Grundprinzip
Bildrekonstruktion - Verarbeitung der Messdaten
Vom Faltungskern (Rekonstruktionsalgorithmus) abhängige Größen
Unterschiede zwischen Scannern der 3. und der 4. Generation
Bilddarstellung - Begriffsklärung
Was sind Fenster?
Spiral-CT
Was ist der "Pitch"-Faktor?
Mehrzeilenscanner - Multidetektorsysteme

Computertomographie (CT) = digitales Schnittbildverfahren

Die ersten Computertomographen wurden in den 1970er Jahren entwickelt. Einem Schädelscanner (1971 von Hounsfield) folgte nur drei Jahre später ein Ganzkörperscanner. Dieser wurde abgelöst von Scannern der 3. und 4. Generation (stationärer Detektorring). Um eine schnellere Bildgebung zu erreichen, wurden der Dynamic Spatial Reconstructor, der Elektronenstrahl-CT (EBT) und der Spiral-CT entwickelt. Die Spiral-CT hat sich in breitem Umfang klinisch durchgesetzt.

Grundprinzip

1. Dünner Röntgenstrahl tastet Patienten aus verschiedenen Richtungen ab
2. Strahlung wird durch Detektoren erfaßt
3. durch Kollimation* wird erreicht, daß nur eine definierte Ebene (Scanebene) durchstrahlt wird
4. die für jede Richtung gemessene Schwächung der Röntgenstrahlung wird mathematisch transformiert (Radon-Transformation bzw. gefilterte Rückprojektion)
5. Ergebnis der Transformation: lokale Röntgenschwächung an jedem Punkt der Untersuchungsschicht
6. Umrechnung der lokalen Röntgenschwächungswerte in CT-Werte, Kodierung in Graustufen, Darstellung als Bild

Grundprinzip der Messung

Bildrekonstruktion - Verarbeitung der Messdaten*

Meßdaten (Sequenzen der Attenuationsprofile = Kanäle)	aus den korrigierten Meßdaten (Korrektur der Detektorsystemschwankungen und der Aufhärtung der Röntgenstrahlung) entstehen die Schwächungswerte = CT-Rohdaten
CT-Rohdaten	Rohdatensätze, bestehend aus 500 - 1000 Projektionen (fächerförmige Abtastung) jede Projektion ist aus 500 - 1000 Schwächungswerten zusammengesetzt = Bilddatensatz
Bilddatensatz	Auswahl des Bildausschnitts ( = Auswahl der Schwächungswerte von jedem Strahl von Röhre zu Detektor, der durch den Bildausschnitt läuft) Rückprojektion (= Addition des jeweiligen Schwächungswerts auf jeden Bildpunkt) Zusammenfassung mehrerer Strahlen zu einer Projektion Filterung durch den sog. Faltungskern = gefilterte Rückprojektion
Bildrekonstruktion	Bildrekonstruktion nach dem Prinzip der gefilterten Rückprojektion, der eingesetzte Rekonstruktionsalgorithmus (Faltungskern) bestimmt den Bildcharakter = Ortsauflösung und Rauschen 1. Bsp.: Lungenparenchym zeigt Hochkontrast, wird hierfür ein hochauflösender Faltungskern (=Rekonstruktionsalgorithmus) eingesetzt, dann nimmt die Bildschärfe gegenüber dem Einsatz eines Standardfaltungskerns zu. 2. Bsp.: Leber zeigt Niedrigkontrast, hier bewirkt ein glättender Faltungskern eine gute Darstellung der kontrastarmen Strukturen, die sonst durch Rauschen (bei hochauflösendem Faltungskerns) überdeckt würden.

* die hier beschriebenen Prinzipien gelten nur für Scanner der 3. und 4. Generation

 

Vom Faltungskern (Rekonstruktionsalgorithmus) abhängige Größen:

• Schärfe
• Rauschen
• Kanten

Diese Größen sind nicht unabhängig voneinander. So zeigt ein scharfes Bild mehr Rauschen.
Ein Bild mit weniger Rauschen ist glatter, also auch weniger scharf.

 

Unterschiede zwischen Scannern der 3. und der 4. Generation

Prinzipiell unterscheiden sich diese Scanner darin, wie sie die Schwächungswerte zu einer fächerförmigen Projektion zusammenfassen.
3. Generation: fasst den Fächer von einer Röhrenposition zum Detektor zusammen
4. Generation fasst die von einem Detektor erfassten Meßwerte bei verschiedenen Röhrenpositionen zusammen

 

