Strahlenexposition in der Computertomografie

Die Computertomografie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren, das heutzutage im klinischen Alltag unverzichtbar geworden ist. Sie ermöglicht die submillimeter-schichtweise Darstellung einer Körperregion, hochaufgelöste, multiplanare Rekonstruktionen (MPR) sowie dreidimensionale Volumen-Rendering-Techniken (VRT) und damit die vollständige, lückenlose Abbildung der Anatomie. Das grundlegende Prinzip der Computertomografie beinhaltet eine axiale Abtastung des Untersuchungsobjektes durch einen eng kollimierten, fächerförmigen Röntgenstrahl (1). Der erste Computertomograf wurde von Godfrey Hounsfield entwickelt, der von EMI 1971 produziert wurde. Mittlerweile werden nahezu ausschließlich Mehrzeilen (Multidetektor)-Computertomografen mit kontinuierlicher Röhren-Detektor-Rotation und kontinuierlicher Tischbewegung durch die Gantry verwendet (2). Die Bilddarstellung erfolgt in Grau-Stufen, in der Schwächungswerte in einer Volumeneinheit über CT-Werte in sogenannten Hounsfield-Einheiten (HE) repräsentiert werden. Da das menschliche Auge nur eine bestimmte Anzahl von Graustufen differenzieren kann, wird durch entsprechende Fensterung der Bildausschnitt auf eine geringere Anzahl von Graustufen reduziert, wodurch der Kontrast erhöht wird.

23). Trotz unterschiedlicher Bildqualität und Strahlendosis bleibt die diagnostische Aussagekraft zwischen den CT-Untersuchungen gleich, da beide Untersuchungen das Detektieren von atypischen, entzündlichen Infiltraten in den Unterlappen ermöglichen." width="250" src="https://cfcdn.aerzteblatt.de/bilder/150162-250-0" data-bigsrc="https://cfcdn.aerzteblatt.de/bilder/150162-1400-0" data-fullurl="https://cfcdn.aerzteblatt.de/bilder/2023/02/img274098928.jpg" />

Abbildung

Zwei axiale Bilder einer nativen Computertomografie (CT) des Thorax zum Ausschluss entzündlicher Infiltrate mit einem Low-Dose- Protokoll (a) und einem Standard-Dosis-Protokoll (b) mit doppelt so hoher Dosis. Die effektive Dosis wurde mit dem Konversionsfaktor von Shrimpton et al. (2016) berechnet (23). Trotz unterschiedlicher Bildqualität und Strahlendosis bleibt die diagnostische Aussagekraft zwischen den CT-Untersuchungen gleich, da beide Untersuchungen das Detektieren von atypischen, entzündlichen Infiltraten in den Unterlappen ermöglichen.

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Strahleneffekte und Erklärung der Dosisbegriffe

Man unterscheidet deterministische Strahlenschäden von stochastischen. Deterministische Strahlenschäden entstehen bei Überschreitung eines Dosis-Schwellenwertes – insbesondere bei Haut und Haaren – durch das massive Absterben von Zellen und den daraus folgenden Funktionsverlust. Diese Schäden kommen bei der Computertomografie in der Regel nicht vor. Stochastische Strahlenschäden beruhen auf der Veränderung der DNA in den strahlenexponierten Zellen und treten nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf (zum Beispiel Krebserkrankungen). Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens hängt von der Dosis ab. Die Schwere des Schadens, wie beispielsweise die Ausprägung der Krebserkrankung, ist dosisunabhängig. Zudem gibt es im Gegensatz zu den deterministischen Strahlenschäden keine Schwellendosis.

Um die Strahlenbelastung bei computertomografischen Untersuchungen einschätzen zu können, ist die Kenntnis von Dosisparametern wichtig. Zu diesen Kenngrößen zählen der Volumen-CT-Dosisindex (CTDI_vol), das Dosislängenprodukt (DLP) und die effektive Dosis (Kasten 1).

