles Wissenswerte, was du zur Computertomographie wissen solltest. Dieser Artikel gehört zum Fach Biologie und erweitert das Thema Neurobiologie.


Computertomographie (CT) allgemein

Die Computertomographie (kurz CT) ist ein schnelles radiologisches Verfahren, um Verletzungen oder krankhafte Abweichungen des Körpers zu identifizieren. 


Grundsätzlich entsteht ein CT Bild wie ein Röntgenbild. Anstatt allerdings nur ein Bild zu liefern, wie es beim Röntgen der Fall ist, werden bei der Computertomographie viele einzelne Schnittbilder angefertigt. Dazu kreist i.d.R. eine Röntgenröhre und ein gegenüberliegender Detektor um den Patienten herum. 


Hinweis: CT ist gleichermaßen die Abkürzung für die Computertomographie (das Verfahren), das Computertomogramm (das erzeugte Bild) und den Computertomographen (das Gerät). Lass dich also nicht durch die Verwendung verschiedener Artikel verunsichern.


Die Bezeichnung Computertomographie setzt sich im Wesentlichen aus zwei Begriffen zusammen: Computer und Tomographie.


  • Das "Computer-" in Computertomographie bringt zum Ausdruck, dass ein Computer das Schnittbild erzeugt. Das geschieht, indem er die durch das CT gewonnenen Messwerte in ein Bild mit unterschiedlichen Grautönen umwandelt. Die Messwerte entsprechen der Schwächung von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe und Substanzen des Körpers. Im Vergleich dazu liefert beim analogen Röntgen die Schwärzung des Röntgenfilms durch die Strahlung direkt das Bild.


  • Tomographie ist der Oberbegriff für bildgebende Verfahren, bei denen viele einzelne Schichtaufnahmen angefertigt werden. Neben der CT sind weitere wichtige Schnittbildverfahren in der Medizin z.B. die Magnetresonanztomographie (kurz MRT) oder auch der Ultraschall.


Die Computertomographie wird im Englischen auch als CAT scan bezeichnet. CAT ist die Kurzform von Computed Assisted Tomography. 



Anwendungsgebiete der Computertomographie (CT)


Wie auch beim Röntgen wird bei einer Computertomographie dein Körper sozusagen “durchleuchtet”. Die Computertomographie hat aber einen elementaren Vorteil gegenüber dem konventionellen Röntgen: Strukturen, die sich im Röntgenbild überlagern, werden mithilfe der verschiedenen Schnittbilder im Computertomogramm sichtbar gemacht.


Die Einsatzgebiete der CT sind vielfältig. Je nachdem, welcher Körperbereich im Zentrum des Computertomogramms stehen soll, unterscheidet man z.B.:


  • Schädel-CT 
  • Lungen-CT
  • Abdomen-CT
  • Ganzkörper-CT 
  • uvm.


Durch das CT lassen sich Gewebe und Substanzen mit unterschiedlicher Röntgendichte voneinander differenzieren (z.B. Knochen, Fett, Wasser). Zu den pathologischen (=krankhaften) Veränderungen, die man dadurch in einem Computertomogramm erkennen kann, gehören u.a.:


  • Knochenbrüche
  • Tumoren
  • Blutungen
  • Gefäßveränderungen



Übrigens: 

Eine Fraktur, die man im normalen Röntgen nicht erkennen kann, wird als

okkulte Fraktur bezeichnet. Im Vergleich zum Röntgen ist bei der CT die räumliche Darstellung besser. Dadurch sieht man solche okkulten Frakturen dann oft im Computertomogramm, da durch die Anfertigung verschiedener Schnittbilder diese Darstellung überlagerungsfrei ist.



Funktionsweise der Computertomographie (CT)? 


Im Kern beruht die Computertomographie auf der Schwächung von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe einer Körperschicht. Diese Abschwächung resultiert aus den verschiedenen Röntgendichtewerten der unterschiedlichen Gewebe des Körpers. Sie wird durch einen Computer in ein Graustufenbild der gescannten Körperschicht umgewandelt.


Physikalische Grundlagen der Computertomographie (CT)


Ein CT basiert wie auch ein normales Röntgen auf Röntgenstrahlung. Daher ist es auch für das Verständnis der Funktionsweise des CTs wichtig zu verstehen, nach welchem Prinzip das Röntgen funktioniert. 


Grundsätzlich ist Röntgenstrahlung eine elektromagnetische Welle, wie auch das sichtbare Licht. Von anderen elektromagnetischen Strahlen unterscheidet sie sich durch ihre Wellenlänge. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegt z.B. zwischen ca. 400 und 780 nm. Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung liegt hingegen im Bereich von 1 nm bis 10 pm.


