Foto: Science Photo Library / Del Guercio, Michelle

Bildgebende Verfahren

Schnitt für Schnitt zur Diagnose

CT und MRT sind aufwendig, aber oft unverzichtbar

Die konventionelle Röntgenunter­suchung ist im Allgemeinen rasch verfügbar, Aufwand und Strahlenbelastung fallen vergleichsweise gering aus. Daher steht sie oft an erster Stelle der apparativen Diagnostik und reicht für eine abschließende Klärung auch aus. Da beim Röntgen jedoch Projektionsbilder mit einer Überlagerung der dargestellten Strukturen entstehen, ist eine sichere räumliche Zuordnung von Befunden nicht immer möglich. Hierzu sind je nach Indikation Verfahren erforderlich, die eine dreidimensionale überlagerungsfreie Schicht-für-Schicht-Darstellung ermög­lichen. Diese sind die Computertomografie, die auf Röntgenstrahlen basiert, sowie die Kernspin- oder Magnet­resonanztomografie, die auf Magnetfeldern und Radiowellen basiert. | Von Clemens Bilharz

Bei Röntgenaufnahmen handelt es sich also in der Regel um Summationsaufnahmen, bei der sich alle dargestellten Körperstrukturen überlagern, die im Strahlengang hintereinander liegen. Demgegenüber ermöglicht eine Tomografie durch die Erzeugung transversaler Schichtaufnahmen eine überlagerungsfreie Darstellung von Organen und Geweben (griech. tome = Schnitt, graphein = schreiben). Vereinfacht gesprochen werden dreidimensionale Strukturen und ihre Lagebeziehungen so wiedergegeben, wie sie nach dem Herausschneiden einer dünnen Scheibe vorlägen. Zwar ist diese Darstellung als solche auch zweidimensional, aus der Summe der einzelnen Schnitte ergibt sich jedoch die Information der dritten Dimension. Die Bezeichnungen Schnittbild- oder Schichtaufnahmeverfahren sind synonym.

360°-Drehung mit fächerförmigem Röntgenstrahl

Als die (voneinander unabhängigen) Erfinder der Computertomografie (CT) gelten der Physiker Cormack und der Elek­trotechniker Hounsfield. Installiert wurde der erste für klinische Zwecke kommerziell angebotene Computertomograf, ein „Schädelscanner“, 1972 im Londoner Atkinson Morley Hospital. Nach wie vor weist eine CT-Apparatur folgende prinzipiellen Komponenten auf:

  • Die „Röhre“ (engl. gantry = Portal) stellt den Ringtunnel dar, in dem nicht nur die primär bilderzeugenden Bauteile wie der Hochspannungsgenerator, die Röntgenröhre, das Filter- und Blendensystem sowie das Detektorsystem untergebracht sind, sondern auch das Antriebssystem für die Rotation und die Kühlung.
  • Auf dem Lagerungstisch liegt der Patient während der Untersuchung. Der Tisch wird während der Aufnahme längs durch die „Röhre“ gefahren und ist auch seitlich verstellbar, sodass der Patient möglichst mittig in der „Röhre“ zu liegen kommt. Die Positionierung wird mithilfe einer Lasermarkierung überprüft.
  • Während der Aufnahme rotiert die Röntgenröhre in einer vollen 360°-Drehung um den Patienten herum. Zuvor wird in der Regel eine mit einem Röntgenbild vergleichbare Übersichtsaufnahme erzeugt, die zur Planung des jeweiligen Untersuchungsgangs eingesetzt wird. Die Spannung der Röntgenröhre beträgt 70 bis 150 kV und kann der jeweiligen Untersuchung angepasst werden.
  • Unter dem Austrittsfenster der Röntgenröhre sind Filter und Blenden angebracht. Formfilter schwächen den Röntgenstrahl seitlich, um ihn an den rundlichen Körper­umriss des Patienten anzupassen. Die Blenden (Kollimatoren) begrenzen den Röntgenstrahl in Quer- und Längs­richtung. So entsteht ein fächerförmiger Röntgenstrahl (oder Strahlenkegel), dessen Breite der vorher gewählten Schicht­dicke entspricht und dessen Öffnungswinkel so groß ist, dass er den Patienten in seiner gesamten Breite durchstrahlt (Abb. 1).
  • Der Detektor befindet sich senkrecht gegenüber der Röntgenröhre und rotiert gleichzeitig mit ihr, sodass der Pa­tient sich immer zwischen Detektor und Röntgenröhre befindet. Er besteht aus Detektorzellen in einem Kreissegment, das dem fächerförmigen Röntgenstrahl entspricht.
Abb. 1: Fächerförmiger CT-Röntgenstrahl zwischen der Röntgenröhre und dem gegenüberliegenden Detektor. Seine Breite in Längsrichtung entspricht der gewünschten Schichtdicke der „Schnitte“ des Patienten.