Kasten 1

Dosiskenngrößen der Computertomografie (CT)

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Durch die Atomwaffenabwürfe in Hiroshima und Nagasaki hat man eine Extrapolation des Risikos für das Entstehen von strahleninduzierten Malignomen vorgenommen. Für die Krebsentstehung spielen aber eine Vielzahl an Faktoren eine Rolle, zum Beispiel das Alter. Das blutbildende System, Hohl- sowie die soliden Organe von Kindern und Jugendlichen sind strahlenempfindlicher als die von Erwachsenen.

Strahlenbelastung durch die Computertomografie in Deutschland

Im Jahr 2016 wurden in Deutschland circa 137 Millionen Röntgenanwendungen durchgeführt (ohne den zahnmedizinischen Bereich, knapp 78 Millionen), davon circa 12 Millionen CT-Untersuchungen (9 %) (6). Der aktuellste Jahresbericht zu Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) weist die Computertomografie als Hauptbeitrag (circa 67 %) der kollektiven künstlichen effektiven Dosis der deutschen Bevölkerung pro Jahr aus, die im Jahre 2016 1,6 mSv pro Einwohner betrug (6, 7). Über einen Zeitraum von neun Jahren von 2007 bis 2016 gab es eine kontinuierliche Erhöhung der mittleren effektiven Dosis pro Einwohner, die im Wesentlichen auf die Zunahme von computertomografischen Untersuchungen zurückzuführen ist (6, 7). Von 2007 bis 2014 bedeutete dies einen Anstieg von 1,4 mSv auf 1,6 mSv (8). Während die Anzahl der CT-Untersuchungen kontinuierlich steigt, nimmt die Strahlenexposition einer einzelnen CT-Untersuchung durch den technischen Fortschritt ab. Schegerer et al. konnten in ihrer Studie zur CT-Praxis in Deutschland für 11 % aller 2013/14 betriebenen medizinischen CT-Scanner feststellen, dass die effektive Dosis pro CT-Untersuchung im Vergleich zur CT-Praxis vor 2010 um etwa 15 % reduziert wurde (im Jahr 2013/14: 4,6/5,9 mSv pro Scan/Untersuchung) (9).

Diagnostische Referenzwerte in der Computertomografie

Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) publiziert regelmäßig diagnostische Referenzwerte für diagnostische und interventionelle Röntgenuntersuchungen, deren Beachtung und Einhaltung regelmäßig durch die sogenannten Ärztlichen Stellen überprüft wird (10, 11). Das Festlegen der diagnostischen Referenzwerte beruht auf großen Datenmengen von Patientenexpositionen für unterschiedliche CT-Untersuchungen, die unter anderem von den oben erwähnten Ärztlichen Stellen zur Verfügung gestellt werden. Für die diagnostischen Referenzwerte wird die 75. Perzentile der Verteilung der jeweiligen Expositionen herangezogen. Daher dienen diagnostische Referenzwerte nicht als Grenzwerte, sondern als Richtwerte, die es ermöglichen, die Strahlenexposition an unterschiedlichen Geräten und Standorten zu vergleichen. Diagnostische Referenzwerte sind nicht für die individuelle CT-Untersuchung anzuwenden. Vielmehr sind die Mittelwerte für die jeweiligen CT-Untersuchungen entscheidend, die über einen bestimmten Zeitraum nicht routinemäßig überschritten werden sollten. Die letzte Aktualisierung der diagnostischen Referenzwerte für diagnostische und interventionelle Röntgenanwendungen erfolgte im November 2022 (10).

Dosis-Monitoring in der klinischen Routine

Grundsätzlich gilt, dass jede computertomografische Anwendung der rechtfertigenden Indikationsprüfung durch eine Ärztin oder einen Arzt bedarf, die oder der für die CT fachkundig ist. Die stringente Indikationsprüfung zur CT-Diagnostik ist dabei für die Dosisreduktion eine der wichtigsten Maßnahmen. Die strenge rechtfertigende Indikationsstellung wird durch die Radiologin oder den Radiologen gestellt und dies erfolgt unter enger Absprache und Erörterung der klinisch relevanten zu beantwortenden Fragestellung mit dem oder der Zuweisenden.

