Die Gantry ist das, was man außer dem Tisch sieht, wenn der Untersuchungsraum betreten wird (Abb. 5.1). Sie wird als das „Herz“ des Tomographen bezeichnet, denn unter der Abdeckung befinden sich Röntgenröhre, Blendensystem, Detektorsystem, Kühlsystem sowie mechanische Elemente. Die gesamte Gantry kann (je nach Gerätetyp) horizontal bis zu +/- 30° gekippt werden.

Bei einer CT rotieren die Röhren-Detektorsysteme mit einem Gewicht von 2–3 t (Dual-Sorce-Systeme sogar 4–5 t) um den Patienten. Durch die schnelle Röhrenrotation (bis zu < 0,3 s/Rotation) entstehen hier immense Fliehkräfte.

Das Prinzip des Röntgenstrahler s wurde bereits im Kapitel 3 erläutert. Auch hier ist es ein Vakuumgefäß mit einer Anode und Kathode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Für den CT wurde jedoch ein neuer Strahler konzipiert und gebaut. Es handelt sich hier um einen sog. Drehgehäusestrahler. Hier rotiert nicht nur die Anode, sondern das gesamte Gehäuse, und somit auch die Kathode. Dadurch, dass die Anode die Außenwand des Gehäuses bildet, findet eine direkte Kühlung statt. Demnach verlängert und verbessert sich die Fähigkeit der Röhrenleistung. Die Kühlflüssigkeit ist Öl (Abb. 5.2). Eine weitere Besonderheit bei diesen Strahlern ist die elektromagnetische Fokussierung des Elektronenstrahls, d. h. der Elektronenstrahl wird auf dem Weg von der Kathode zur Anode ständig so abgelenkt, dass auf der Anode ein gewünschter Brennfleck bzw. eine gewünschte Brennfleckgröße entstehen. Diese Methode der Ablenkung wird auch genutzt, um zwei Brennflecke zu erzeugen (siehe hierzu z-sharping/Springfokus).

Die wichtigste Aufgabe des Generators ist es, kontinuierlich die gewünschte Leistung zu gewähren. Es müssen Spannungen von 80–140 kV erzeugt werden. Auch die Röhrenstromerzeugung (mA) muss stabil und schnell erfolgen. Die zeitliche Komponente spielt bei beiden Parametern eine wichtige Rolle, denn die Untersuchungen laufen heute sehr schnell ab. So muss während einer schnellen Untersuchung umso schneller die Dosismodulation erfolgen. Dosismodulation bedeutet die Anpassung von kV und mA an das durchstrahlte Objekt. Beispielsweise benötigt man bei einem CT-Abdomen für den Oberbauch weniger Dosis als für die Beckenpartie, sodass hier eine Hochregulierung der Parameter erforderlich ist. Somit wird erstens die geringere Dosis für den Oberbauch eingehalten, und zweitens wird die Bildqualität im Gesamten gewährleistet. Dazu später mehr.

Die Blendensysteme bestehen aus Blei und unterscheiden sich in ihrer Form und Funktion.

Am Fokus befinden sich Blenden zur Einstellung des Fächerstrahls. Dies erlaubt die Kontrolle der auf den Patienten fallenden Dosis. Feste Blenden sorgen für das Nichtüberschreiten der maximal erlaubten Fächerbreite. Hinter dem Patienten, vor dem Detektorsystem, sind flexible Blenden vorhanden. Diese dienen der Schichtdickeregulierung. Die Streustrahlenabsorption erfolgt durch kleine Bleilamellen zwischen den Detektorelementen. Ähnliches haben Sie bereits im Kapitel „Konventionelle Röntgendiagnostik (Kap.​ 3)“ als Streustrahlenraster kennengelernt.

Der Patienten- oder Untersuchungstisch dient der optimalen Positionierung des Patienten. Er kann sowohl in der Höhe als auch in der Längenausrichtung verändert werden. Wichtig sind die exakte Positionierungsmöglichkeit und der stabile Tischvorschub während einer Untersuchung. Die modernen Scanner können mit einem geeigneten Tisch eine Strecke von bis zu 2 m untersuchen. Auch können diese je nach Modell bis zu ca. 240 kg belastet werden.

Die technische Steuerung erfolgt durch den Bildrechner. Nachdem die Akquirierung auf gewünschte Weise erfolgt, verändert diese Rechnereinheit die Rohdaten mittels Algorithmen – ebenfalls in gewünschter Form. Die Rohdaten werden bearbeitet und umgerechnet, sprich rekonstruiert. Auf die Rekonstruktionsalgorithmen wird in Abschn. 5.1 explizit eingegangen. Auch dient der Bildrechner als kurzer Zwischenspeicher zur späteren Rekonstruktionsmöglichkeit.