Bei der Computertomographie wird die Röntgenstrahlung in einer Röntgenröhre erzeugt. Sie ist der zentrale Bestandteil eines jeden Röntgengerätes. In der Röntgenröhre befindet sich eine Anode (positiv), sowie eine Kathode (negativ). Zwischen Anode und Kathode wird eine Spannung angelegt. Die Kathode emittiert Elektronen, welche durch die Anode in der Röntgenröhre angezogen werden. 


Beim Eindringen in die Anode werden die Elektronen abgebremst, es entsteht die sogenannte Röntgenbremsstrahlung und Wärme. Außerdem entsteht Röntgenstrahlung, wenn durch die Elektronen Atome in der Anode angeregt werden (d.h. auf einen höheres Energieniveau gebracht werden) und wieder in den energieärmeren Zustand zurückgehen. Dabei entsteht dann keine Bremsstrahlung, sondern charakteristische Röntgenstrahlung. Sie heißt so, weil sie für die verschiedenen Atome spezifisch ist. 


Abb. 1: Schematische Darstellung einer Röntgenröhre


Wie du ja mittlerweile weißt, handelt es sich bei der Computertomographie um ein Schnittbildverfahren, welches auf der Erzeugung von Bildern mittels Röntgenstrahlung beruht. Beim CT wird also der betrachtete Bereich in einzelnen Schichten zweidimensional dargestellt. Die entstehenden Bilder liegen dabei zumeist in der Transversalebene. Durch die einzelnen Schnittbilder bekommt man auch dreidimensionale Bildinformationen.



Unter der Transversalebene eines Körpers versteht man die Ebene, welche sich quer zur Längsachse des Körpers befindet und den Körper horizontal in eine obere und eine untere Körperhälfte teilt.



Computertomographie (CT) Aufbau


Im Wesentlichen ist ein Computertomograph aus folgenden Komponenten aufgebaut:


  • Gantry (“Tunnel” oder “Röhre”), enthält u.a.
    • Röntgenröhre
    • Detektor
    • Kühlung
  • Patientenlagerungstisch
  • Bedienpult 
  • Computer


Der zentrale Bestandteil eines CTs ist die Gantry. Sie ist das, was manchmal im Bezug auf das CT fälschlicherweise als “Röhre” bezeichnet wird. Die Gantry besitzt eine Öffnung, durch die der Patient geschoben werden kann. Außerdem beherbergt sie insbesondere die Röntgenröhre und den Detektor. 


Mit dem Aufbau einer Röntgenröhre bist du ja bereits im vorherigen Abschnitt vertraut gemacht worden. 


Im Bezug auf den Detektor lassen sich zwei unterschiedliche Detektortypen unterscheiden, wobei der eine Detektor aus sogenannten Szintillationskristallen besteht und der andere eine Xenon-Gas-Ionisationskammer darstellt. Einfach gesagt wird beim Szintillationsdetektor die Röntgenstrahlung in Licht umgewandelt, welches dann als elektrisches Signal erfasst werden kann. Das Prinzip der Xenon-Gas-Ionisationskammer hingegen beruht auf auf der ionisierenden Wirkung der Röntgenstrahlung auf Gas. 




Unter Szintillation versteht man die Aussendung von Licht nach Wechselwirkung mit Strahlung. 




Da bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung auch sehr viel Hitze entsteht, befindet sich in der Gantry auch eine Kühlung.


Neben der Gantry besteht das CT aus dem Patientenlagerungstisch, auf dem der Patient positioniert wird. Darüber hinaus gibt es ein Bedienpult, sowie den Computer. Dieser wandelt die beim Scan gewonnen Daten in ein Bild um. Da das ein sehr komplexer Vorgang ist, muss es sich hierbei um einen Hochleistungsrechner handeln.


Abb. 2: Aufbau eines Computertomographen


Hounsfield Skala in der Computertomographie (CT)


Für die Computertomographie wurde im Jahre 1979 der Nobelpreis für Medizin vergeben. Erfunden wurde sie aber bereits 1968 durch den Physiker Cormack und den Elektrotechniker Hounsfield. Nach zweitem ist auch eine wichtige Skala in der Computertomographie benannt. 


Wie du schon weißt, sind verschiedene Substanzen des Körpers in unterschiedlichem Ausmaß dazu in der Lage, Röntgenstrahlung abzuschwächen. Die Hounsfield Skala dient dazu, mithilfe einer Zahl die Schwächung der Röntgenstrahlung durch ein Material zu beschreiben. 