Spiral-CT mit kürzeren Scanzeiten

Grundsätzlich lassen sich zwei unterschiedliche Formen der Bildakquisition unterscheiden:

  • Axiale CT: Nach jeder 360°-Rotationsaufnahme wird der Lagerungstisch etwas vorgeschoben, damit die nächste Körperschicht durchstrahlt werden kann. In dieser Aufnahmepause werden die bei der vorherigen Rotation aufgerollten Strom- und Medienkabel mittels einer 360°-Rückdrehung wieder zurückgeführt.
  • Spiral-CT: In diesem Modus wird der Tisch während der Rotationsaufnahme kontinuierlich durch die „Röhre“ geschoben, während Röntgenröhre und Detektor eine spiralförmige Bahn um den Patienten beschreiben (Abb. 2). Im Gegensatz zur axialen CT dreht sich die „Röhre“ ohne Unterbrechung in eine Richtung, da eine Änderung der Drehrichtung zur Kabelrückführung hier nicht mehr erforderlich ist. Voraussetzung ist ein sogenanntes Schleifringsystem, bei dem ein Gleitkontakt eine elektrische Leistungs- oder Signalübertragung zwischen gegeneinander rotierenden Bauteilen ermöglicht. Neben einer kür­zeren Untersuchungszeit bietet die kontinuierliche Er­fassung der Messdaten als Volumendatensatz vor allem die Möglichkeit einer flexiblen dreidimensionalen Re­konstruktion (Schichten beliebiger Dicke und in variablem Abstand zueinander).
Abb. 2: Spiral-CT. Die kontinuierliche Rotation der „Röhre“ (mit Röntgenstrahl und Detektor) bewirkt bei ständigem Tischvorschub einen spiralförmigen Schnitt durch den Patienten.

Multislide- und Dual-Source-CT

Eine Weiterentwicklung der Einzeilen-Spiral-CT ist die Mehrzeilen-CT (synonym sind Mehrschicht-, Multislide- oder Multidetektor-CT). Hierbei sind mehrere Detektorzellen pa­rallel nebeneinander angeordnet, wobei die Breite der einzelnen Detektoren (z. B. 0,5 mm bei einem 64-Zeilen-Scanner) die minimale Schichtdicke und damit auch die Auflösung bestimmt. Die Multidetektor-CT ermöglicht größere Untersuchungsvolumina – etwa die Ganzkörperuntersuchung eines Polytrauma-Patienten – in relativ kurzer Zeit. Eine Herz­untersuchung (Kardio-CT) mit dem 64-Zeilen-Tomografen nimmt heute weniger als neun Sekunden in Anspruch.

Durch zwei versetzt angeordnete Röntgenröhren in einem Aufnahmesystem (Dual-Source-CT) kann die Untersuchungszeit weiter verringert werden. Auch hier lassen sich zwei verschiedene Modi unterscheiden:

  • Die Verwendung von zwei Strahlenquellen mit gleicher Spannung dient primär der schnelleren Erfassung von bewegten Objekten. So kann die effektive Rotationszeit auf 165 ms reduziert werden, was eine dem EKG vergleich­bare Herz-CT erlaubt.
  • Die Verwendung von zwei Strahlenquellen mit unterschiedlicher Spannung ermöglicht die Erfassung des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens einzelner Organe bzw. Gewebe. Anwendungsbeispiele sind die Typisierung von Konkrementen in den ableitenden Harnwegen, die Differenzierung fokaler hepatischer Läsionen oder die Diagnose kleiner Lungenembolien.

Dosisverminderung durch iterative Bildrekonstruktion

Durch die iterative Bildrekonstruktion ist es möglich, die CT-Strahlendosis indirekt zu senken. Hierbei wird aus den gemessenen Rohdaten der einzelnen Projektionen ein erstes Rohbild erstellt, welches noch ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist. Anschließend berechnen iterative (wiederholte) Algorithmen multiple simulierte Korrekturprojektionen und gleichen diese in mehreren Bearbeitungszyklen an die gemessene Projektion an, bis die be­rechneten Bilddaten mit den gemessenen Rohdaten übereinstimmen. Aus den Werten aller Projektionen ergibt sich durch Überlagerung das Schichtbild. Hierbei repräsentiert jedes Flächenelement des zweidimensionalen Bildes (Pixel) ein Volumenelement (Voxel = Pixel × Schichtdicke).

