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Dr. Wolf, Beckelmann und Partner
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Die Anfänge der Computertomografie

Der erste Computertomograf (CT) wurde im Jahr 1972 im Atkinson Morley’s Hospital in London installiert. Die Arbeiten von Hounsfield und Cormack bildeten die theoretischen Grundlagen dieses digitalen Schnittbildverfahrens. Beide Wissenschaftler erhielten 1979 den Medizin-Nobelpreis. Das mathematische Prinzip der Iteration und Rückprojektion, das zur Bildgebung bei der CT dient, wurde bereits von dem böhmischen Mathematiker Johann Radon (siehe Kasten) im Jahre 1917 entwickelt.
 
In der Zeit nach ihrer Einführung entwickelte sich die CT schnell weiter. Dabei standen vor allem die Verkürzung der Untersuchungszeit, die Verbesserung der Bildqualität und die Reduktion der Strahlenbelastung im Vordergrund. So entstanden im Zeitraum von 1972 bis 1977 vier Gerätegenerationen, die sich durch die Weiterentwicklung der Scannergeometrie (Röhren und Detektorkonfiguration) sowie die Art der Abtastbewegung voneinander unterschieden.
 
Als erste Generation der Computertomografen gilt der Prototyp, der von Hounsfield eingeführt und zur Erstellung der ersten Schädelbilder benutzt wurde. Bei diesem Gerätetyp ist ein einzelner Detektor einer Strahlenquelle gegenüber gestellt. Beide tasten das Objekt in einer linearen Translationsbewegung ab. Dieser Vorgang wird nach einem kleinen Rotationsschritt wiederholt, bis 180 Projektionen erfasst sind.
Wilhelm Conrad Röntgen
Der 1845 in Lennep geborene Sohn eines Tuchfabrikanten entdeckt 1895 eine neue Art von Strahlen, die X-Strahlen. Später werden diese Strahlen nach ihm als Röntgenstrahlen benannt. 1901 erhält Röntgen den ersten Nobelpreis für Physik.
 
Allan McLeod Cormack
Der 1924 in Johannesburg geborene Physiker veröffentlicht 1964 eine Arbeit, in der er die Ermittlung der Dichte einzelner Punkte in einem Volumen durch die Rotation der Röntgenröhre um das Objekt beschreibt.
 
Godfrey Newbold Hounsfield
Der englische Ingenieur, der bei der britischen Schallplattenfirma EMI beschäftigt war, konstruiert 1972 den ersten Computertomografen. Die Firma EMI hielt in der Folge für zwei Jahre eine Monopolstellung auf dem Medizingerätemarkt (EMI-Scanner).
 
Johann Radon
Der am 16. Dezember 1887 in Tetschen (a. d. Elbe) geborene Mathematiker arbeitet an den Universitäten in Hamburg, Greifswald, Erlangen und Wien. Seine Arbeit über die inverse Radontransformation trug wesentlich zur Entwicklung der Computertomografie bei.

 
Die zweite Generation unterscheidet sich in ihrem Funktionsprinzip dadurch, dass anstelle eines Nadelstrahls ein kleiner Fächerstrahl verwendet wurde. Die ersten kommerziell erhältlichen Computertomografen waren Scanner dieses Bauprinzips. Die Untersuchungszeit bei beiden Generationen betrug über 30 Minuten.
 
Die Tatsache, dass diese Geräte nur ein Sichtfeld zulassen, das für Schädeluntersuchungen ausreicht, für Scans in anderen Körperregionen aber zu klein ist, schränkte die breite Anwendbarkeit der Methode ein. Lange Untersuchungszeiten machten zudem Aufnahmen des gesamten Körpers aufgrund von Atmungs- und Bewegungsartefakten unmöglich.
 
Diese Nachteile wurden 1975 durch die Einführung der dritte Gerätegeneration, der ersten Ganzkörpertomografen mit Fächerstrahlsystem, überwunden. Eine technische Neuentwicklung dieser Generation besteht in der Verwendung eines Fächerstrahls und eines mitrotierenden Detektorbogens, der über 256 – 1200 Detektoren verfügt. Die zeitaufwändige Translationsbewegung entfiel. Sie wurde durch eine reine Rotationsbewegung ersetzt.
 