Die Abkürzung dieser Einheit lautet HE (Hounsfield Einheit) bzw. HU (Hounsfield units). Man berechnet sie für ein Material folgendermaßen:



Dabei ist μ der sogenannte lineare Absorptionskoeffizient. Wie du sehen kannst, wird durch die Hounsfield-Zahl die Absorptionsfähigkeit eines Materials in Relation zu Wasser gesetzt, wodurch eine Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Geweben hergestellt wird. 


Wichtige Größen auf dieser Skala sind: 


  • Luft = -1000 HU
  • Fett = -50 bis -100 HU
  • Wasser = 0 HU
  • Knochen = 500- 1000 HU



 

Per Definition wurde der Wert 0 HU auf Wasser gesetzt.



Der Bereich erstreckt sich beim CT für gewöhnlich zwischen ca. -1000 und 3000 HU. Dabei gilt, je höher die Hounsfield-Einheit eines Gewebes, desto heller ist es. So sind Knochen beispielsweise mit 500 bis 1000 HU röntgendicht und erscheinen daher im CT vergleichsweise hell. Im Gegensatz dazu schwächt Luft Röntgenstrahlung kaum ab und erscheint daher im CT schwarz.


Fensterung in der Computertomographie (CT)


Da das menschliche Auge lediglich ca. 20 Grautöne voneinander unterscheiden kann, macht man sich die sogenannte Fenstertechnik zunutze. Dazu verteilt man die sichtbaren Grautöne auf das für die Untersuchung relevante Fenster. Möchte man z.B. Knochen darstellen, dann wählt man ein Fenster mit einem Zentrum von 300 HU und einer Breite von 2000 HU.


Hyperdens, hypodens und isodens


Bei der Beschreibung eines CT-Bilder ordnet man dem Grauton im Bild entsprechend den verschiedenen sichtbaren Strukturen bestimmte Begriffe zu. Diese sind abhängig davon, wie röntgendicht diese Strukturen sind. Dabei bezieht man sich immer auf ein anderes Gewebe:


  • Hyperdens ist ein Gewebe, wenn es im Vergleich zu dem Gewebe, auf das man Bezug nimmt, hell erscheint.
  • Hypodens ist ein Gewebe, wenn es sich im Vergleich zu dem Gewebe, auf das man Bezug nimmt, dunkel erscheint.
  • Isodens ist ein Gewebe, wenn es den gleichen Grauton wie das Gewebe aufweist, auf welches man sich bezieht.


Voxel in der Computertomographie (CT)


Der Begriff des Pixels ist dir sicherlich geläufig. Aber was ist ein Voxel?


Ein zweidimensionales Bild besteht aus vielen verschiedenfarbigen Pixel. Beim CT werden die verschiedenen der Dichte eines Gewebes entsprechenden Grautöne keinem Pixel, sondern einem Voxel zugeordnet.


Der Voxel ist die Volumeneinheit beim CT. Ein Voxel ist sozusagen ein dreidimensionaler Pixel. Während durch einen Pixel im Prinzip ein Wert in einem XY-Koordinatensystem zugeordnet wird, erhält man durch einen Voxel auch noch eine räumliche Komponente, da hier eine Z-Richtung hinzu kommt. Im CT entspricht diese der Schichtdicke. Dementsprechend ergibt sich diese Formel für den Voxel:



Aus dieser Formel leitet sich auch der Name des Voxels ab: er setzt sich nämlich zusammen aus Volumen und Pixel.


Ablauf der Computertomographie (CT)


Jetzt wo du den Aufbau eines Computertomographen und die physikalischen Grundlagen kennst, kannst du dir den Ablauf eines CTs sicher gut vorstellen. Zu einer CT Untersuchung mit Kontrastmittel sollte der Patient aktuelle Blutwerte mitnehmen. Für CTs mit Kontrastmittel ist es auch notwendig nüchtern zu sein. Um Bildstörungen zu vermeiden, soll der Patient zunächst den Schmuck, Brillen und andere Metallgegenstände ablegen. 


Dann wird der Patient auf den Patientenlagerungstisch gelegt. Dieser wird in die Gantry geschoben. Während des CTs muss der Patient so still wie möglich liegen. Dann rotiert die Röntgenröhre im Gantry um den Patienten herum. Die dabei durch den Detektor gewonnenen Informationen über die Schwächung des Röntgenstrahls werden durch einen Computer mittels mathematischer Verfahren zu einem Bild umgewandelt. Dieses Bild lässt sich anschließend auf einem Monitor betrachten. Dann erfolgt die Interpretation des Bildes durch einen Radiologen. 