In der Praxis lässt sich das Bildrauschen hierdurch so weit herausrechnen, dass bei gleicher Bildqualität bis zu 40% der Dosis eingespart werden können. Bei einer noch größeren Dosisreduktion besteht allerdings die Gefahr, dass schwach kontrastierte Läsionen, wie sie beispielsweise in der Leber vorkommen können, nicht mehr zu erkennen sind.

In den letzten Jahren wurden noch andere technische Neuerungen implementiert, um die Strahlendosis zu senken. So kann mithilfe einer Software zur automatischen Modulation der Spannung das optimale Verhältnis von Spannung und Strom gewählt werden, um passend zur jeweiligen Fragestellung das höchste Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis bei geringster Dosis zu erhalten. Dennoch bleibt die Strahlenexposition durch die Computertomografie nicht unerheblich. So beträgt die effektive Dosis für eine Thorax-CT mit bis zu 10 mSv etwa das 100-Fache einer konventionellen Röntgenaufnahme des Thorax.

MRT-Bild durch angeregte Protonen

Die Kernspin- oder Magnetresonanztomografie (MRT) beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass Atomkerne mit ungerader Nukleonenzahl (z. B. 1H+, Protonen) über einen Eigendrehimpuls verfügen, den sogenannten Spin. Die hierdurch bewegte elektrische Ladung induziert ihr eigenes magnetisches Dipol­moment.

Im Normalzustand liegen diese Magnetfelder ungeordnet vor. Legt man jedoch von außen ein starkes Magnetfeld an, richten sich die Atomkerne wie eine Kompassnadel parallel oder antiparallel zur Feldrichtung aus und vollführen eine Kreiselbewegung um die Längsachse des Magnetfeldes. Diese Bewegung wird als Präzession bezeichnet, ihre von der Stärke des Magnetfeldes abhängige Frequenz als Larmor-Frequenz. Zur Erzeugung eines für die Bildgebung ausreichend großen und homogenen Magnetfeldes kommen sogenannte supraleitende Magnete zum Einsatz.

Die Ausrichtung der Kernspins allein würde noch keine Bilddarstellung erzeugen. Daher wird nun senkrecht zur Richtung des Magnetfelds mithilfe einer Hochfrequenz­spule ein kurzer Hochfrequenzimpuls (HF-Impuls) eingestrahlt, dessen Frequenz der Larmor-Frequenz entspricht (Resonanzfrequenz). Durch die Anregung der Protonen „klappen“ die längs ausgerichteten Kernspins um, sodass eine messbare Quer- oder Transversalmagnetisierung entsteht. Gleichzeitig wird die Präzessionsbewegung kurzzeitig synchronisiert (Phasenkohärenz).

Essenzielle gewebespezifische Zeitkonstanten

Mit dem Ausschalten des HF-Impulses kehren die Protonen in ihren Grundzustand zurück, wobei beide Relaxations­vorgänge mathematisch durch gewebespezifische Zeit­konstanten beschrieben werden:

  • Die T1 -Relaxation (300 – 2000 ms) bezieht sich auf die Rückkehr der Atomkerne in die Längsmagnetisierung (Längsrelaxation),
  • die T2 -Relaxation (30 – 150 ms) auf den Verlust der phasensynchronen Bewegung (Querrelaxation).

Da der von den Protonen hierbei ausgehende und für die Bildgebung genutzte magnetische Impuls sehr gering ist, müssen sie mithilfe konsekutiver HF-Impulse mehrmals angeregt werden, man bezeichnet dies als Pulssequenz. Die Zeit zwischen zwei Anregungen heißt Repetitionszeit (TR), die Zeit zwischen Anregung und Signalaufnahme heißt Echozeit (TE). Diese Parameter einschließlich der Protonendichte im zu untersuchenden Gewebe (PD) sind für eine indikationsabhängige Steuerung des Bildkontrastes un­erlässlich (s. Kasten).

Bildkontrast bei MRT-Untersuchungen

Determinanten sind die Gewebeparameter (T1 - und T2 -Relaxation, Protonendichte = PD) sowie die Sequenz­parameter (Echozeit = TE, Repetitionszeit = TR).

Der für den Kontrast jeweils ausschlaggebende Gewebe­parameter bestimmt die Gewichtung und damit den Bildcharakter.

T1-gewichtete Sequenz (mit kurzer TR und TE)

  • Gewebe mit kurzer T1 -Relaxation (z. B. Fett, weiße Hirnsubstanz) erscheinen hell (= hyperintens)
  • Gewebe mit langer T1 -Relaxation (z. B. Muskulatur, graue Hirnsubstanz) erscheinen dunkel (= hypointens)

T2-gewichtete Sequenz (mit mittellanger TR und TE)

  • Gewebe mit kurzer T2 -Relaxation (z. B. Muskulatur) erscheinen dunkel
  • Gewebe mit langer T2 -Relaxation (z. B. Wasser [Liquor, Ödeme, Zysten]) erscheinen hell

PD-gewichtete Sequenz (mit langer TR und kurzer TE)

  • Gewebe mit geringer Protonendichte (z. B. Knochen) erscheinen dunkel
  • Gewebe mit hoher Protonendichte (z. B. Wasser, Bindegewebe) erscheinen hell

Die oben genannten HF-Spulensysteme arbeiten wie „Sendemast und Empfangsantenne“. Nach dem HF-Impuls bzw. seiner Abschaltung nimmt die Spule das von den Protonen emittierte Signal auf und leitet es zur Bildrekonstruktion an das Rechnersystem weiter.

Keine MRT bei Herzschrittmacher

Nachteile der MRT im Vergleich zur CT sind ein geringeres Auflösungsvermögen und eine höhere Artefaktanfälligkeit (insbesondere durch Bewegungen, Kalk, Metall und Implantate). Die längere und engere „Röhre“ kann den Patienten belasten, zumal die Untersuchungszeiten deutlich länger sind. Daher ist die MRT für Patienten mit Adipositas oder Klaustrophobie sowie für die Notfalldiagnostik weniger geeignet. Auch besteht die Gefahr, dass potenziell bewegliche und magnetisierbare Metallteile im Körper (z. B. frische Gefäßclips oder künstliche Herzklappen) durch das Magnetfeld disloziert werden. Kontraindiziert ist die MRT bei Herzschrittmachern und Cochlea-Implantaten (Hörprothese für Gehörlose mit jedoch funktionierendem Hörnerv).

CT versus MRT?

Insbesondere wenn beide Verfahren bei einer Fragestellung eine ähnlich hohe Aussagekraft aufweisen, ist diese Frage nicht immer leicht zu beantworten, sodass andere Entscheidungskriterien, wie etwa Dringlichkeit, Aufwand und Verfügbarkeit, herangezogen werden müssen.

  • Grundsätzlich ist die CT durch den fast universellen Einsatz in der Abdomen- und Thoraxdiagnostik, durch die kurze Untersuchungszeit und die breite Verfügbarkeit das „Arbeitstier“ der Radiologie; auch für die Notfalldiagnostik und die Untersuchung schwerkranker Patienten ist sie geeignet.
  • Demgegenüber ist die MRT wegen der nicht vorhandenen Strahlenbelastung insbesondere bei Kindern, jungen Erwachsenen und Schwangeren vorzuziehen.

Konkret seien zur bevorzugten Anwendung der CT bzw. MRT folgende Beispiele genannt:

Zur Beurteilung von Verletzungen komplexerer knöcherner Strukturen (z. B. Wirbelkörper-, Becken- oder Handwurzelfrakturen) eignet sich die CT hervorragend, somit auch zur präoperativen Frakturdarstellung. Allerdings ist sie bei der Beurteilung von Weichteilläsionen (z. B. Rückenmarkskompression, Knorpelschäden) der MRT unterlegen.

Eine weitere Domäne der CT ist die Nebenhöhlen-, Zahn- und Kieferdiagnostik, ausgenommen bei Verdacht auf einen entzündlichen Tumor oder Abszess (s. u.).

Ebenso gilt die kraniale CT als Basisdiagnostik bei Schlaganfall oder Schädel-Hirn-Trauma, vor allem zum Ausschluss akuter Blutungen. Demgegenüber ist beim Nachweis kleiner Läsionen und sehr frischer Infarkte die MRT aussagekräf­tiger (Diffusionsstörungen als früheste Veränderungen des Schlaganfalls).

Durch ihren erhöhten Flüssigkeitsanteil weisen ent­zündliche und tumoröse Veränderungen eine hohe Signal­intensität in der T2 -Gewichtung auf. Somit ist die MRT am besten zur Beurteilung des zentralen Nervensystems ­geeignet (z. B. bei Verdacht auf Multiple Sklerose), aber auch der parenchymatösen Organe des Abdomens und des Beckens. Allerdings wird beim „akuten Abdomen“ aus Gründen der Dringlichkeit in der Regel eine CT durch­geführt werden (Steindiagnostik, Tumorsuche, Verdacht auf Perforation).

Die CT-Koronarangiografie zeichnet sich durch eine hohe Signalstärke beim Kalknachweis aus, ist jedoch bei der Beurteilung einer Myokardischämie der MRT unterlegen.

