Dreidimensionale Körperwelten – Computertomografie

Der wirkliche Durchbruch in der 3D-Bildgebung gelang erst durch die einsetzende Computerisierung in den 1970er Jahren. Bildgebende Systeme wie die Computertomografie (CT) oder die Magnetresonanztomografie (MRT) scannen den Körper Schicht für Schicht. Die daraus heute entstehenden riesigen Datenmengen werden von Computern digital zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt. CT- und MRT-Daten sind auch die Basis für neueste 3D-Visualisierungstechniken, wie z.B. das Cinematic rendering.

Zwischen 1956 und 1964 führte der südafrikanische Medizinphysiker Allan McLeod Cormack (1924-1998) des Groote Schuur Hospitals in Kapstadt zur Verbesserung der Bestrahlungsplanung Berechnungen zur Strahlungsschwächung in inhomogenem Gewebe durch. 1964 veröffentlichte er seine Arbeit „Representation of a function by its line integrals, with some radiological applications“ im „Journal of Applied Physics“.

Nach dem Studium der Elektronik am Faraday House Electrical Engineering College in London und der Arbeit im Bereich Radar der Royal Air Force während des Zweiten Weltkriegs trat der britischer Elektroingenieur Godfrey Newbold Hounsfield, (1919-2004) 1951 in die Forschungsabteilung von EMI Ltd. ein. Dort leitete er das Entwicklungsteam, das 1958-59 den ersten Volltransistor-Computer in Großbritannien, den EMIDEC 1100, baute. Mitte der 1960er Jahre arbeitete Hounsfield an der Erkennung von Bildmustern. Nach grundlegenden theoretischen Überlegungen entwickelte er ein Computerprogramm zur Simulation von Absorptionswerten . 1968 stellte er seinen Projektvorschlag für eine experimentelle Studie vor. „Der Zweck der Studie besteht darin, den Einsatz eines Computers zu untersuchen, um die Informationen, die bei der Untersuchung eines Objekts mit Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen gewonnen werden, besser nutzen zu können“.

Zur praktischen Überprüfung seine Ideen baute er aus vorhandenen Teilen der EMI Werkstatt zwischen 1967-68 eine erste Versuchsanordnung bestehend aus einen alten ausgemusterte Drehbank, einer Gammastrahlungsquelle (Americium-241) und einen NaJ Szintillationsdetektor. Als Testobjekt wurde ein komplexes Plexiglasmodell erstellt, das in Ein-Grad-Schritten zwischen Detektor und Strahlenquelle gedreht wurde. Die Messdaten wurden auf Lochstreifen gespeichert und zur Bildverarbeitung zum Nachfolger des EMIDEC Großrechners, einem ICL 1905, gebracht. Es dauerte neun Tage , um die Daten zu erfassen (ca. 28.000 Messungen ) und zweieinhalb Stunden Rechenzeit , um das Bild zu rekonstruieren. Diese ersten Arbeiten wurden von einem sehr kleinen Team, bestehend aus Hounsfield, Stephen Bates (Programmierung), Peter Langstone (Elektronik) und Mel King (Mechanik), mit einem sehr geringen Budget von 25.000 £ durchgeführt. Dass die enormen, aus dem Verkauf von Beatles-Schallplatten stammenden Einnahmen für EMI zur Finanzierung der CT-Entwicklung diente, ist ein kleiner sich aber hartnäckig haltender Mythos.

