Photon-Counting CT: Technik, Vorteile und klinische Anwendungen

Das Photon-Counting CT (PCCT) gehört zu den bedeutendsten technischen Weiterentwicklungen der Computertomografie seit Einführung der Mehrzeilen-CT. Der entscheidende Unterschied zum konventionellen CT liegt im Detektor: Einzelne Röntgenphotonen werden direkt registriert und entsprechend ihrer Energie verschiedenen Energiebereichen zugeordnet.

Dadurch verbindet das Photon-Counting CT eine hohe räumliche Auflösung mit spektraler Bildgebung und einer verbesserten Dosiseffizienz. Besonders interessant ist die Technologie für die Darstellung kleiner anatomischer Strukturen, Gefässe, Lunge, Knochen und Herz. Gleichzeitig eröffnet die energieaufgelöste Detektion neue Möglichkeiten der Materialcharakterisierung.

Wie funktioniert Photon-Counting CT?

Konventionelle CT-Systeme verwenden überwiegend energieintegrierende Detektoren (Energy-Integrating Detectors, EID). Dabei treffen die Röntgenphotonen zunächst auf einen Szintillator, der ihre Energie in sichtbares Licht umwandelt. Photodioden wandeln dieses Licht anschliessend in ein elektrisches Signal um.

Der Detektor misst dabei im Wesentlichen die gesamte deponierte Energie. Informationen über die Energie des einzelnen Photons gehen verloren.

Photonenzählende Detektoren funktionieren anders. Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) oder Silizium wandeln ein eintreffendes Röntgenphoton direkt in ein elektrisches Signal um. Die Höhe des elektrischen Impulses steht in Beziehung zur Energie des Photons.

Damit kann der Detektor einzelne Photonen registrieren und anhand definierter Energieschwellen unterschiedlichen Energiebereichen zuordnen.

Photon-Counting CT und konventionelles CT im Vergleich

Warum ermöglicht PCCT eine höhere räumliche Auflösung?

Bei konventionellen Detektoren muss zwischen benachbarten Szintillatorelementen eine optische Trennung erfolgen. Diese Septen beanspruchen Detektorfläche und erschweren eine beliebige Verkleinerung der Detektorelemente.

Photonenzählende Halbleiterdetektoren benötigen diese optische Trennung nicht. Dadurch können kleinere Detektorpixel realisiert werden.

Bei klinischen PCCT-Systemen sind im Ultra-High-Resolution-Modus Schichtdicken bis etwa 0,2 mm möglich. Abhängig von System, Rekonstruktion und Field of View können sehr kleine isotrope Voxel erzeugt werden.

Davon profitieren insbesondere anatomische Regionen mit feinen Hochkontraststrukturen.

Wo bringt die höhere Auflösung Vorteile?

Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Lungenbildgebung. Kleine Bronchien, interlobuläre Septen und feine retikuläre Veränderungen können mit hoher räumlicher Auflösung detailliert dargestellt werden.

Auch die Darstellung des Felsenbeins und anderer knöcherner Mikrostrukturen profitiert erheblich. Weitere interessante Einsatzgebiete sind die muskuloskelettale Bildgebung sowie die hochauflösende CT-Angiografie kleiner Gefässe.

In der kardialen Bildgebung kann die höhere räumliche Auflösung unter anderem die Beurteilung kleiner Koronargefässe, Stents und stark verkalkter Gefässabschnitte verbessern.

Weniger Blooming bei Kalk und Metall

Dichte Strukturen wie Gefässverkalkungen oder Metall können im CT grösser erscheinen, als sie tatsächlich sind. Dieser sogenannte Blooming-Effekt erschwert beispielsweise die Beurteilung des Restlumens stark verkalkter Koronararterien.

Die hohe räumliche Auflösung des Photon-Counting CT kann solche Partialvolumeneffekte reduzieren. Dadurch lassen sich Gefässlumen, Verkalkungen, Stents und feine knöcherne Strukturen teilweise besser voneinander abgrenzen.

Auch Metallartefakte können unter geeigneten Bedingungen reduziert werden. Der Effekt hängt jedoch von Untersuchungsprotokoll, Rekonstruktion, Metallart und spektraler Nachverarbeitung ab. PCCT bedeutet deshalb nicht automatisch eine artefaktfreie Untersuchung.

Spektrale Bildgebung bei jeder Untersuchung

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die energieaufgelöste Detektion. Die registrierten Photonen werden anhand ihrer Energie verschiedenen Energiebereichen zugeordnet.

Dadurch stehen spektrale Informationen grundsätzlich aus derselben Akquisition zur Verfügung. Abhängig vom jeweiligen System und der Rekonstruktionssoftware können daraus beispielsweise virtuelle monoenergetische Bilder, Jodkarten oder Materialzerlegungen berechnet werden.

Das unterscheidet PCCT technisch von vielen klassischen Dual-Energy-Systemen, bei denen zwei unterschiedliche Röntgenspektren beispielsweise durch zwei Röhren, schnellen Wechsel der Röhrenspannung oder spezielle Detektorarchitekturen erzeugt beziehungsweise getrennt werden.

