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Die quantitative Computertomographie (QCT) sowie die periphere quantitative Computertomographie (pQCT), sind Spezialformen der Computertomographie, einem bildgebenden Verfahren auf Basis von Röntgenstrahlung.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise 1.1 Herkömmliche Röntgenverfahren 1.2 DXA/DEXA Verfahren 1.3 Computertomographie (CT) 1.4 Quantitative Computertomographie (QCT/pQCT) 2 Anwendungsgebiete 3 Gegenüberstellung PCT/pQCT und DXA/DEXA Verfahren 4 Literatur 5 Weblinks

Funktionsweise

Herkömmliche Röntgenverfahren

Beim herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm abgebildet (bildgebendes Verfahren). Es entsteht eine Projektion des Volumnes auf eine Fläche. Bei dieser Projektion gehen Informationen welche die dritte Dimension (Dicke) des durchleuchtehen Körpers betreffen weitgehend verloren. Grund hierfür ist, dass im Nachhinein nicht mehr unterschieden werden kann, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung (helle Bereiche im Bild) durch ein Material höherer Dichte oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde.

Moderne Röntgensysteme setzten zudem teilweise anstatt der Röntgenfilme Elektronische Detektoren ein (CCD Detektor ähnlich einer Digitalkamera in Kombination mit einem Szintillator) um das Röntgenbild direkt in digitaler Form zu erhalten (Digitale Radiografie).

DXA/DEXA Verfahren

Beim Dual-Röntgen-Absorptiometrie Verfahren (engl. Dual-Energy X-ray Absorptiometry, DXA/DEXA) handelt es sich ebenfalls um ein digitales Röntgenverfahren. Allerdings werden gleichzeitig zwei energetisch leicht unterschiedliche Röntgenquellen eingesetzt. Unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Dichte zeigen nun abhängig von der Energie der Röntgenstrahlung unterschiedliche Schwächungscharakteristiken. Für jeden Messpunkt im Röntgenbild existieren also beim DXA/DEXA Verfahren zwei Schwächungswerte für zwei Röntgenenergieen. Dementsprechend können im Vergleich zum herkömmlichen Röntgenverfahren nicht nur die allgemeine Schwächung durch den gesamten Köper gemessen sondern auch verschiedene Materialien genauer unterscheiden werden^[1]. Wichtig hierfür ist ein möglichst großer Unterschied der jeweiligen Dichte.

Beim Einsatz am Menschen werden dabei Drei Gewebearten unterscheiden: Knochen-, Muskel- und Fettgewebe. Es stehen jedoch nur zwei Messwerte zur Verfügung um zwischen diesen zu unterscheiden, was nur gelingt, wenn gewisse zusätzliche Annahmen getroffen werden die je nach Anwendungsgebiet zu mehr oder weniger großen Messfehlern führen können^[1]. Das DXA/DEXA Verfahren eignet sich somit beispielsweise zur Bestimmung der Körperzusammensetzung aus Knochen-, Fett- und Muskelmasse. Wie beim herkömmlichen Röntgen geht aber die Information über die dreidimensionale Geometrie des Messobjektes weitgehend verloren.

Computertomographie (CT)

Die Computertomographie umgeht dieses Problem indem Sie viele Röntgenbilder des Objekts aus den unterschiedlichsten Richtungen erstellt und nachträglich aus dieser vielen Abbildungen die verlorenen Volumeninformationen rekonstruiert (sog. Rekonstruktion oder Rückprojektion^[1]). In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten (Schnittbildverfahren) die quer durch das Objekt verlaufen zusammen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes (sog. Voxel entspricht einem dreidimensionalen Pixel) eine Dichte ermittelt werden^[1]

Anhand der unterschiedlichen Dichten können im Schnittbild beispielsweise einzelne Organe unterschieden werden (siehe Grafik rechts). Bei herkömmlichen CT-Verfahren wird jedoch die Dichte des einzelnen Voxels nur relativ ungenau ermittelt, da hier der Schwerpunkt auf der Erfassung der Geometrie der Organe liegt.

Quantitative Computertomographie (QCT/pQCT)

Im Gegensatz zur herkömmlichen CT bestimmt das QCT/pQCT Verfahren jedoch diese absolute Dichte jedes Voxels hochgenau^[1]. Um dies gewährleisten zu können, müssen bei der Realisierung eines solchen Messsystems Nichtlinearitäten und Drifts von Röntgen-Röhre und Röntgen-Detektoren während der Messung aufwändig kompensiert werden^[1]. Während QCT Systeme in der Regel zur Messung des gesamten Körpers (Ganzkörperscanner) ausgelegt sind, beschränken sich die preisgünstigeren und kompakteren pQCT Systeme auf die Peripherie, also beispielsweise Arme, Beine oder auch Kopf.

Nicht zuletzt deshalb hat das pQCT Verfahren gegenüber dem QCT Verfahren den zusätzlichen Vorteil einer nochmals deutlich erhöhten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Dichtemessung^[1]Diese hochgenaue Dichtemessung ist beispielsweise für die Messung der physikalischen Knochendichte entscheidend.

QCT/pQCT Verfahren bestimmen also gleichzeitig den Materialparameter Dichte als auch die Geometrie des Objektes womit relativ genau mechanische Parameter wie beispielsweise die Knochenfestigkeit bestimmt werden können^[1][1].

Die Zusammensetzung des Körpers (Muskel-, Fett- und Knochenmasse) kann bei QCT/pQCT Verfahren jedoch nur lokal und nicht wie beim DXA/DEXA verfahren über den gesamten Körper hinweg bestimmt werden. Zudem können insbesondere pQCT System aufgrund ihrer kompakten Bauform keine Messungen an Femurhals (Hüftbereich) und an Wirbelkörpern (Wirbelsäule) durchführen, was aber für eine Osteoporosediagnostik auch nicht zwingend erforderlich ist^[1][1].