Bilddarstellung - Begriffsklärung

Bildmatrix	meist quadratisch, 2562 bis 10242 Bildpunkte
Schichtdicke	jedes CT-Bild hat eine definierte Schichtdicke, z.B. 10 mm
Bildpunkte	die Bildpunkte der Matrix (= Pixel) entsprechen bei gegebener Schichtdicke Volumenelementen (= Voxel)
Voxel	die Voxelgröße ist eine Funktion der Matrixgröße, des dargestellten Bildausschnitts ("Field of view", FOV) und der Schichtdicke
Anisotropie	Voxel sind i.d.R. nicht würfelförmig sondern haben eine "Streichholzform". Diese Anisotropie entsteht deshalb, weil die Pixel (= xy-Ebene) 10 bis 20 mal kleiner sind als die Schichtdicke (= z-Ebene)
Wiedergabematrix	Darstellung der Bildmatrix auf dem Betrachtungsmonitor; meist identisch mit der Bildmatrix, kann aber eine vergrößerte Bildmatrix sein, um eine bessere Abbildungsqualität zu erreichen.
RFOV	"Reconstruction Field of View", aus den Rohdaten wird nur ein Bildausschnitt rekonstruiert.
DFOV	"Display Field of View", durch Interpolation kann aus dem RFOV ein Bereich vergrößert werden. Nachteil: geringere Bildschärfe als bei direkter Rekonstruktion aus den Rohdaten, denn es werden nicht alle Rohdaten genutzt.
SFOV	"Scan Field of View", bereits bei der Meßdatenerfassung Beschränkung auf einen Ausschnitt (also nicht das gesamte Scanfeld). Diese Möglichkeit ist scannerspezifisch und wird bei Extremitäten und Kopf-Hals-Bereich angewendet.
CT-Wert (HE)	dem Voxel zugeordneter Zahlenwert (in HE = Hounsfeld Einheit), Wertebereich meist -1024 bis 3071 HE Maß für die Röntgenschwächung µ Def.: CT = 1000 · (µ - µWasser)/µWasser CT von Luft = -1000 HE, CT von Wasser = 0 HE, CT von Weichgewebe ungefähr 50 HE

 

Was sind Fenster?

1. Lokale Röntgenschwächung an jedem Punkt der Untersuchungsschicht wird in CT-Werte umgerechnet
2. diese werden in Graustufenwerte kodiert und zwar in viele (CT-Wertebereich üblicherweise 12 bit: -1024 bis 3071 HE)
3. unterscheidbar für das menschliche Auge sind ca. 40 bis 100 Graustufen
4. wird die CT-Skala nicht dem gesamten verfügbaren Grauwertebereich zugeordnet sondern einem begrenzten Ausschnitt, spricht man von Fensterung
5. Fensterung führt zur Kontrastanhebung
6. die "Weite" des Fensters bestimmt die Stärke der Kontrastanhebung (geringe "Weite" bringt starke Kontrastanhebung)
7. die Lage des Fensters (Center, Level) bestimmt die Helligkeit bzw. Schwärzung
8. es gibt für vsch. Aufgaben vsch. typische Fenster: Weichteilfenster, Lungenfenster, Knochenfenster, u.a.
9. Beispiel Lungenfenster: Weite 1500 CT-Werte der CT-Skala, Center bei -650 HE
   

Spiral-CT

• haben eine kontinuierlich rotierende Röntgenröhre
• es wird nicht schichtweise abgetastet sondern durch den kontinuierlichen Tischvorschub entsteht eine spiralförmige (auch helical genannte) Abtastbewegung
• erlaubt Berechnung von willkürlich gewählten Schichtpositionen, die einzelnen Bilder können beliebig überlappen (kontinuerliche Volumenerfassung)
• kurze Gesamtscanzeit (viele Untersuchungen können innerhalb eines Atemstillstands durchgeführt werden)
• ermöglicht CT-Angiographie (guter Gefäßkontrast)
• Nachteile: aufwendige Bildrekonstruktion, komplizierte Kontrastmittelapplikation wegen der kurzen zur Verfügung stehenden Scanspanne

 

Was ist der "Pitch"-Faktor?

• Beim Spiral-CT können die Schichtkollimation (= nominelle Schichtdicke) und der Tischvorschub unabhängig voneinander variiert werden
• der "Pitch"-Faktor ist das Verhältnis von Tischvorschub pro Rotation zur Schichtkollimation
• je höher der Pitch desto geringer die (rel.) Strahlenbelastung
• je höher der Pitch desto länger ist der verfügbare Scanbereich (begrenzt durch die Scandauer)
• das Schichtprofil beim Spiral-CT ist glockenförmig (beim Standard-CT entspricht es nahezu der gewählten Schichtkollimation), dadurch ist die Interpolation der Rohdaten sehr aufwendig. Ausgewiesen wird die effektive Schichtdicke (Breite des Schichtprofils auf halber Höhe = FWHM = full width at half maximum), sie hängt von der Schichtkollimation, dem Tischvorschub pro Röhrenrotation und dem Interpolationsalgorithmus ab.
• die effektive Schichtdicke nimmt beim Einzeiler mit höherem Pitch zu

Einzeiler (die effektive Schichtdicke nimmt mit höheren Pitch zu)	Mehrzeiler (die Schichtdicke ist unabhängig vom Pitch)

 

Mehrzeilenscanner - Multidetektorsysteme

• besitzen mehr als einen Detektorring
• diese Detektorringe sind parallel angeordnet
• Vorteil: Tischvorschub kann erhöht werden, dadurch läßt sich entweder die Ortsauflösung in z-Richtung steigern oder aber die Scanlänge verkürzen
• Nachteil: komplexe Bildrekonstruktionsalgorithmen sind nötig, um die Artefakte, die wegen der peripheren Detektoren entstehen (Strahlen verlaufen nicht horizontal sondern schräg durch das Scanvolumen), zu kompensieren.

Vorteile von Mehrzeilenscannern