Insgesamt dauert eine Computertomographie ungefähr 3 bis 10 Minuten. Die exakte Dauer hängt davon ab, welcher Körperbereich betrachtet werden soll.


Computertomographie (CT) Arten


Seit dem Bau der ersten kommerziell erhältlichen Computertomographen im Jahre 1972 haben sich die Geräte stark weiterentwickelt. Dabei sind im Laufe der Zeit verschiedene Generationen und Arten von Computertomographen entstanden. Wir wollen uns nun also kurz die verschiedenen Computertomographen anschauen. Dabei betrachten wir:


  • Computertomografen der 1. Generation,
  • Computertomografen der 2. Generation, 
  • Computertomografen der 3. Generation,
  • Computertomografen der 4. Generation,
  • Spiral-CT und
  • Mehrzeilen-CT.


Der wesentliche Unterschied zwischen den verschiedenen CT Arten der verschiedenen Generationen liegt in der Anzahl bzw. Bewegung ihrer Röntgenröhre und den Detektoren.


Translations-Rotations-CT


Computertomographen der 1. Und 2. Generation werden heute eigentlich nicht mehr verwendet. Ihre Röntgenröhren bewegten sich in zweierlei Weise, in Translation und in Rotation. Deswegen werden sie auch als Translation-Rotations-Scanner bezeichnet. Sie ermöglichten außerdem nur CTs des Schädels und waren verhältnismäßig sehr langsam.


Abb. 3: CT der 1. Generation


Abb. 4: CT der 2. Generation


Rotate-Rotate-CT


Die heutzutage beliebtesten Geräte, die CTs der 3. Generation, besitzen eine rotierende Röntgenröhre, die sich mitsamt dem dazugehörigen Detektor im Kreis bewegt. Ein weiterer Unterschied zu den Geräten der ersten Generation ist, das der Röntgenstrahl hier fächerförmig (wie bei der 2. Generation) und kein punktförmiger Strahl ist. 


Abb. 5: CT der 3. Generation


Rotate-Stationary-CT


Der Detektor der Geräte 4. Generation durchzieht die Gantry kreisförmig sogar komplett, weswegen sich hier nur die Röntgenröhre bewegen muss.


Abb. 6: CT der 4. Generation


Spiral-CT


Früher erfolgte das CT axial, d.h. nach jeder vollständigen Umdrehung der Röntgenröhre um den Patienten wurde der Patient nach vorne geschoben. Dabei entsprach der bei der  Verschiebung zurückgelegte Weg der Schichtdicke des Bildes.


Heutzutage sind Spiral-CTs die Regel in der Praxis. Hierbei wird der Patientenlagerungstisch mitsamt dem Patienten durch die Gantry geschoben, wobei die Röntgenapparatur konstant um den Patienten rotiert. Auf diese Weise lässt sich eine höhere Geschwindigkeit erzielen.


Mehrzeilen-CT


Das Mehrschicht-CT bzw. Mehrzeilen-Spiral-CT (MDCT) unterscheidet sich von den konventionellen CTs dahingehend, dass es mehrere Detektorleisten und nicht nur eine gibt. Dementsprechend können gleichzeitig auch mehrere Schichten aufgenommen werden. So kann ein Zweizeiler z.B. zwei Schichten gleichzeitig aufnehmen, ein 128-Zeilen-CT bereits 128 Schichten gleichzeitig. Der Vorteil eines Mehrzeilen-CTs besteht also darin, dass sich die Untersuchungszeit verkürzt. Das wird dadurch ermöglicht, dass mehrere Schnittbilder gleichzeitig angefertigt werden. Das übliche Maximum auf dem Markt liegt aktuell bei den 256-Zeilern.


Dual-Source-CT


Sehr modern ist die Dual-Source-CT Technologie. Hierbei werden die Geräte nicht nur mit mehr Detektorleisten versehen, sondern sie besitzen auch zwei Röntgenröhren, die versetzt im Gantry angeordnet sind. 


Dabei ist eine erhöhte Geschwindigkeit von Vorteil, weil so eine kürzere Strahlenexposition des Patienten erreicht werden kann. Darüber hinaus führen Bewegungen (z.B. durch das Atmen o.ä.) auch zu weniger Verwacklungen.


Heutzutage ist es sogar möglich, die einzelnen zweidimensionalen Schnittbilder zu dreidimensionalen Darstellungen umzuwandeln. 