Diese Einheit dient der Durchführung der Untersuchung. Nach der Patientenlagerung und -einstellung kann die gewünschte Region bzw. das gewünschte Organ mit den entsprechenden Parametern akquiriert werden. Es gibt nur eine Haupt-Workstation. Manche Abteilungen haben zur weiteren Bearbeitungen bzw. Rekonstruktionen ein angeschlossenes zweites Monitorsystem.

Die primäre Aufgabe eines Detektors besteht darin, die durch ein Objekt geschwächte Röntgenstrahlung zu registrieren bzw. zu messen (also die Strahlung, die durch den Patienten durchgedrungen ist), und muss sich demnach hinter dem durchstrahlten Objekt befinden. Diese Strahlen werden in elektrische Signale umgewandelt. Hinter dem Detektorsystem befinden sich das DAS (= Daten-Akquisitions-Systeme) zur Erfassung dieser Signale und Weiterleitung an den Rechner, wo die Erzeugung bzw. Rekonstruktion der digitalen Bilder stattfindet.

Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktion bestimmter Detektorsysteme vorgestellt. Auch hier kam es im Laufe der Zeit zu Veränderungen. Zu Beginn bestanden die Detektoren aus Hochdruck-Ionisationskammern, die mit Xenon gefüllt waren. Xenon ist ein Edelgas, weshalb diese Detektoren Gasdetektoren genannt wurden. Xenongas wurde durch die Röntgenstrahlen ionisiert (Abb. 5.3). Die Elektronen-Ionenpaare wanderten zu den Hochspannungs- und Messelektroden. Elektronen wanderten zu den Hochspannungselektroden und Ionen zu den Messelektroden. Diese Elektroden waren auf dem Detektor abwechselnd gereiht und besaßen eigene Messkanäle, wodurch die Datenaufnahme parallel erfolgte. Die Zwischenräume bildeten die eigentlichen Detektorelemente. Der gemessene Signalstrom wurde zur Bildentstehung dem Rechner zugeführt. Jedoch brachte dieses Detektormodell auch mehrere Probleme mit sich. Das größte Problem lag in der geringen Quanteneffizienz. Nur 50 % der einfallenden Röntgenstrahlung konnte im Detektor erfasst werden. Somit dienten wenige Signale der Bildentstehung. Dies hatte zur Folge, dass der Patient einer höheren Strahlenexposition unterlag. Ein weiteres Problem entstand, als die Mehrzeilen-CT entwickelt wurde, denn das Bauen mehrzeiliger Gasdetektoren war technisch nicht möglich.

Die Detektoren der Computertomographen der Mehrzeilengeneration sind Festkörperdetektoren mit Szintillationskristallen (Abb. 5.4). Der Festkörperdetektor bzw. die -elemente bestehen aus keramischem oder kristallinem Material (z. B. Cadmium-Wolframat oder Cäsium-Iodid), das auf einer Photodiode sitzt. Zwischen den einzelnen Detektorelementen befinden sich zur Abtrennung Wolfram- oder Molybdänbleche.

Sobald Röntgenstrahlung auf den Kristall fällt, kommt es zu einer Ionisation. Es entstehen Lichtblitze. Die Photodiode nimmt diese auf und wandelt sie in elektrische Signale um. Nach der Signalverstärkung kommt es durch die DAS zur Signalweiterleitung an das Rechnersystem, wo die Bilderzeugung stattfindet.

Wahl und Vorteil der Keramikdetektoren sind die hohe Quanteneffizienz, also die hohe Absorption der einfallenden Röntgenstrahlen. Somit entstehen viele Lichtblitze, die der Bildentstehung dienen. Weitere wichtige Aspekte sind die schnelle Abklingzeit des Signals und das geringe Nachleuten des Kristalls nach der Ionisation. Diese Punkte sind für die moderne Gerätetechnologie und für die hohe Ortsauflösung essenziell, denn die Rotationszeiten sind sehr gering (ca. 0,3 s pro Umlauf) und die Anzahl der Projektionen, durch mehrzeilige Detektoren, sehr hoch.

Auf die zwei verschiedenen Detektortypen „Fixed Array Detektor“ und „Adaptive Array Detektor“ wird im Abschn. 5.1.5 „Multislice-CT“ eingegangen.

Die Technik der sequenziellen Aufnahme ist die erstentwickelte Technik. Die wird auch „Step and Shoot“ genannt. Es werden Schicht für Schicht transversale/axiale Aufnahmen durchgeführt. Zwischen zwei Aufnahmen ist eine Tischbewegung nötig – axiale Schicht → Tischbewegung → axiale Schicht → „Step and Shoot“. Vorteil ist hier die Möglichkeit der direkten Bildanschauung des Untersuchers und Befunders, da die zu rekonstruierende Datenmenge gering ist und sofort erfolgen kann. Ein großer Nachteil ist jedoch die lange Untersuchungszeit. Auch besteht das Risiko der Nichterfassung kleinster Details zwischen zwei Schichten durch eine nichtkontinuierliche Datenerfassung (Abb. 5.6). Dadurch besteht keine Möglichkeit der dreidimensionalen Darstellung.