Im klinischen Alltag werden bei jeder CT-Untersuchung der CTDI_vol und das DLP pro Scanserie automatisch dokumentiert. Durch Analyse der erfassten Dosisdaten können auch sogenannte lokale diagnostische Referenzwerte innerhalb einer Klinik oder eines Klinikverbundes ermittelt werden. In diesem Zusammenhang bietet sich ein klinikinternes automatisches Dosiserfassungssystem an, für das es mittlerweile mehrere kommerzielle Anbieter gibt. Durch das Monitoring ist man in der Lage, Ausreißer der Strahlenexposition zu erkennen und adäquat auf diese zu reagieren. Mit den neueren Generationen von CT-Scannern ist es heutzutage möglich, die Strahlenexposition vor dem eigentlichen Scan zu simulieren und auf voreingestellte Dosis-Alarme zu reagieren (12). Eigene Erfahrungen mit einem kommerziell erhältlichen Dosiserfassungssystem zeigten, dass unter Einsatz eines speziell geschulten „Dosis-Teams“, CT-Protokoll-Harmonisierung sowie Alarm-Funktion bei Überschreitung der Referenzwerte eine teilweise deutliche Reduktion der Strahlendosis bei gleichbleibender Bildqualität erreicht werden konnte (13). Dies wurde in erster Linie möglich durch Optimierung der CT-Untersuchungsprotokolle (unter anderem Patientenlagerung, Zentrierung, Gantry-Kippung, Anpassung von kV und mAs, Scanlänge), größtmögliche Ausnutzung der geräteeigenen Dosissparmechanismen (Röhrenstrommodulation) sowie Beschränkung der CT-Serien.

Häufige computertomografische Untersuchungen und deren Strahlenbelastung

Die diagnostischen Referenzwerte für bestimmte CT-Untersuchungen werden vom BfS publiziert (10) und geben eine Vorstellung über die Strahlenexposition bei CT-Untersuchungen in Deutschland. In einer Umfrage über die nationale CT-Praxis wurden Dosiswerte (CTDI_vol, DLP) für 34 Standard-CT-Untersuchungen für verschiedene Perzentilen ermittelt (9). Die effektiven Dosen wurden unter Verwendung der entsprechenden Gewebegewichtungsfaktoren ermittelt (5). Die mittleren effektiven Dosen betrugen für eine Scanserie 4,6 mSv und für eine komplette Untersuchung 5,9 mSv. Um eine bessere Vorstellung der Strahlenexposition zu erhalten, gibt die Tabelle 1 eine Übersicht über die effektive Dosis ausgewählter CT-Untersuchungen aus (9). Für die häufigsten computertomografischen Untersuchungen werden effektive Dosen von 1,6 mSv (Hirnschädel), 5,1 mSv (CT des Thorax einschließlich Nebennieren) und 7,9 mSv (CT des Abdomens) angegeben. Auffällig ist eine ganz erhebliche Variabilität der geschätzten effektiven Dosis der unterschiedlichen CT-Protokolle zwischen den verschiedenen Institutionen und Kliniken in Deutschland. Prinzipiell ist es ratsam, lokale diagnostische Referenzwerte zu etablieren, welche die Dosisverteilung im jeweiligen Institut oder in der Klinik reflektieren (13). Zudem unterscheidet sich naturgemäß das Patientenklientel, die Geräteausstattung und das Untersuchungsspektrum zwischen den Instituten und Kliniken teils erheblich, mit entsprechender Auswirkung auf die Dosiswerte. So ist es möglich, für insgesamt seltene CT-Untersuchungen, die im jeweiligen Institut jedoch häufig sind, lokale diagnostische Referenzwerte zu ermitteln und als Vergleichsmaßstab zu publizieren (14, 15). Zur besseren Anschaulichkeit bietet es sich an, die Strahlenexposition der Computertomografie mit natürlichen Strahlenquellen wie zum Beispiel der kosmischen Strahlenexposition zu vergleichen. Aufgrund des Sonnenzyklus und der variierenden Flughöhe gibt es eine milde Schwankung der kalkulierten effektiven Dosis. Bei einem transatlantischen Flug von Frankfurt nach New York City oder München bis Tokyo geht man von einer Exposition von 0,01 mSv durch kosmische Strahlung aus (16). Im Vergleich dazu liegt die mittlere Exposition einer standardisierten CT-Untersuchung bei 3 bis 7 mSv; sie kann aber abhängig von CT-Protokoll und Komplexität der Untersuchung auch deutlich höher liegen (Tabelle 1).

Tabelle 1

Mittelwerte der Dosisgrößen CTDIvol, DLP und effektive Dosis einer Auswahl der häufigsten CT-Untersuchungen in Deutschland basierend auf einer nationalen Umfrage (adaptiert aus [9])*

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Internationaler Vergleich

Daten eines internationalen Dosis-Registers mit über 2 Millionen analysierten CT-Untersuchungen aus sieben verschiedenen Ländern mit insgesamt 151 Institutionen konnten eine erhebliche Variation der effektiven Dosen im Ländervergleich demonstrieren (17). Beispielsweise waren die effektiven Dosen für Standard-CT-Untersuchungen wie dem Lungenembolie-Scan bei Benutzung des gleichen Scanner-Typs in manchen Ländern bis zu 15-fach höher als in anderen. Die Ursache für die länder- und institutsübergreifenden Dosisvariationen bei CT-Untersuchungen scheinen in erster Linie an der unterschiedlichen Handhabung der CT-Scanner zu liegen, und weniger an patientenspezifischen oder institutionellen beziehungsweise herstellerspezifischen Unterschieden (17, 18). Im internationalen Vergleich zwischen europäischen und US-amerikanischen Instituten waren die Strahlendosen für die häufigsten CT-Indikationen für 9 von 10 Indikationen an europäischen Instituten und Kliniken signifikant niedriger (18).

Maßnahmen zur Dosisreduktion

In den vorangegangenen Abschnitten wurde deutlich, dass es instituts- und länderübergreifend eine auffällige Variation der CT-Dosisverteilung gibt (9, 17). Manche Institute und Kliniken können dieselbe Fragestellung mit einer signifikant geringeren Strahlendosis beantworten als andere. Es kommt auf die passende Auswahl des CT-Protokolls für die richtige und konkrete Fragestellung an, um die Dosis zu optimieren und eine ausreichende Bildqualität zu erreichen (Abbildung). Moderne CT-Scanner verfügen über Detektoren mit einer hohen DQE („Detective Quantum Efficiency“) und moderne Filtertechnologien. Zudem gibt es wirksame Dosisrekonstruktionsmechanismen, wie beispielsweise automatische Röhrenstrommodulation und Röhrenspannungsmodulation, Röhrenstrommodulation beim Scannen besonders sensibler Organe, sowie iterative oder Deep-Learning basierte Rekonstruktionsalgorithmen. Durch Ausschöpfen dieser Mechanismen sowie bei Benutzung moderner Scanner ist es möglich, die Strahlendosis deutlich unterhalb der diagnostischen Referenzwerte zu halten (14, 19, 20, 21). Die Zunahme der kollektiven effektiven Dosis durch die Computertomografie ist geringer, als es durch die Steigerung der CT-Untersuchungen zu erwarten gewesen wäre (6, 8). In dem Zeitraum von 2007 und 2014 hatte die Anzahl an CT-Untersuchungen in Deutschland um etwa 40 % zugenommen, die kollektive effektive Dosis jedoch nur um circa 30 % (8). Dies ist am ehesten durch die erwähnten apparativen Maßnahmen des Strahlenschutzes der neueren CT-Scanner zu erklären. Aber auch mit einfachen Maßnahmen ist es möglich, die CT-Dosis zu senken, insbesondere durch Reduktion von Anzahl und Länge des CT-Scans. Bei bestimmten Fragestellungen können Low-Dose- und Ultra-Low-Dose-Protokolle verwendet werden, dazu zählen:

• Nierenkolik
• Plasmozytom-Status
• repetitive CT-Thorax-Untersuchungen bei Mukoviszidose
• Lungenkarzinom-Screening
• Verlaufskontrolle von einzelnen pulmonalen Zufallsbefunden wie Rundherden.

Rational angewandt erlauben diese strahlenschonenden CT-Protokolle eine weitere deutliche Dosisreduktion. Auch eine relativ einfache Maßnahme wie die korrekte Patientenlagerung beziehungsweise Zentrierung im CT-Scanner hat unmittelbaren Einfluss auf den CTDI_vol (22).

