• Bilderzeugung
• Röntgen
• CCD-Kamera
• Computertomographie

3. Bilderzeugung

3.1 Röntgen

Die Eigenschaft des Körpers, die die Schwärzung des Röntgenfilms beeinflußt, ist die Röntgenabsorption. Knöchernes Gewebe hat eine höhere Röntgenabsorption als Weichgewebe und kann damit auf einer Aufnahme erkannt werden. Der Effekt der Absorption ist von Wellen des sichtbaren Lichts bekannt. Während Luft, Flüssigkeiten oder Glas mehr oder weniger durchlässig für Lichtwellen sind, absorbieren und reflektieren die meisten Festkörper Licht und werden damit für das Auge erkennbar. Körpergewebe ist nur in sehr geringem Maß durchlässig für Licht, so daß optisch keine Informationen über das Skelett gewonnen werden können. Röntgenstrahlen sind im Vergleich zu Lichtstrahlen energiereicher und haben damit besser die Fähigkeit, Flüssigkeiten und Festkörper zu durchdringen. Diese Tatsache macht man sich bei Röntgengeräten zu Nutze (Abb. 3).

Schema einer Röntgenaufnahme

Ausgehend von der Strahlquelle, einer Röntgenröhre, durchläuft die Röntgenstrahlung eine Blende, die verhindert, daß Strahlung außerhalb des erwünschten Nutzstrahlkegels, in dem der zu untersuchende Körperbereich und der Film positioniert werden, auftritt. In dieser Blendenanordnung befindet sich auch ein röntgendurchlässiger Spiegel, von dem aus ein Lichtfeld zur Positionierung eingeblendet wird. Die Röntgenstrahlung durchquert den luftgefüllten Raum ohne meßbare Abschwächung und trifft auf das Gewebe. Hier treten unterschiedliche Wechselwirkungen auf. Bei einer Reflexion oder Streuung wird die Richtung eines Strahls verändert, so daß dieser nicht mehr auf den Film trifft. Bei einer Absorption wird die Energie der Röntgenstrahlung im Gewebe freigesetzt, das Röntgenquant wird vernichtet. Diese Energiefreisetzung hat schädigende Wirkungen auf das Gewebe. Für jeden Gewebetyp gibt es in Abhängigkeit der Wellenlänge der Röntgenstrahlung charakteristische Abschwächungskoeffizienten. Ein solcher Abschwächungskoeffizient gibt an, welcher Anteil der einfallenden Strahlung auf einer festen Weglänge gestreut, reflektiert, gedämpft oder absorbiert wird. Damit ergibt sich nach der Durchstrahlung eines heterogenen Objektes, z.B. einem Abschnitt des Körpers mit unterschiedlichen Gewebetypen, bei gleicher Einstrahlungsintensität eine örtlich unterschiedliche Austrittsintensität der Röntgenstrahlung. Um diese sichtbar zu machen, wird eine Röntgenfilmkassette hinter dem durchstrahlten Körper im Strahlengang positioniert. Diese Filmkassette ist lichtundurchlässig, eine Aufnahme kann damit bei Raumbeleuchtung erfolgen. Die höherenergetische Röntgenstrahlung kann die Abdeckung der Kassette durchdringen und den Film belichten. Eine Verstärkerfolie in der Kassette wandelt Röntgenstrahlung in Licht um, so daß eine Belichtung des Films schon bei niedrigen Strahlendosen erfolgen kann. Die Belichtung des Films ist eine chemische Umwandlung, hervorgerufen durch die Energie der einfallenden Strahlung. Beim Entwickeln des Filmes wird diese Umwandlung sichtbar gemacht. Der Röntgenfilm ist ein Negativ. Eine Aufnahme ist dunkel an den Stellen, an denen viel Strahlung auf den Film gelangt ist. Knochen und andere Gewebe hoher Röntgenabschwächung lassen weniger Strahlung auf den Film treffen, an diesen Stellen bleibt die Aufnahme hell (Abb. 4). Dabei ist zu beachten, daß die Dicke der durchstrahlten Körper einen wesentlichen Einfluß auf die Belichtung des Films hat.