Haupteinsatzgebiet ist mittlerweile die Intervention und prospektiv getriggerte Kardio-CT s. Teilweise werden Schädel-CT s heute noch sequentiell akquiriert, um mit gekippter Gantry die Augenlinsen als sehr strahlensensible Strukturen nicht dem Direktstrahl auszusetzen. Durch moderne Gerätetechniken wird diese Technik jedoch zunehmend durch die der Spiralaufnahmen ersetzt.

Dynamische CT-Aufnahmen erfolgen hauptsächlich auch in sequenzieller Technik. Der Unterschied besteht darin, dass nur eine ausgewählte Schichtposition kontinuierlich aufgenommen wird. Dadurch ist es möglich, beispielsweise Flussmessungen durchzuführen und somit physiologische Vorgänge zu repräsentieren und zu beurteilen. Diese Messungen können nur mithilfe von Kontrastmitteln erfolgen. Durch das Kontrastmittel wird der Blutfluss dargestellt, sodass die Kinetik erfasst und gemessen wird. Es können unter anderem Aussagen über Organperfusionen oder auch über die Herzauswurfrate („Cardiac output“) getroffen werden. Eine sehr große und essentielle Rolle spielt die dynamische CT-Untersuchung bei der „Stroke Unit“, also für akute Schlaganfallpatienten im Zeitfenster von 4,5 h nach Erstsymptomatik. Hier ist die sehr schnelle interdisziplinäre Zusammenarbeit lebenswichtig, denn „TIME IS BRAIN“! Mittels der Computertomographie und der Perfusionsmessung des Gehirns kann das nichtdurchblutete Hirnareal detektiert und das dazugehörige Stromgebiet bzw. die Arterie, die dieses Areal versorgen sollte, mittels spezieller Medikamente im Anschluss therapiert werden (Lysetherapie).

Die Bolustriggerung ist ebenfalls eine dynamische Aufnahmetechnik. Auf der gewählten Schichtposition wird kontinuierlich die Kontrastmittelanreicherung im fokussierten Gefäßlumen gemessen. Bei Erreichen der voreingestellten und vorbestimmten Dichte (HU) startet das Gerät automatisch und akquiriert die gewünschte Region.

Mit der Einführung der Spiral-CT s in den frühen 1990er Jahren kamen neue Möglichkeiten in den Klinikalltag. Die Datenerfassung erfolgte nicht mehr „nur“ sequenziell, sondern auch spiralförmig, helixartig oder helikal genannt. Mit kontinuierlichem Tischvorschub und kontinuierlicher Röhrenrotation wird das aufzunehmende Objekt im gesamten Volumen erfasst, und es entstehen keine Datenlücken. Zur Erfassung der Daten ist eine Detektorreihe vorhanden → Singleslice (Abb. 5.7). Dank der Spiralakquisition erfolgt die Abdeckung der Untersuchungsregion sehr schnell. Dadurch verkürzen sich die Untersuchungszeiten so stark, dass innerhalb einer Atemphase die Untersuchung durchgeführt werden kann. Automatisch kann die Kontrastmittelmenge ebenfalls reduziert werden. Aufgrund der lückenlosen Volumenabdeckung bestehen nun die Möglichkeiten der überlappenden Rekonstruktion – die multiplanaren Reformation (2D) und die 3D-Darstellung.

1998 kam der erste MS-CT auf den Markt, ein „4-Zeiler“. Hier sind vier Detektorreihen vorhanden. Dies bedeutet, dass bei einer Röhrenrotation um den Patienten direkt vier Schichten erfasst werden, also eine größere Volumenabdeckung stattfindet (Abb. 5.8). Somit bekommt man eine schnellere Volumenerfassung und dadurch kürzerer Untersuchungszeiten, folgend auch wieder eine KM-Reduktion. Einen weiteren Vorteil bringen die Multislices in der Nachverarbeitung. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Detektoren gelingt eine isotrope Voxelgeometrie, was wichtig für die 3D-Darstellung ist. Isotrop bedeutet, dass alle Kantenlängen gleich groß sind. Dadurch ist eine gute Ortsauflösung gegeben.

Die Detektoren der MS-CT unterscheiden sich in ihrer Form und ihrem Typ. Es gibt zwei Detektorarten, „Fixed Array Detektor“ und „Adaptive Array Detektor“.

Wie bereits beschrieben bewegen sich bei Spiral-CTs der Patiententisch und der Scanner kontinuierlich. Durch den gleichmäßigen Tischvorschub erfolgt eine spiralförmige Datenaufnahme mit den o. g. Vorteilen. Jedoch spielen hier viele Parameter und Elemente eine wichtige Rolle: