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Physikalische Grundlagen bildgebender Verfahren (CT, MRT, PET, Sonographie)

Die vier zentralen bildgebenden Verfahren beruhen auf grundlegend unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Die CT rotiert eine Röntgenröhre mit gegenüberliegendem Detektor um den Patienten; aus den in vielen Winkeln gemessenen Schwächungsprofilen wird per Rückprojektion ein Schnittbild rekonstruiert, dessen Grauwerte (Hounsfield-Einheiten) den lokalen Schwächungskoeffizienten relativ zu Wasser abbilden. Die MRT nutzt, dass Wasserstoffkerne im starken statischen Magnetfeld (B0) präzedieren; ein resonanter Hochfrequenzimpuls kippt die Magnetisierung aus der Gleichgewichtslage, und die anschließende Relaxation zurück in Feldrichtung (longitudinale T1-Relaxation) bzw. der Zerfall der Quermagnetisierung (transversale T2-Relaxation) erzeugt ein messbares Signal, dessen Gewebekontraste durch die Wahl von Sequenzparametern gezielt betont werden können. Die PET beruht auf dem Beta-Plus-Zerfall eines injizierten Radiotracers: das emittierte Positron zerstrahlt nach kurzer Reichweite mit einem Elektron (Annihilation) zu zwei 511-keV-Photonen, die in exakt entgegengesetzter Richtung emittiert werden; ein Detektorring registriert diese Koinzidenzereignisse und rekonstruiert daraus die räumliche Tracerverteilung. Die Sonographie sendet Ultraschallimpulse aus einem piezoelektrischen Schallkopf; an Grenzflächen mit unterschiedlicher akustischer Impedanz (Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit) wird ein Teil der Welle reflektiert und von demselben Schallkopf als Echo empfangen (Laufzeitmessung liefert die Tiefeninformation).

Kontrastmechanismen im Vergleich

Der CT-Kontrast beruht auf dem Schwächungskoeffizienten, der stark von der Elektronendichte des Gewebes abhängt (Knochen stark schwächend, Luft kaum schwächend). Der MRT-Kontrast beruht auf Protonendichte und Relaxationseigenschaften (T1, T2), die je nach Gewebe und Wassergehalt stark variieren und durch Sequenzwahl (T1- vs. T2-gewichtet) unterschiedlich betont werden – dies erklärt die vielfältigen Kontrastmöglichkeiten der MRT gegenüber der CT. Bei der Sonographie hängt die Bildinformation von Impedanzunterschieden ab; große Impedanzsprünge (z. B. Weichteil/Luft, Weichteil/Knochen) erzeugen Totalreflexion und damit Schallschatten, was Luft- und knochenüberlagerte Strukturen der Sonographie unzugänglich macht.

• ❗ CT und PET nutzen ionisierende Strahlung; MRT und Sonographie sind nichtionisierend
• PET-Signal entsteht durch Koinzidenzdetektion zweier 511-keV-Annihilationsphotonen nach Beta-Plus-Zerfall des Tracers
• MRT-Kontrast basiert auf T1-/T2-Relaxationszeiten der Protonen, nicht auf Elektronendichte wie bei der CT
• ⚠️ Prüfungsfalle: MRT wird fälschlich als strahlenbelastend eingeschätzt – sie nutzt Magnetfelder und Radiowellen, keine ionisierende Strahlung
• ⚠️ Prüfungsfalle: PET benötigt zwingend die Koinzidenz zweier Photonen aus einer Annihilation – ein einzelnes Gammaquant (wie bei der Szintigraphie mit Tc-99m) reicht nicht für das PET-Prinzip
• Sonographie versagt bei stark impedanzunterschiedlichen Grenzflächen (Luft, Knochen) durch Totalreflexion – klinisch relevant für Schallfenster-Wahl