Durch die Verwendung einer Röntgenröhre anstelle der Gammastrahlenquelle konnte die Datenerfassung auf 9 Stunden reduziert werden. Das Rekonstruktionsprogramm auf dem ICL 1905 erlaube die Berechnung einer 80x80 Matrix. Die Programmsprache war FORTRAN. Nach den ersten erfolgreichen Tests wurde am 5. November 1969 das Bild eines in Formalin eingelegten Gehirns aufgenommen. Durch die Verwendung von Formalin konnte vorteilhafterweise der Kontrast zwischen wei ß en und grauen Substanz, der normalerweise nur 0,5% beträgt um bis zu 4% erh ö ht werden. Der Londoner Neuroradiologe Evan Lennon erinnerte sich: "Ich habe eine gewisse Freude daran, dass ich der erste Mediziner war, der dies sah, und ich erkannte den suprasellaren Tumor, der Flecken von Kalzium enthielt, und ich erkannte, dass das Bild weiße von grauer Substanz unterschied .“ Lennon arbeitete im britischen Gesundheitsministerium und half Fördermittel für die Entwicklung eines klinischen Prototyps zu eruieren. Der EMI-Kopfscanners (Mark I) wurde im September 1971 im Atkinson Morleys Hospital in London installiert. Der Scanner bestand aus einer stationären Anoden-Röntgenröhre, die durch zirkulierendes Öl gekühlt wurde. Die Röntgenstrahlung wurde zu einem Bleistiftstrahl kollimiert. Um eine konstante gewebeäquivalente Weglänge zu gewährleisten, wurde der Kopf des Patienten in einen viereckigen wasserbefüllten Kasten positioniert, der sich mit drehte, so dass die Röntgenstrahlung immer quer auf das Wasserbad auftraf. Diese Geometrie ermöglichte relative (Unterschied zwischen der absoluten Messung und der Messung nur durch Wasser) Messungen. So musste das Gerät nicht für unterschiedliche Durchstrahlungslängen in Bezug auf die Strahlaufhärtung kalibriert werden. Die Strahlung wurde dann von einem Natriumjodiddetektor gemessen, der an einem starren Metallrahmen befestigt war. Es standen zwei nebeneinanderliegende Detektoren mit einer Apertur von jeweils 5 x 13 mm verwendet, so dass zwei Schichten gleichzeitig aufgenommen werden konnten.

Am 1. Oktober 1971 wurde der erste klinische CT-Scan an einer lebenden Patientin aufgenommen. Mit Verdacht auf eine Hirnläsion zeigt der Scan einen kreisförmigen zystischen Tumor im Frontallappen. Die Scandaten wurden auf Magnetband gespeichert und an EMI zurückgeschickt, wo sie über Nacht auf einem ICL 1905-Computer verarbeitet wurden. Die ersten Bilder wurden mit Hilfe einer iterativen algebraischen Rekonstruktion erzeugt, die von Steve Bates auf dem ICL 1905 Mainframe implementiert wurde. Je Schnittbild wurde 20 Minuten Rechnerzeit benötigt. Später wurde zur Rekonstruktion die von Chris Lemay erfundene und patentierte Methode der gefilterten Rückprojektion oder Faltung verwendet. Auf dem ursprünglichen EMI Mk1-Scanner dauerte die Verarbeitung eines 80x80-Bildes 7 Minuten, mit der gefilterten Rückprojektion konnte auf demselben Computer ein 160x160-Bild in 30 Sekunden nach Ende des Scans verarbeitet werden. Die wieder auf Magnetband gespeicherten rekonstruierten ersten Bilder wurden am nächsten Tag zurück ins Krankenhaus geliefert. Dort konnten sie auf drei Arten betrachtet werden: als Papierausdruck, auf einem Kathodenstrahlröhren-Display (CRT) oder als Polaroidbild des CRT-Displays.

^{Links: EMI Mark I am Atkinson Morley’s Hospital, London: 1. Oktober 1971. Archiv Prof. Dr. A. Thomas, Bromley, GB.
Rechts: Polaroid Foto des ersten CT Hirnscans einer Patientin 1. Oktober 1971. Archiv Prof. Dr. A. Thomas, Bromley, GB.
© DRM}