Die Radiologin und der Radiologe bürgen für das korrekte technische Durchführen der CT-Untersuchung, tragen die Verantwortung für die CT-Dosis und Bildqualität, und haben über die rechtfertigende Indikation einen großen Einfluss darauf, bei welcher Fragestellung eine CT-Untersuchung durchgeführt wird. Daneben kommt auch der Klinikerin/dem Kliniker eine große Verantwortung zu. Die Entscheidung für oder gegen eine CT-Untersuchung fällt im Konsens zwischen fachkundigen Radiologinnen und Radiologen sowie Klinikerinnen und Klinikern. Um im klinischen Alltag die passende bildgebende Untersuchung anzumelden, sind die von den verschiedenen Fachgesellschaften herausgegeben Leitlinien ebenso hilfreich wie Initiativen zum Strahlenschutz radiologischer Fachgesellschaften, die dabei unterstützen, die jeweils passende Bildgebung auszuwählen. Beispiele hierzu sind die ACR Appropriateness Criteria, die Royal College of Radiologists Referral Guidelines (iRefer) sowie der ESR iGuide der European Society of Radiologists (24, 25, 26). Einen selektiven Überblick, bei welchen häufigen, klinischen Fragestellungen alternative Bildgebungsverfahren ohne die Verwendung ionisierender Strahlung verwendet werden können, gibt Tabelle 2.

Tabelle 2

Auswahl an klinischen Indikationen und Fragestellungen für (alternative) Bildgebung ohne ionisierende Strahlung*

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Des Weiteren gibt die Checkliste im Kasten 2 einen Überblick über die wichtigsten, zu klärenden Fragen vor eine CT-Untersuchung. Sowohl die klinische Indikation, das richtige CT-Protokoll als auch die richtige Lagerung haben unter anderem einen wichtigen Stellenwert bei der Reduktion der Strahlendosis.

Kasten 2

Checkliste

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Strahlenrisiko und Stellenwert der Computertomografie

Strahlenbedingte Krebserkrankungen lassen sich nur durch statistische Methoden feststellen, da sie erst Jahre bis Jahrzehnte nach der Exposition auftreten. Das zusätzliche individuelle, relative Lebenszeit-Krebsmortalitätsrisiko durch ionisierende Strahlung bei Ganzkörperexposition mit niedriger Einzeldosis wird auf insgesamt 5 % pro Sievert geschätzt (5). Nehmen wir als konkretes Beispiel einen Polytraumapatienten nach einem Hochrasanztrauma, welcher eine CT-Bildgebung vom Schädel-Hals, Thorax und Abdomen erhält. Diese hat eine durchschnittliche mittlere, effektive Dosis von 19,6 mSv (Tabelle 1: 4,6 mSv für eine Polytrauma-Kopf-CT-Untersuchung und 15 mSv für eine Polytrauma-Rumpf-CT-Untersuchung basierend auf einer nationalen Umfrage, veröffentlicht von Schegerer et al. [9]). Nach dem Linear-Non-Threshold (LNT)-Modell für niedrige Strahlendosen führt dies zu einem zusätzlichen Lebenszeit-Krebsmortalitätsrisiko für den Polytraumapatienten von circa 0,0975 % (5).

Hier wird deutlich, dass in diesem Fall der Nutzen der Exposition das Risiko einer zusätzlichen Krebssterblichkeit deutlich überschreitet. Vor allem, wenn man das so genannte mittlere Hintergrundrisiko berücksichtigt. Das Hintergrundrisiko, daher dasjenige Risiko ohne Strahlenexposition, an Krebs zu erkranken (Inzidenzrisiko) wird mit 43 % bemessen. Dieses Lebenszeitrisiko variiert sowohl abhängig vom Alter als auch vom Geschlecht. So beträgt es für eine Frau im Laufe des Lebens rund 38 % im Vergleich zu 47 % für Männer. Das mittlere Hintergrundrisiko ohne Strahlenexposition an Krebs zu versterben (Mortalitätsrisiko) wird mit 23 % angegeben (27, 28).

Vor dem Hintergrund potenzieller Risiken der CT-Dosisexposition muss man jedoch entgegenhalten, um wie viel höher der Nutzen der Computertomografie im klinischen Alltag bei vielen Fragestellungen ist, insbesondere in der Notfalldiagnostik, der kardiovaskulären Diagnostik, der Schlaganfalldiagnostik und Onkologie. Zusätzlich ist es hilfreich, die Risiken des alltäglichen Lebens gegen die (potenzielle) Karzinogenese durch medizinisch angewendete ionisierende Strahlung gegenüberzustellen (29). McCollough et al. fassten das Lebenszeitrisiko für den Tod aus unterschiedlichsten Gründen zusammen: So würden circa 228 von 1 000 Personen an den Folgen einer Krebserkrankungen versterben, circa 11,9 von 1 000 Personen an einem Autounfall, circa 0,2 von 1 000 Personen wegen eines Fahrradunfalls und nur circa 0,5 von 1 000 Personen aufgrund einer Computertomografie mit einer effektiven Dosis von 10 mSv (exemplarisch ein Routine-Abdomen-CT) (29).

Künftige Trends

Neuartige Photonen-zählende CT-Scanner ermöglichen die unmittelbare Quantifizierung der Strahlenexposition jedes einzelnen, untersuchten Menschen. Im Vergleich zur derzeitigen CT-Technologie, schaffen die Photonen-zählenden CT-Scanner Möglichkeiten zur Reduktion der Strahlenbelastung, Bilder mit höherer Auflösung zu rekonstruieren, Strahlenhärtungsartefakte zu korrigieren und den Einsatz von Kontrastmitteln für eine quantitative Bildgebung zu optimieren (30).

Fazit

Die Computertomografie ist im klinischen Alltag, sowohl im stationären als auch im ambulanten Bereich, unverzichtbar. Als eine Modalität mit einer relativ hohen Strahlenbelastung trägt die Computertomografie den Hauptanteil an der kollektiven effektiven Dosis der Bevölkerung pro Jahr, mit steigender Tendenz. Wenngleich gemäß des ALARA-Prinzips („as low as reasonably achievable“) alle Bestrebungen dahingehen müssen, bei ausreichender Bildqualität eine Reduzierung der CT-Strahlendosis zu erreichen, so dürfen die Vorteile der computertomografischen Bildgebung in allen Bereichen der Medizin nicht in den Hintergrund treten. Keinesfalls dürfen notwendige CT-Untersuchungen aufgrund der Strahlenexposition unterlassen werden, da der potenzielle Nutzen der Computertomografie oft um ein Vielfaches höher ist als das potenzielle Strahlenrisiko. Nichtsdestotrotz ist eine sorgfältige Prüfung der rechtfertigenden Indikation durchzuführen und zu prüfen, ob alternative bildgebende Verfahren wie die Sonografie oder Kernspintomografie zum Einsatz kommen können.

Interessenkonflikt

Dr. Bos ist Clinician Scientist innerhalb der University Medicine Essen Clinician Scientist Academy (UMEA), die von der DFG und der medizinischen Fakultät der Universität Duisburg-Essen finanziert wird (FU 356/12–2).

Die übrigen Autoren und die Autorin erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Manuskriptdaten
eingereicht: 13.04.2022, revidierte Fassung angenommen: 05.12.2022

Anschrift für die Verfasser
Dr. med. Denise Bos
Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie und Neuroradiologie
Universitätsklinikum Essen, Universität Duisburg-Essen
Hufelandstraße 55, 45147 Essen
denise.bos@uk-essen.de

Zitierweise
Bos D, Guberina N, Zensen S, Opitz M, Forsting M, Wetter A: Radiation exposure in computed tomography.
Dtsch Arztebl Int 2023; 120: 135–41. DOI: 10.3238/arztebl.m2022.0395

►Die englische Version des Artikels ist online abrufbar unter:
www.aerzteblatt-international.de

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Dieser Beitrag wurde von der Nordrheinischen Akademie für ärztliche Fort- und Weiterbildung zertifiziert. Die Fragen zu diesem Beitrag finden Sie unter http://daebl.de/RY95. Einsendeschluss ist der 02.03.2024.

Die Teilnahme ist möglich unter cme.aerztebatt.de