Tomografie

Grundprinzip der Tomografie: überlagerungsfreie tomographische Schnittbilder S₁ und S₂ im Gegensatz zum Projektionsbild P

Unter dem Begriff Tomografie (oder Tomographie, von altgriechisch τομή, tome, „Schnitt“ und γράφειν, graphein, „schreiben“) oder, synonym, Schnittbildverfahren oder Schichtaufnahmeverfahren werden verschiedene bildgebende Verfahren zusammengefasst, welche die innere räumliche Struktur eines Objektes ermitteln und in Form von Schnittbildern (auch Schichtbilder oder Tomogramme genannt) darstellen können.

Ein Schnittbild gibt die inneren Strukturen so wieder, wie sie nach dem Aufschneiden des Objekts oder nach dem Herausschneiden einer dünnen Scheibe vorlägen. Man spricht hier von einer überlagerungsfreien Darstellung der entsprechenden Objektschicht (im Gegensatz insbesondere zu Projektionsverfahren wie beispielsweise der gewöhnlichen Röntgenuntersuchung, bei der sich alle Strukturen überlagern, die im Strahlengang hintereinander liegen). Dieser Unterschied ist in der nebenstehenden Abbildung mit zwei tomografischen Schnittbildern (S₁ und S₂) und einem Projektionsbild (P) des gleichen Volumens illustriert.

Tomografische Methoden können entweder eine einzelne Schicht aufnehmen oder größere Volumina, die dann beispielsweise als Serie paralleler Schnittbilder dargestellt werden können. Auch Methoden, die jeweils einzelne Schichten aufnehmen, können für die Aufnahme dreidimensionaler Datensätze eingesetzt werden, indem das Objekt in einer Serie paralleler Querschnittbilder abgetastet wird.

Tomografische Verfahren sind besonders in der medizinischen Bildgebung von großer Bedeutung, aber auch einige Verfahren der Geowissenschaften, der Physik, der Paläontologie oder der Materialwissenschaften lassen sich unter die tomografischen Methoden einordnen.

Verfahren in der Medizin

In der Medizin sind besonders folgende tomografische Verfahren von Bedeutung:

• die „klassische“ Röntgentomografie (heute nur noch selten genutzt),
• die Ultraschalldiagnostik (Sonografie),
• die Computertomografie (CT),
• die Magnetresonanztomografie (MRT, Kernspintomografie),
• die Positronen-Emissions-Tomografie (PET),
• die Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT),
• die Optische Kohärenztomografie (OCT) und
• die Elektrische Impedanz-Tomografie (EIT).

Die Grundlagen zur Tomografie in der Medizin in Form der „klassischen“ Röntgentomografie entwickelte der Radiologe Alessandro Vallebona 1930 in Genua.

Der Unterschied zwischen der überlagerungsfreien Darstellung in der medizinischen Tomografie und einer Projektionsabbildungen ist in den nachfolgenden Abbildungen illustriert. In Projektionsverfahren wie der Radiografie (gewöhnliche Röntgenuntersuchung) wird ein Schattenbild aufgenommen, auf dem sich mehrere Strukturen überlagern, wenn sie im Strahlengang hintereinander liegen. Beispielsweise überlagern beim konventionellen Röntgenbild die Weichteile der vorderen und hinteren Brustwand und die knöchernen Strukturen des Thorax die Lungenstrukturen. Dies würde die Diagnose eines Lungentumors (z. B. Bronchialkarzinom) erschweren. Jedes CT- oder MRT-Schnittbild vom Thorax zeigt dagegen nur eine 0,5 bis 10 mm dicke Schicht, die praktisch überlagerungsfrei ist.

• 

  Röntgenbild (Projektionsbild) eines kleinen peripheren Bronchialkarzinoms im linken Oberlappen

• 

  Derselbe Tumor in der Computertomografie (axiales Schnittbild)

• 

  Aus den CT-Einzelschichten zusammengesetztes 3D-Bild

• 

  Rekonstruiertes 3D-Zahnmodel aus Daten eines DVT-Scanns

Jedes Pixel in einem Schnittbild entspricht einem Volumenelement (Voxel) des gesamten dreidimensionalen Datensatzes. Die Höhe des Voxels entspricht dabei der Schichtdicke. In der Nachbearbeitung lassen sich aus den Voxeln beispielsweise beliebig im Raum angeordnete Schichtbilder (multiplanare Rekonstruktion, MPR), geschichtete (Subvolumen-)Maximumintensitätsprojektionen (MIPs) oder dreidimensionale Bilder des untersuchten Objekts (Volumenrendering) errechnen.

Verfahren in den Geowissenschaften

In anderen Gebieten der zerstörungsfreien Untersuchung werden ähnliche Verfahren angewandt, die nach vergleichbaren mathematischen Inversionsmethoden arbeiten. Diese sind:

• in der Geophysik z. B. die geoelektrische und die seismische Tomografie sowie das Bodenradar
• in der Geodäsie das Laserscanning sowie Methoden der Altimetrie und Gravimetrie

Verfahren in der Physik

• Quantenzustandstomografie, die mit ähnlichen mathematischen Methoden wie in der Medizin die vollständige Vermessung des Quantenzustandes eines Objektes (z. B. seine Dichtematrix oder seine Ort- und Impulsverteilung) ermöglicht
• Elektronentomografie, bei der die einzelnen Schnittbilder (Projektionen) mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erzeugt werden.

Weitere tomografische Verfahren

• Neutronentomografie: Anwendungen in der Paläontologie und den Materialwissenschaften
• Tomografische Atomsonde, atom-probe tomography (APT) oder dreidimensionale Atomsonde (3DAP): Anwendungen in den Materialwissenschaften
• Photoakustische Tomografie (PAT): Anwendungen in den Materialwissenschaften und der biomedizinischen Forschung
• Computed Tomography Imaging Spectrometer (CTIS): Verfahren zur spektralen Aufnahme von Bildern^[1]

Einzelnachweise