Für die Herstellung von einem Prototyp und drei klinisch zu verwendenden Geräten, die genügend Geld einbringen sollten, um ein fünftes Gerät zu finanzieren, das Hounsfield und sein Team behalten und für weitere Forschung verwenden sollten, wurde vom britischen Gesundheitsministeriums die Hälfte der verbleibenden Forschungskosten finanziert. Im Gegenzug erhielt das Ministerium eine kleine Lizenzgebühr aus dem Verkauf. Damals rechnete man mit Kosten von 69.000 Pfund für ein komplettes funktionierendes System. Man einigte sich auf eine Förderung von 150.000 Pfund für jedes der vier Systeme. Die drei vom Gesundheitsministerium bestellten Systeme wurden im National Hospital for Neurology and Neurosurgery in London , in Manchester und in Glasgow installiert. 1973 wurden erste EMI-CT-Scanner am Massachusetts General Hospital und in der Mayo Clinic installiert, wo am 19. Juni 1973 die erste klinische Untersuchung in den USA durchgeführt wurde.

20. April 1972 stellten Godfrey Hounsfield und James Ambrose vom Atkinson Morleys Hospital beim 32. Congress des British Institute of Radiology ihre Ergebnisse unter dem Vortragstitel „Computerisierte Axialtomografie (ein neues Verfahren zur Darstellung einiger Weichteilstrukturen des Gehirns ohne Verwendung von Kontrastmitteln)“ dem radiologischen Fachpublikum vor. Tatsächlich hatte Hounsfield die Ergebnisse einiger seiner Tierversuche im Jahr zuvor auf dem 2. Kongress der European Association of Radiology in Amsterdam vorgestellt, aber sie hatten kein großes Interesse geweckt. Das Gleiche passierte in den USA, denn bei einem Neuro-Postgraduiertenkurs am Albert Einstein College of Medicine in New York am Montag, dem 15. Mai 1972 , blieben nur etwa ein Dutzend Teilnehmer, um einen zusätzlichen Mittagsvortrag von Hounsfield und Dr. Bull zu hören, in dem sie die ersten klinischen Bilder zeigten.

Die Machbarkeit eines Körperscans wurde bei EMI bereits am 19. November 1973 geprüft. Der dünnste Mann des EMI-Teams, Tony Williams wurde in einem Kopfscanner gescannt. Nach erfolgreichen Tests mit einem modifizierten Mark 1-Scanner entwickelte Hounsfields Team einen Prototyp eines Körperscanners. Der „Emerald-Ganzkörperscanner“ wurde 1974 im Northwick Park Hospital aufgebaut. Für die ersten Körperbilder, die mit dem EMI CT5000 Prototyp-Gerät am 20. Dezember 1974 aufgenommen wurden, hatte sich Hounsfield als Probepatient selbst bereitgestellt. Die Bilder wurden am 14. März 1975 auf der ersten internationalen Konferenz über Computertomografie auf den Bermudas gezeigt.

Der zunächst als CT5000 bezeichnete Körperscanner wurde zum kommerziellen Seriengerät CT5005 weiterentwickelt. Bei diesen Körperscannern handelte es sich um Einschichtgeräte, die eine Gantry mit 30 Detektoren plus einem Referenzdetektor verwendeten, um die Scanzeit auf 20 Sekunden zu reduzieren. Die Matrix wurde auf 320x320 über ein wählbares Scanfeld von 240 mm, 320 mm oder 400 mm erhöht. Der CT5005 wurde erstmals auf dem RSNA im November 1975 vorgestellt.

Die technische Entwicklung der CT drückt sich in Fortschritten der Art der Anordnung und der Bewegung des Messsystems aus. Obwohl die Aufzählung fünf Generationen umfasst, sind heute alle verfügbaren Geräte sogenannte Rotation-Rotation-Geräte der dritten Generation.

Bei den Geräten der ersten Generation handelte es sich meist um reine Schädelscanner, mit denen ausschließlich Aufnahmen des Kopfes möglich waren. Detektor und Röhre werden in festem Abstand senkrecht zur Drehachse zueinander geradlinig verschoben. Ein Bleistiftstrahl tastete die zu untersuchende Schicht in einer Ebene ab. Das Messsystem bestand aus einen Detektor pro Schicht. Es können aber zwei Schichten simultan aufgenommen werden. Die Scanzeiten für einen 180°-Scan betrug ca. 200-400 Sekunden. Für die Rekonstruktion jedes 80x80 Bildes wurden zwischen 5 bis 7 Minuten benötigt. Mit der Implementierung der Faltungs-Rekonstruktion mit einer 160x160 Matrix konnte das erste Bild sofort und das zweite Bildes 30 Sekunden nach dem Ende des Scans rekonstruiert werden. Jeder Scan lieferte zwei Bilder, die jeweils auch separat rekonstruiert werden mussten. Beispiele von Geräten der ersten Generation sind: EMI Marc1, ACTA-Scanner, GE CT-N, Siemens Siretom 1, Hitachi H-250 und CGR Densitome.