Röntgenaufnahme eines Fußgelenks

Die Aufgabe des Betrachters ist es, das erzeugte Grauwertbild in Hinblick auf unterschiedliche diagnostische Kriterien zu beurteilen. Um eine Röntgenaufnahme mit Mitteln der Bildverarbeitung auswerten zu können, muß diese beispielsweise mit einem CCD-Scanner digitalisiert oder direkt digital erzeugt werden.

3.2 CCD-Kamera

Eine Kamera mit CCD-Array¹³ liefert digitale Bilder, die für die Bildverarbeitung direkt zur Verfügung stehen. Der optische Strahlengang einer CCD-Kamera ist identisch mit dem eines üblichen Photoapparats. Anstelle des kurz dem Licht ausgesetzten Films befindet sich in der digitalen Kamera das CCD-Array, auf das kontinuierlich Licht fällt. Das CCD-Array ist ein aus vielen kleinen Strukturen aufgebautes elektronisches Bauteil. In Zeilen und Spalten angeordnete Bereiche auf dem CCD-Chip messen das einfallende Licht. In der Analogie entspricht das CCD-Array einem Feld, das in quadratische Abschnitte eingeteilt ist, in denen Eimer stehen. Wenn Regen auf dieses Feld fällt, dann kann an der Wasserhöhe in jedem einzelnen Eimer abgelesen werden, wieviel Wasser in diesem kleinen Bereich des gesamten Feldes gefallen ist. In Analogie hierzu mißt jedes Bauemelent des CCD-Arrays, wieviel Licht in einer bestimmten Zeit eingefallen ist. Bei einer digitalen Photokamera wird die Messung nach einer festen Belichtungszeit unterbrochen, die Menge an eingefallenem Licht pro Element wird als die Helligkeit eines Punktes im erzeugten Bild verwendet. Ein solches Bild ist damit immer quantisiert und diskretisiert. Statt der kontinuierlichen Helligkeitsunterschiede, wie sie beispielsweise auf Röntgenfilmen vorliegen, hat das Bild nun eine endliche Anzahl an Zeilen und Spalten, jeder Bildpunkt, also jedes Feld in dieser Tabelle aus Zeilen und Spalten hat als Grauwert eine ganze Zahl erhalten.

Um statt der Grauwert-Aufnahmen farbige Bilder zu erhalten, arbeitet eine CCD-Kamera -wie das menschliche Auge auch- mit drei Farbkanälen, die einzeln belichtet werden.

3.3 Computertomographie

Mit der Computertomographie besteht die Möglichkeit, das Innere des menschlichen Körpers in Volumen-Darstellungen zu präsentieren. Dabei entsteht das Bild nicht mehr durch Abbildungen in einem Strahlengang wie beim Röntgen oder einer Kamera. Durch Einsatz eines Computers werden Meßergebnisse aus dem Innern des Körpers als Bild dargestellt.

Abbildung 5 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktion eines Computertomographen. Der Patient wird von der Röntgenquelle und einem Röntgendetektor umfahren. Der Detektor mißt, wieviel Röntgenstrahlung an den einzelnen Positionen der Messung durch den Körper gelangt ist. Die Messung erfolgt unter verschiedenen Winkeln und Lagen. Die dabei gewonnenen Meßergebnisse enthalten wie bei der konventionellen Röntgenaufnahme die Information über die Summe aller Abschwächungen in den Gewebeteilen entlang des Strahls. Der durchmessene Raum wird in ein festes Raster von 512x512x n oder 1024x1024x n Voxeln, also kleinen Volumenelementen, aufgeteilt. Das Gerät arbeitet Schichtweise, n ist die Anzahl der Schichten, die aufgenommen werden. Die Meßergebnisse ergeben zusammen ein umfangreiches Gleichungssystem. Die Lösung dieses Gleichungssystems ergibt für jedes Volumenelement im Innern des Körpers die individuelle Röntgenabschwächung. Im CT-Bild erscheinen die Volumenelemente in den Graustufen, die Gewebe mit dieser Röntgenabschwächung auf einem Röntgenfilm erhalten würde. Eine Präsentation der Volumendaten erfolgt in Schnittbildern oder nach einer umfangreichen Bildverarbeitung als Modell (Abbildung 6).