Kontrastmittel Computertomographie (CT)


Eine besondere Form der Computertomographie ist die Kontrastmittel CT. Es kommt zur Anwendung, wenn man bestimmte Strukturen bzw. Organe besser darstellen möchte. Normalerweise werden jodhaltige Kontrastmittel eingesetzt. Kontrastmittel können entweder oral oder über die Venen verabreicht werden, je nachdem was untersucht werden soll.


Ausgeschieden wird das Kontrastmittel nach intravenöser Gabe bereits nach einigen Minuten über die Niere, weswegen besonders die Nierenwerte vor einer CT Untersuchung mit Kontrastmittel wichtig sind. Außerdem sollte man viel trinken, um die Nieren in ihrer Funktion zu

unterstützen. 


Allgemein sind die Kontrastmittel gut verträglich. Mögliche Nebenwirkungen sind z.B. allergische Reaktionen.


Unterschied Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT)


Wie du nun weißt, ist das Prinzip des CT gar nicht so unterschiedlich von dem eines Röntgenbildes. Ganz anders verhält es sich jedoch mit der Magnetresonanztomographie (kurz MRT), die auch als Kernspintomographie bezeichnet wird. Sowohl MRT als auch CT sind wichtige radiologische Untersuchungsmethoden. Aber im Gegensatz zum CT basiert das MRT nicht auf ionisierender Strahlung, wodurch es im Bezug auf die Strahlenbelastung auch ungefährlicher ist als das CT.


Ionisierende Strahlung ist Strahlung, die Elektronen aus Atomen “herrausschießen” kann. 


Das MRT beruht auf Eigenschaften bzw. Anregung von Wasserstoffatomen im Magnetfeld. Stattdessen wird beim MRT der Patient sozusagen zum Magneten, dessen Wasserstoffatome durch das starke Magnetfeld parallel ausgerichtet werden. Ein Hochfrequenz-Impuls bringt die Wasserstoffatome wieder durcheinander, nur damit sie sich anschließend wieder parallel anordnen. Diese erneute parallele Anordnung wird gemessen und dient zur Erzeugung eines Bildes.


Ob ein MRT oder ein CT sinnvoller ist, kommt immer auf den individuellen Fall an. Da sich durch das MRT im Vergleich zum CT besonders gut Weichteilgewebe differenzieren lässt, wird ein MRT zum Beispiel bei der Suche nach einem Tumor bevorzugt. Muss es hingegen nach einem Unfall bei der Suche nach Knochenbrüchen schnell gehen, so würde man eher das CT wählen. Für Personen mit Klaustrophobie würde man wenn möglich eher ein CT durchführen, da die Gantry des CTs weniger beengend wirkt als die Röhre des MRTs.


Es kommt also ganz auf die Situation an, ob man die Strahlenbelastung durch das CT in Kauf nimmt. 


Hier siehst du eine Übersicht über die wichtigsten Unterschiede zwischen CT und MRT:


CT
MRT
Röntgenstrahlung
Magnetfeld
Strahlenbelastung vorhanden
Keine Strahlenbelastung
Besonders gut geeignet zur Betrachtung von Knochen
Besonders gut geeignet zur Weichteildarstellung



Während es durch Metall im CT normalerweise “lediglich” zu Bildstörungen kommt, kann Metall im MRT zu einer großen Gefahr werden. Durch das Magnetfeld können selbst kleinste Gegenstände zu Geschossen werden. 


Computertomographie - Alles Wichtige auf einen Blick 

  • Die Computertomographie zählt zu den wichtigsten bildgebenden Verfahren in der Medizin.


  • Es handelt sich dabei um ein Schnittbildverfahren, bei dem die einzelnen Bilder mithilfe von Röntgenstrahlung gewonnen werden.


  • Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Generationen von Computertomographen entwickelt, die sich insbesondere im Bezug auf ihre Röntgenröhre unterscheiden.


  • Obwohl es sich beim MRT auch um ein Schnittbildverfahren handelt,  gibt es gravierende Unterschiede zum CT. Der wohl wichtigste ist, dass es beim MRT keine ionisierende Strahlung gibt. 

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FERTIG! Jetzt weißt du wie eine Computertomographie funktioniert. Die CT ist nur eines vieler neurophysiologischen Verfahren, zu denen z.B. auch die EEG (Elektroenzephalographie) oder die fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) zählen. Artikel zu diesen und vielen weiteren Themen, Übungsaufgaben und hilfreiche Literatur findest du auf StudySmarter.

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