Materialdifferenzierung

Da verschiedene Materialien Röntgenphotonen abhängig von deren Energie unterschiedlich stark abschwächen, können spektrale Daten zur Materialcharakterisierung genutzt werden.

Zu den klinisch relevanten Anwendungen gehören beispielsweise Jodkarten, virtuelle Nativbilder und die Differenzierung bestimmter Materialien. Prinzipiell kann auch die Zusammensetzung von Harnsteinen oder kristallinen Ablagerungen untersucht werden.

Allerdings ist die Materialdifferenzierung nicht unbegrenzt. Ihre Genauigkeit hängt von Detektor, Anzahl und Lage der Energieschwellen, untersuchtem Material, Dosis und Rekonstruktionsverfahren ab.

Was bedeutet K-Edge Imaging?

Eine besonders interessante Perspektive photonenzählender Detektoren ist das sogenannte K-Edge Imaging. Bestimmte Elemente zeigen bei einer charakteristischen Photonenenergie einen sprunghaften Anstieg ihrer Röntgenabsorption, die sogenannte K-Kante.

Liegt diese Energie im diagnostisch nutzbaren Bereich und können ausreichend viele Energieintervalle getrennt werden, lässt sich ein entsprechendes Material prinzipiell spezifisch identifizieren.

Damit könnten künftig neue Kontrastmittel auf Basis anderer Elemente als Jod für multiparametrische Untersuchungen interessant werden. Viele dieser Anwendungen befinden sich jedoch weiterhin im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Kann Photon-Counting CT die Strahlendosis reduzieren?

Photonenzählende Detektoren bieten mehrere technische Voraussetzungen für eine verbesserte Dosiseffizienz. Insbesondere das elektronische Rauschen kann durch geeignete Energieschwellen weitgehend unterdrückt werden. Gleichzeitig werden niedrigenergetische Photonen anders gewichtet als bei energieintegrierenden Detektoren.

Dadurch kann bei bestimmten Untersuchungen eine vergleichbare diagnostische Bildqualität mit geringerer Strahlendosis erreicht werden. Alternativ lässt sich die zusätzliche Effizienz nutzen, um bei vergleichbarer Dosis eine höhere räumliche Auflösung oder bessere Bildqualität zu erzielen.

Eine pauschale Aussage, dass jede PCCT-Untersuchung automatisch mit weniger Strahlendosis verbunden ist, wäre jedoch falsch. Die tatsächliche Dosis hängt von Indikation, Patient:in, Untersuchungsprotokoll, gewünschter Auflösung und Rekonstruktion ab.

Kontrastmittel reduzieren?

Auch bei jodhaltigem Kontrastmittel bestehen interessante Möglichkeiten. Niedrigenergetische virtuelle monoenergetische Rekonstruktionen können den Jodkontrast verstärken und damit das Kontrast-Rausch-Verhältnis verbessern.

In bestimmten klinischen Situationen kann dies eine Reduktion der benötigten Jodmenge ermöglichen. Das könnte insbesondere bei Patient:innen mit eingeschränkter Nierenfunktion oder bei wiederholten kontrastmittelgestützten Untersuchungen von Bedeutung sein.

Auch hier handelt es sich jedoch nicht um einen automatischen Effekt des Photon-Counting CT. Das konkrete Einsparpotenzial ist abhängig von Untersuchungsregion und Protokoll.

Klinische Anwendungen

Herz und Gefässe

Die Kombination aus hoher räumlicher Auflösung, spektraler Information und – bei entsprechenden Systemen – hoher zeitlicher Auflösung ist besonders für die kardiale und vaskuläre CT interessant.

Kleine Gefässe können detaillierter dargestellt werden. Gleichzeitig kann reduziertes Blooming die Beurteilung verkalkter Koronararterien und von Stents verbessern. Spektrale Rekonstruktionen liefern zusätzliche Informationen über Jodverteilung und Gewebeperfusion.

Lunge

Die hochauflösende Darstellung kleinster pulmonaler Strukturen gehört zu den vielversprechendsten Anwendungen des PCCT. Feine retikuläre Veränderungen, kleine Atemwege und pulmonale Noduli können von der verbesserten räumlichen Auflösung profitieren.

Gleichzeitig eröffnet die hohe Dosiseffizienz Perspektiven für Low-Dose- und gegebenenfalls Ultra-Low-Dose-Protokolle.

Knochen und Gelenke

Feine Kortikalisstrukturen und trabekuläre Knochenarchitektur können hochauflösend dargestellt werden. Das ist beispielsweise bei kleinen Frakturen, komplexen Gelenkregionen und der Felsenbeinbildgebung interessant.

Spektrale Rekonstruktionen können zusätzliche Informationen liefern, während die hohe Auflösung bei Implantaten und angrenzenden knöchernen Strukturen Vorteile bieten kann.