Die vierte Generation benutzte einen feststehenden, kreisförmig um den Patienten angeordneten Detektorenkranz und eine rotierende Röhre. Das Ziel, die Aufnahmezeit auf höchstens 20 Sekunden pro Bild zu reduzieren, wurde mit diesen beiden letzten Generationen erreicht.
 
Doch die Anwender forderten eine weitere Reduzierung der Scanzeiten. Diese war notwendig, um die diagnostische Aussagekraft zu erhöhen und – neben einer morphologischen Beurteilung – zusätzlich Aussagen zur Funktion von Organen zu ermöglichen.
 
Diese Forderung wurde in den 80er Jahren durch die Einführung der kontinuierlich rotierenden CT-Systeme erfüllt. Bei diesen wird die Rotationsbewegung mit ihrer diskontinuierlichen Drehbewegung im Uhrzeigersinn – Abbremsung, Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn, Abbremsung usw. – durch eine kontinuierliche Dauerrotation des Röhren-Detektor-Systems ersetzt. Diese neue Form der Abtastung ermöglicht eine Scanzeit von nur einer Sekunde. Sie ist auch Ausgangsbasis für neue Anwendungsbereiche wie z. B. erweiterte dynamische Untersuchungen und für die Spiral-CT.
 
Die Volumenbildgebung existiert seit Anfang der 90er Jahre. Bei diesem System rotiert die Röhre einmal pro Sekunde und schneller um den Patienten, während sich die Patientenliege kontinuierlich in Längsrichtung durch den Ring fortbewegt (Abb. 14) und ermöglicht eine Volumenabtastung mit deutlich geringeren Scanzeiten. Dabei wird ein spiralförmiger Datensatz akquiriert.
Volumenabtastung
Abb. 14: Schematische Darstellung der spiralförmigen Volumenabtastung
Der nächste Schritt der CT-Weiterentwicklung war 1998 die Einführung der Mehrzeilen-Technik. Sie ermöglicht Rotationszeiten von nur noch 500 ms. Erste klinische Daten zeigen eine verbesserte räumliche und vor allem zeitliche Auflösung durch den Einsatz von mehreren parallel geschalteten Detektorzeilen und einer einzigen Anodenröhre.
 
Diese innovative Technik eröffnet der CT neue Einsatzgebiete, so z. B. die Diagnostik von bewegten Organen wie dem Herzen.
 
Die modernen Computertomografiegeräte sind Mehrschichtscanner (MS - CT), die 4, 8, 16, oder 32 Schichten erfassen können. Die im Jahr 2000 eingeführten 8-Schicht-Spiralscanner ermöglichten eine Schicht-dicke von 8 x 1,25 mm. Ein Jahr später folgte das 16-Zeilen MS-CT mit Schichtdicken von 16 x 0,75 mm und einer Rotationszeit von 0,5 Sekunden. Das neueste System der Firma Siemens (Somatom Sensation 64) erreicht eine Aufnahme von 64 Schichten pro Rotation, eine Schichtdicke von 0,4 mm und eine Rotationsgeschwindigkeit von 0,33 Sekunden.
 
Die Weiterentwicklung der Computertomografie wird zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete führen. Durch die hohe Volumenscangeschwindigkeit der MSCT (Multi Slice CT) werden Verbesserungen im Bereich der Untersuchungen von komplexen Organsystemen wie Herz, Gehirn und CT-Angiografie erwartet. Auch die interventionelle Radiologie wird von dieser Entwicklung profitieren, ebenso die CT-gestützte Chirurgie.
 
Auf technischem Gebiet bleibt die Weiterentwicklung der Detektortechnologie im Vordergrund, um höhere Zeilenzahlen und noch größere Variabilität bei der Wahl von Schichtdicke und Anzahl der Schichten zu erreichen. Ein Beispiel für den Fortschritt ist die Cone-Beam-CT. Dieses System ist mit einer Detektormatrix zur Erfassung ausgestattet, um in einer Rotation einen kompletten dreidimensionalen Datensatz aufnehmen zu können.
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