Die ersten kommerziellen Scanner, die sogenannte „zweite Generation“, unterschieden sich nur wenig von Hounsfields Scan-System. Um das Scannen zu beschleunigen und die verfügbare Röntgenleistung effizienter zu nutzen, wurden Detektoren hinzugefügt , was den Wechsel von einem Bleistiftstrahl zu einem kleinen Fächerstrahl zur Folge hatte. Beide Scannertypen funktionierten nach dem Translations-Rotations-Prinzip, bei dem die Strahlenquelle und der Detektor das Objekt in einer linearen translatorischen Bewegung abtasten und diesen Vorgang nach einem kleinen Rotationsinkrement sukzessive wiederholen. Insgesamt boten 15 Anbieter 30 Modelle an. In der zweiten Generation lassen sich zwei Typen unterscheiden: Bei einem langsamen Typ konnten mit wenigen Detektoren simultan zwei Schichten abgetastet werden. Die Scanzeiten lagen zwischen etwas weniger als einer und zweieinhalb Minuten. Beispiele sind: Ohio Nuclear Delta 50, Delta 25, EMI CT-1010, Syntex System 60, Siemens Siretom 2000 und Philips Tomoscan 100. Bei dem etwas schnelleren Typ wurden mehr Detektoren eingesetzt, die aber nur eine Schicht gleichzeitig aufnehmen konnten. Die Scanzeiten zwischen 10 und 20 Sekunden ermöglichten allerdings hier Aufnahmen innerhalb einer Atempause. Beispiele sind: EMI CT 5005, Philips Tomoscan 200, Ohio Nuclear 50FS, Syntex System 6000 und Elscint Scan-EX. Generelles Problem dieser Scanner war jedoch die erhöhte Streustrahlung.

Anstatt ein Transmissionsprofil, d. h. eine Projektion, mit einem Bleistiftstrahl mit translatorischer Bewegung abzutasten, wurden ein Fächerstrahl und ein größerer Detektorbogen verwendet, um eine komplette Projektion gleichzeitig zu messen. Bei diesem Ansatz wird die verfügbare Röntgenleistung aufgrund des größeren Winkels, den der komplette Detektorbogen einnimmt, wieder effizienter ausgenutzt. Die translatorische Bewegung wurde obsolet, und die Systeme führten nur noch eine Rotationsbewegung aus. Die ersten Ganzkörperscanner mit Fächerstrahlsystemen kamen 1976 auf den Markt und boten Scanzeiten von 20 s pro Bild. Bei den ersten Scannern dieses Typs rotierten sowohl die Röntgenröhre als auch die verwendeten Xenon-Gasdetektoren Detektoren um den Patienten. Das daraus resultierende Scannerkonzept wird als „dritte Generation“ bezeichnet. Ein frühes Problem bei der Entwicklung vornehmlich auch dieser CT-Generation war die Stabilisierung des Detektors und die Notwendigkeit der Kalibrierung. Generell hatte die dritte Generation deshalb zu Beginn den Nachteil des Auftretens von Ringartefakten. Nachdem 1976 nur Artronix solche Systeme anboten folgten weitere Hersteller, 1986 waren es auch nur noch sieben Unternehmen: Elscint, General Electric, Hitachi, Philips, Shimadzu, Siemens und Toshiba. Andere Hersteller, wie CGR, Interad, Searle und Varian hatten davor die Herstellung von CT-Geräten eingestellt. Beispiele für die frühen Entwicklungen sind Artronix Neurocat 1110, GE CT/T, Philips Tomoscan 300, Siemens Somatom, Varian V360/3.