Onkologische Bildgebung

In der onkologischen Diagnostik können sowohl die verbesserte Darstellung kleiner Läsionen als auch spektrale Informationen von Bedeutung sein. Jodkarten und virtuelle monoenergetische Rekonstruktionen können die Beurteilung kontrastmittelaufnehmender Läsionen unterstützen.

Ob daraus bei einzelnen Tumorentitäten eine relevante Verbesserung der diagnostischen Genauigkeit oder des klinischen Outcomes resultiert, muss jedoch indikationsbezogen bewertet werden.

Neuro- und Kopf-Hals-Bildgebung

Auch kleine neurovaskuläre Strukturen und das Felsenbein profitieren von der hohen räumlichen Auflösung. Gleichzeitig können spektrale Informationen und die Reduktion von Artefakten bei bestimmten Fragestellungen zusätzliche Vorteile bieten.

Photon-Counting CT ist nicht einfach „besseres CT“

Die neue Detektortechnik bringt auch Herausforderungen mit sich. Bei sehr hohen Photonenflussraten können mehrere Photonen nahezu gleichzeitig im Detektor eintreffen. Dieses sogenannte Pulse Pile-up kann die Zählung und Energiezuordnung beeinflussen.

Weitere technische Herausforderungen sind Charge Sharing und K-Escape. Moderne Detektor- und Korrekturverfahren reduzieren diese Effekte erheblich, vollständig bedeutungslos sind sie jedoch nicht.

Hinzu kommen grosse Datenmengen, komplexere Rekonstruktionsmöglichkeiten und die Frage, welche der zahlreichen spektralen und hochauflösenden Bilddatensätze für eine bestimmte klinische Fragestellung tatsächlich benötigt werden.

Was verändert PCCT für Radiolog:innen?

Der entscheidende Fortschritt besteht nicht allein darin, dass CT-Bilder schärfer werden. Photon-Counting CT verbindet mehrere Eigenschaften, die bisher teilweise getrennte technische Ansätze erforderten: hohe räumliche Auflösung, spektrale Information und eine hohe Dosiseffizienz.

Damit verändert sich auch die Befundung. Neben klassischen CT-Bildern können virtuelle monoenergetische Rekonstruktionen, Materialkarten und hochauflösende Datensätze zur Verfügung stehen. Entscheidend ist deshalb, für jede klinische Fragestellung die diagnostisch relevanten Rekonstruktionen auszuwählen.

Fazit

Photon-Counting CT stellt einen grundlegenden Fortschritt der CT-Detektortechnologie dar. Einzelne Röntgenphotonen werden direkt registriert und entsprechend ihrer Energie ausgewertet. Daraus ergeben sich eine sehr hohe räumliche Auflösung, spektrale Bildinformationen und Möglichkeiten zur Optimierung von Strahlen- und Kontrastmitteldosis.

Besonders vielversprechend sind Anwendungen in der kardialen und vaskulären Bildgebung, der Lunge, der muskuloskelettalen Radiologie sowie bei hochauflösenden Untersuchungen kleiner anatomischer Strukturen.

PCCT macht jedoch nicht automatisch jede CT-Untersuchung besser oder dosisärmer. Der klinische Nutzen hängt von Indikation, Untersuchungsprotokoll und sinnvoller Nutzung der zusätzlichen Informationen ab. Genau darin liegt die nächste Herausforderung: nicht möglichst viele Daten zu erzeugen, sondern die neuen Möglichkeiten gezielt für eine bessere Diagnostik einzusetzen.

Literatur und weiterführende Informationen

1. Willemink MJ, Persson M, Pourmorteza A, Pelc NJ, Fleischmann D. Photon-counting CT: Technical Principles and Clinical Prospects. Radiology. 2018;289(2):293–312. doi: 10.1148/radiol.2018172656.
2. Rajendran K, Petersilka M, Henning A, et al. First Clinical Photon-counting Detector CT System: Technical Evaluation. Radiology. 2022;303(1):130–138. doi: 10.1148/radiol.212579.
3. Flohr T, Petersilka M, Henning A, Ulzheimer S, Ferda J, Schmidt B. Photon-counting CT review. Phys Med. 2020;79:126–136. doi: 10.1016/j.ejmp.2020.10.030.
4. Douek PC, Boccalini S, Oei EHG, et al. Clinical Applications of Photon-counting CT: A Review of Pioneer Studies and a Glimpse into the Future. Radiology. 2023;309(1):e222432. doi: 10.1148/radiol.222432.

Weiterführende Herstellerinformation

Siemens Healthineers. “The photon-counting CT scanner is our workhorse” – Photon-counting CT in cardiology. Erfahrungsbericht zur kardialen Anwendung des Photon-Counting CT, unter anderem zur hochauflösenden Darstellung von Koronararterien, Verkalkungen und Stents. Die dort gezeigten kardialen CT-Darstellungen dienten als visuelle Vorlage für das Hero-Bild dieses Beitrags. Veröffentlicht am 15. November 2022.
Siemens Healthineers – Photon-counting CT in cardiology.