Anwendungsgebiete

Typisches Anwendungsgebiet der QCT/pQCT ist die Messung von Knocheneigenschaften wie absolute Dichte, Geometrie und Masse um beispielsweise auf die mechanischen Eigenschaften des Organs Knochen schließen zu können. Häufigstes Anwendungsgebiet am Menschen ist damit die Osteoporose-Diagnostik^[1][1][1] und die damit einghergehende Bestimmung des Frakturrisikos^[1][1]. Die medizinischen Leitlinien zur Osteoporosediagnostik sehen derzeit jedoch den Einsatz von deutlich häufiger anzutreffenden XDA/DEXA Systhemen zur sogenannten Knochendichtemessung vor.

Gegenüberstellung PCT/pQCT und DXA/DEXA Verfahren

Bei beiden Verfahren wird in etwa die selbe geringe Strahlendosis von etwa 1-2μSv eingesetzt^[1]. Im Gegensatz zum weit verbreitete DXA bzw. DEXA Verfahren (Dual-Energy X-ray Absorptiometry) welches nur eine flächenprojizierte Masse (kg/m²) messen kann, kann beim QCT/pQCT Verfahren die tatsächliche physikalische Dichte (kg/m³) jedes Volumenelements (Voxel) gemessen werden. QCT/pQCT sind somit die einzigen Verfahren, die tatsächliche Knochendichte messen können, währen DXA/DEXA Verfahren tatsächlich nicht die Knochendichte sondern die Flächenprojektion der Knochenmasse bestimmen^[1].

Gerade für die Osteoporosediagnostik ist die physikalische Knochenfunktion, insbesondere die Knochenfestigkeit von Entscheidender Bedeutung, da diese entscheidenden Einfluss auf den Regelkreis Muskel-Knochen nimmt^[1][1][1] (siehe auch Mechanostat). Zur Bestimmung der Festigkeit eines Körpers (Knochenfestigkeit) ist jedoch abgesehen von Materialeigenschaften wie der Dichte des verwendeten Materials vor allem auch die Geometrie (also die Form) des betrachteten Körpers entscheidend^[1][1].

Da QCT/pQCT Verfahren sowohl physikalische Dichte als auch Geometrie des Knochens präzise messen können sind sie planaren Röntgenverfahren wie auch DXA/DEXA Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Knocheneigenschaften (sog. „Knochendichtemessung“) und somit zur Osteoporosetherapie deutlich überlegen^[1][1].

Ein weiterer Nachteil des DXA/DEXA Verfahrens ergibt sich aus dem zugrundeliegenden Funktionsprinzip: DXA/DEXA Verfahren nutzen zwei energetisch unterschiedliche Röntgenquellen (Dual-Energy X-ray Absorptiometry) um im Vergleich zum herkömmlichen Röntgen nicht nur Knochen und Weichteile sondern zusätzlich auch zwischen Muskel und Fettgewebe unterscheiden zu können. Da jedoch nur zwei Röntgenenergien eingesetzt werden um insgesamt drei Stoffe zu unterschieden (Knochen, Muskelgewebe, Fettgewebe), müssen zur Lösung der Gleichung gewisse Annahmen getroffen werden. Eine dieser Annahmen zur Bestimmung der „Knochendichte“ ist, dass die Materialzusammensetzung (also der Anteil von Fett- und Muskelgewebe) unterhalb des gemessenen Knochens in etwa der im direkt den Knochen umgebenden Bereich entsprechen muss. Die Richtigkeit dieser Annahmen wird jedoch um so ungenauer je komplexer der durchstrahlte Körperbereich aufgebaut ist. Während in der Peripherie (z.B. an Armen und Beinen) solche Annahmen in der Regel auch den Tatsachen entsprechen, können im Bereich der Wirbelsäule, aufgrund der Vielzahl an zusätzlich durchstrahlten Organen, wie z.B. dem Darm, Messfehler entstehen. DXA/DEXA Verfahren eignen sich daher hervorragend um die Körperzusammensetzung zu analysieren (Anteile an Knochen-, Muskel- und Fettmasse) jedoch nur ungenügend zur Bestimmung der Knocheneigenschaften insbesondere der physikalischen Knochendichte^[1]

Im Vergleich dazu bestimmen QCT/pQCT Verfahren für jedes Volumenelement (Voxel) die exakte Dichte. Aufgrund dieser exakt bestimmten Dichte jedes Voxels des entstehenden Bildes des durchstrahlen Körperbereichs, lassen sich nun Eindeutig die unterschiedlichen Gewebearten (Knochen, Muskel, Fett) unterscheiden und dies unabhängig davon, wie komplex der umgebende Körperbereich aufgebaut ist.

Zudem lässt sich beim QCT/pQCT Verfahren auch der Mineralgehalt der unterscheidlichen Knochenbestandteile wie Kortikalis (Knochenwand) und Spongiosa (schwammartige Struktur im Inneren des Knochens im Gelenknahmen Bereich, aufgebaut aus sog. Trabekeln) getrennt analysieren. Aufgrund der erhöhten Knochenstoffwechsel-Funktion im Bereich der Spongiosa sind krankhafte Veränderungen wie sie beispielsweise bei Osteoporose auftreten, früher und deutlicher zu erkennen als bei der im DXA/DEXA Verfahren effektiv durchgeführten Mittelung über den gesamten Knochenquerschnitt^[1].

Literatur

Weblinks

• Osteoporose Diganostik- und Therapiezentrum München – Ausführliche Informationen zum Themenbereich

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