Vor 1987 wurde die notwendige elektrische Energie über Kabel in die Röntgenröhre des Scanners eingespeist. Dies verhinderte eine schnelle und kontinuierliche Rotation, da die Systeme in eine Richtung beschleunigt, nach 360° gestoppt und dann wieder in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt werden mussten. Schnelle Scanner dieses Typs ermöglichten in den 1980er Jahren Scanzeiten von bis zu 2 Sekunden. Das Ziel, kürzere Scanzeiten zu ermöglichen, wurde in den 1980er Jahren in Form vieler kreativer Ansätze verfolgt.

Kontinuierlich rotierende CT-Systeme, die auf der „Schleifringtechnologie“ basieren, wurden 1987 eingeführt. Die für die Röntgenröhre notwendige elektrische Energie wird über Schleifringe statt über Kabel übertragen. Dadurch war es möglich, die Start-Stopp-Betriebsart (Start für Rechtsdrehung – Stopp – Start für Linksdrehung – Stopp – usw.) aufzugeben und durch eine kontinuierliche Datenerfassung zu ersetzen. Gleichzeitig wurden die Rotationszeiten auf 1 s reduziert und damit ein neuer Standard gesetzt. Die ersten „Dauerrotierer“ wurden im Jahr 1987 von den Firmen Siemens (Somatom Plus) und Toshiba (TCT 900S) auf den Markt gebracht. Die Erweiterung zum kontinuierlichen Multi-Rotations-Scanning brachte entscheidende neue Impulse. Sie bildete die Grundlage für fortschrittliche dynamische Untersuchungen und schließlich für die Spiral-CT. Alle heute produzierten CT-Scanner nutzen die Schleifringtechnologie und bieten kontinuierliche Rotation.

Wichtige Entwicklungsschritte sind hier: 512x512 Matrix (1981), Schleifringe, kontinuierliche Rotation (1987), schnelle Datenübermittlung, Bürstenkontakte, mehrfache Detektorreihen, Multislice (1998), Dual Source (2005), schnelle Kardiologische Bildgebung, 16, 64,128, 256, 320 Detektorzeilen, große Detektoren mit 30 cm Abdeckung. Spiral CT (1989); Simultane Akquisition von zwei parallelen Spiralen, 2-Zeiler, (1998 Elscint Twin Flash), 4-Zeiler (1998), 16 Zeiler (2001), PETCT (2001), 64-Zeiler (2004), Dual Source (2005), 320 Zeilen (2007), Zwei-Spektren bzw. Multienergy CT (2013).

Zur Vermeidung der anfänglich auftretenden Kreisartefakte der dritten Generation wurden Geräte entwickelt, b ei denen nur noch die Röntgenröhre um den Patienten herum rotiert. Die Detektoren waren auf einem vollen 360°-Kreis stationär um den Patienten herum angebracht. American Science and Engineering Inc, (AS&E) entwickelt 1976 einen ersten Scanner bei dem 1.200-2.400 Detektoren fest im Gerät montiert wurden. Diese Konstruktion ermöglichte Scanzeiten von 15 Sekunden. Beispiele sind AS&E CT-Scanner, Ohio Nuclear Delta 2005 2010 und 2020, Picker Synerview 300, 600, 1200 Expert, 1200SX Pfizer 0450. Durch bessere Kalibrierung konnten allerdings bald auch bei der dritten Generation die Ringartefakte vermieden werden, so dass sich diese Geräte nicht durchsetzen konnten und bald wieder vom Markt verschwanden. Ein großer Nachteil der 4. Generation war die Post-Patient Kollimation zur Sicherstellung der räumlichen Auflösung. Dies verhinderte jedoch, dass ein Teil der Strahlung, die den Patienten schon passiert hatte, nicht zum Bildgebung beigetragen hat und nur das Bildrauschen erhöhte.