Situationsangepasste Bildgebung

Am Beispiel der Diagnostik verschiedener Lungenerkrankungen lässt sich gut nachvollziehen, inwieweit die Auswahl des radiologischen Verfahrens nicht nur von der Verdachtsdiagnose als solcher abhängt, sondern auch von Risikofaktoren, dem klinischen Stadium und einer eventuell avisierten therapeutischen Maßnahme.

So genügt bei Verdacht auf eine ambulant erworbene Pneumonie gemäß den deutschen Leitlinien der Röntgenthorax in zwei Ebenen als Verfahren der Wahl, ebenso für die Initialdiagnostik der nosokomialen Pneumonie bei immungesunden Betroffenen. Dagegen sollte bei Risikopatienten (z. B. beatmet oder immunkompromittiert) eine Multidetektor-CT durchgeführt werden, ebenso bei komplizierten Pneumonien. Beispielsweise zeigen pilzbedingte Infiltrate charakteristische morphologische Zeichen im CT-Bild, wie dichte umschriebene Läsionen, Lufteinschlüsse und Kavernenbildung.

Auch die Entdeckung eines Bronchialkarzinoms gelingt in vielen Fällen ebenfalls mithilfe der konventionellen Röntgenuntersuchung, für das Tumor-Staging wird jedoch eine kontrastmittelgestützte Multidetektor-CT empfohlen. Für bestimmte Konstellationen eignet sich wiederum die MRT besser: Aufgrund ihres hohen Weichgewebekontrastes kann die Methode zentrale Tumoranteile besser von einer nachgeschalteten Atelektase (kollabierter, da nicht belüfteter Lungenanteil) unterscheiden, was zum Beispiel zur Definition des Zielvolumens einer Strahlentherapie von Bedeutung ist. Auch bei Wirbelsäulenkontakt eines dorsal gelegenen Bronchialkarzinoms wird wegen der Nähe zum Spinalkanal eine präoperative MRT empfohlen (Abb. 3).

Foto: Science Photo Library / PHANIE
Abb. 3: Bronchialkarzinom mit Einbruch in einen Wirbelkörper. Kolorierter MRT-Scan.

Die Mukoviszidose (zystische Fibrose), die häufigste autosomal-rezessiv vererbte Stoffwechselerkrankung der hellhäutigen Bevölkerung, geht mit der Ausbildung zähflüssiger Sekrete einher, wobei die Lungenbeteiligung die Prognose bestimmt. Sowohl mit CT als auch MRT lassen sich die typischen Veränderungen etwa gleichwertig nachweisen, etwa Schleimverlegung, entzündliche Infiltrate, Wandverdickung und Bronchiektasien. Zusätzliche Informationen ergeben sich durch eine MRT-Perfusionsbildgebung: Unter Ausnutzung des Euler-Liljestand-Mechanismus (reflektorische Vasokonstriktion von Lungengefäßen bei Hypoxie) lassen sich pulmonale Perfusions- und Ventilationsstörungen nachweisen, die eventuell noch reversibel sind. |

Literatur

[1] Hünerbein R. Radiologische Verfahren. In: Reiser M, Kuhn FP, Debus J (Hrsg). Radiologie. 4. Aufl. 2017. Georg Thieme Verlag

[2] Dettmer S, Kirchhoff T. Radiologische Verfahren – Für jeden Fall das richtige Bild. Allgemeinarzt 2013;35(15):14-18

[3] Bundesärztekammer. Leitlinie der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Computertomographie, 2007

[4] Kühl H, Altenbernd J. CT – Medizinische Vorteile der Dualsource-Technik (Abstract). Fortschr Röntgenstr 2013;185 – MTRA14_2

[5] Euler A, Szücs-Farkas Z, Schindera S. Möglichkeiten der Strahlenreduktion bei der CT des Körperstamms. Radiologie up2date 2014;14(2):163-176

[6] Pabst C. Grundlagen der Magnetresonanz-Tomographie – Lernskript für Mediziner. Universität Marburg, 2013

[7] Bundesärztekammer. Leitlinien der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung der Magnet-Resonanz-Tomographie, 2000

[8] Wielpütz MO, Heußel CP, Herth FJF, Kauczor HU: Radiological diagnosis in lung disease – factoring treatment options into the choice of diagnostic modality. Dtsch Arztebl Int 2014;111(11):181-187

Autor

Clemens Bilharz ist Facharzt für Anästhesie und Intensivmedizin und zusätzlich als wissenschaftlicher Fachzeitschriftenredakteur ausgebildet. Er ist als Autor und Berater für Fachverlage und Agenturen tätig.

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