1980 wurde an der Mayo Clinic der Dynamic Spatial Reconstructor (DSR) für spezielle kardiologische Bildgebung entwickelt. Das Gerät hatte 28 Röntgenröhren, die fest in einer 4,5 m durchmessenden Gantry befestigt wurden und um den Patienten rotieren. Zur gleichen Zeit benötigte ein CT 5 Sekunden um eine Schicht zu scannen. Der DSR schaffte in der gleichen Zeit 75.000 Schichten bei einer sensationellen Schichtdicke von nur 0,9 mm. Allerdings wurde beim DSR anstatt von Kristalldetektoren ein Fluoreszenzschirm benutzt. Dadurch war jedoch der dynamische Bereich des Detektorsignals viel zu klein f ü r eine gute Kontrastauflösung. Da dieses Verfahren technisch viel zu aufwändig und zudem extrem kostspielig war, ging man in an der Universität von San Francisco einen anderen Weg. 1983 wurde dort von einer Gruppe von Forschern um Douglas Boyd ein neues Konzept für die kardiale CT-Bildgebung eingeführt. Das als „ultraschnelle CT“ (UFCT), „CT der 5. Generation“, „Cine-CT“, „Elektronenstrahltomografie“ (EBT) oder „Elektronenstrahl-Computertomografie“ (EBCT) bezeichnete System ermöglichte die Bildaufnahme ohne mechanische Bewegung einer Röntgenröhre. Es ermöglichte eine wesentlich höhere Aufnahmegeschwindigkeit, gleichzeitige Bildgebung in mehreren Ebenen und die Möglichkeit, die Bilderzeugung mit dem Herzzyklus zu synchronisieren. Als einziger Hersteller begann die Firma Imatron Inc. (San-Francisco, USA) 1984 mit der kommerziellen Produktion und dem Vertrieb von EBCT-Systemen. Es wurden mehrere Scanner-Generationen (C-100, C-150 und C-300) entwickelt.

Partnerschaften von Imatron mit Picker und Siemens Medical Systems (1993 und 1998) führte zu weiteren Verbesserungen. Im Jahr 2001 übernahm General Electric Medical Systems Imatron Inc. und gründete die Tochterfirma „GE Imatron Inc.“ für die Herstellung, den Service und den Vertrieb von EBCT. 2002 kommt das „e-Speed“ auf den Markt. Der Scanner verfügt über ein komplett neues Systemdesign mit neuem Generator (140 kW) sowie einem Multislice-Detektorsystem. Dies ermöglicht Scanzeiten von 50 und sogar 33 ms, zwei bis drei Mal schneller als die bisherigen EBT-Scanner.

Obwohl einige Aspekte des EBCT-Konzepts weiterhin sehr attraktiv erscheinen, gibt es eine Reihe von entscheidenden Nachteilen. Die Fokustrajektorie ist auf einen Teilkreis von typischerweise 220°, d.h. 180° plus Fächerwinkel, und auf eine Ebene beschränkt, die nicht mit der Ebene des Detektorbogens von ebenfalls etwa 220° zusammenfällt, der notwendigerweise in z-Richtung versetzt sein muss. Da der Detektor stationär ist, können keine Antistreukollimatoren verwendet werden. Beide Nachteile, die Geometrie und das Fehlen von Streukollimatoren, sprechen auch gegen den Einsatz breiterer Detektorarrays. Hinzu kommt, dass die Röntgenleistung der bestehenden EBCT-Systeme mit typischerweise 100 kW die Röntgenleistung konventioneller Systeme nicht wesentlich übertraf. In der Folge stellte sich später heraus, dass die Spiral-CT mit mehrreihigen Detektoren eine höhere Bildqualität und eine höhere Scan-Geschwindigkeit im Volumen bei geringeren Kosten bot. Die EBCT hielt sich weniger als zwei Jahrzehnte. Weltweit wurden nur etwa 120 Geräte gebaut.

Für die Bereitstellung von vielen Informationen um die historische und aktuelle Entwicklung der CT möchte ich mich besonders bedanken bei: