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Freitag, 21 Januar 2022 10:59

Medizinische Bildgebung

von Redaktion
Geschätzte Lesezeit: 7 - 13 Minuten
Abb. 1: Oberärztin Professorin Dr. Kristina Imeen Ringe, Leiterin des Bereichs Computertomografie, gemeinsam mit Professor Wacker und Professor Lammert an dem neuen CT-Gerät (Foto: Karin Kaiser/MHH) Abb. 1: Oberärztin Professorin Dr. Kristina Imeen Ringe, Leiterin des Bereichs Computertomografie, gemeinsam mit Professor Wacker und Professor Lammert an dem neuen CT-Gerät (Foto: Karin Kaiser/MHH)

Wenige Entwicklungen beschleunigen Erkenntnisgewinn so, wie diejenigen im Bereich der Bildgebung. Im Folgenden werden aktuelle Entwicklungen der Computertomographie, der Röntgenbildgebung und der Detektion und Datenauswertung beschrieben.

Seit Entwicklung der Fotografie haben neue Technologien der Bildgebung immer einen Fortschritt im Verständnis der untersuchten Prozesse zur Folge. Für die medizinische Bildgebung hängen Bildgebungstechnologie, computergestützte Bildauswertung und adaptive Therapie eng zusammen.

Quantenzählender Computertomograph [1]

Der Computertomograph (CT) ist das Arbeitstier der Radiologen. Denn die meisten radiologischen Untersuchungen mit Schnittbildaufnahmen, beispielsweise nach Unfällen oder zur Diagnose von Erkrankungen, werden mit CT-Geräten gemacht. Bei der Weiterentwicklung der Technik gibt es vor allem zwei Ziele: Bessere Aufnahmen und eine niedrigere Strahlendosis für die Patientinnen und Patienten.

Mit dem neuen quantenzählenden Computertomographen Naetom Alpha ist dabei ein riesiger Schritt gelungen. Zurzeit gehen weltweit die ersten 20 Exemplare in Betrieb – einer davon im Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH).

In Deutschland werden jedes Jahr rund 12 Millionen CT-Scans durchgeführt. Herkömmliche CT-Detektoren wandeln die Röntgenstrahlung zunächst in sichtbares Licht um, das in einem weiteren Schritt in elektrischen Strom transformiert wird. Mit dieser Energie wird dann ein digitales Bild erzeugt. Bei dem Zwischenschritt, der Umwandlung von Licht in Strom, gehen allerdings wichtige Informationen verloren. So kommt es zu verringerten Bildkontrasten und verringerter Bildschärfe. Der neue quantenzählende Computertomograph der Firma Siemens Healthineers arbeitet mit einer grundlegend anderen Technologie. Er verwandelt die Röntgenphotonen, also die Lichtquanten, direkt in elektrische Signale. Der Zwischenschritt entfällt. Der neue Röntgendetektor ist in der Lage, die einzelnen Lichtquanten in jedem Pixel zu zählen. Daher auch der Name „quantenzählender Computertomograph“. Durch die direkte Transformation in elektrischen Strom bleibt die Energieinformation erhalten. Die Bilder sind schärfer und kontrastreicher und liefern neue aufschlussreiche Informationen. So kann ein viel differenzierterer Eindruck gewonnen werden und man kann genau erkennen, ob beispielsweise Kontrastmittel, Weichteile oder Knochen abgebildet werden.

Die Aufnahmen des neuen CT-Geräts sind etwa doppelt so scharf wie die Bilder herkömmlicher Computertomographen. Das erleichtert überall dort, wo feinste Strukturen wie beispielsweise Gefäße, die Lunge oder winzige Knochen zu beurteilen sind, die Diagnose. Aufgrund der wesentlich besseren Bildqualität können bestimmte CT- Untersuchungen, die bisher invasiv erfolgen mussten, zukünftig rein äußerlich erfolgen. Gleichzeitig wird für die neue Technologie bis zu 40 Prozent weniger Röntgenstrahlung benötigt. Professor Wacker sieht darin einen sehr großen Vorteil gegenüber den herkömmlichen Geräten. Denn die CT verursacht in der Bevölkerung den höchsten Anteil an medizinischer Strahlenexposition, deshalb ist eine Reduktion hier besonders wichtig.

Der Naetom Alpha geht zurzeit in insgesamt acht deutschen Kliniken in Betrieb. Im Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie ist das neue Gerät seit etwa drei Wochen im Einsatz. Für die neue Technologie wurde ein herkömmlicher Computertomograph, 15 Jahre alt, ausgemustert. Der Ersatz des alten Geräts durch das neue Modell wurde mit Mitteln des Landes Niedersachsen ermöglicht. Mit dem neuen quantenzählenden Computertomographen wurden bereits mehr als 100 Patientinnen und Patienten untersucht. Außerdem wird er im radiologischen Institut für Forschungszwecke eingesetzt.

Eine Patientengruppe, die von den neuen Möglichkeiten an der MHH extrem profitiert, sind Menschen mit Lungenerkrankungen. Auf den Aufnahmen des neuen CT sind beispielsweise die feinen Ausläufe von Lungentumoren viel besser zu erkennen. So können den Chirurgen und Onkologen genauere Angaben zur Ausbreitung des Tumors gemacht werden. Ein weiteres Beispiel ist die Lungenfibrose, eine Verhärtung und Vernarbung des Lungengewebes. Durch die neue Bildqualität ist eine viel bessere Therapieüberwachung möglich, weil auf den Aufnahmen auch kleinste Veränderungen zu sehen sind. Davon profitieren sowohl die Patienten der Pulmologie als auch die Forschungsprojekte im Deutschen Zentrum für Lungenforschung (DZL). Kardiologie, Pulmologie, Onkologie – die neue Detektortechnologie wird die radiologische Diagnostik in vielen Bereichen einen riesigen Schritt voranbringen. Ansprechpartner ist Professor Dr. Frank Wacker.

Neue Röntgentechnologie: Dunkelfeld-Röntgen [2]

Abb. 2: PD Dr. med. Andreas Sauter bei der Auswertung von Röntgenaufnahmen im Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie im Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (Foto: Andreas Heddergott/TUM)Abb. 2: PD Dr. med. Andreas Sauter bei der Auswertung von Röntgenaufnahmen im Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie im Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (Foto: Andreas Heddergott/TUM)Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben ein neues Röntgenverfahren für die Lungendiagnostik erstmalig erfolgreich bei Patienten eingesetzt. Dunkelfeld-Röntgen macht frühe Veränderungen in der Alveolarstruktur infolge der Lungenkrankheit COPD sichtbar, benötigt dafür jedoch nur ein Fünfzigstel der in der Computertomographie üblichen Strahlendosis. Dies erlaubt eine breite medizinische Anwendung in der Früherkennung und dem Therapieverlauf von Lungenerkrankungen.

Millionenfach führen schwere Erkrankungen des Atmungssystems zu stark eingeschränkter Lebensqualität. Jedes Jahr sterben allein in Deutschland mehr als 100.000 Menschen an schweren Lungenerkrankungen. Typisch für eine lebensgefährliche chronisch obstruktive Lungenerkrankung (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) sind teilweise zerstörte Lungenbläschen und eine Aufblähung der Lunge (Emphysem).

In normalen Röntgenaufnahmen sind die feinen Unterschiede im Gewebe jedoch kaum sichtbar. Detaillierte diagnostische Informationen liefern erst fortschrittliche medizinische Bildgebungstechnologien, bei denen im Computer viele Einzelbilder zusammengesetzt werden. Eine schnelle und kostengünstige Option mit geringer Strahlenbelastung für Früherkennung und Nachuntersuchungen fehlt bisher.

Diese Lücke könnte ein an der TU München entwickeltes Verfahren schließen: das Dunkelfeld-Röntgen. In der aktuelle Ausgabe von „Lancet Digital Health“ präsentiert ein Forschungsteam, angeführt von Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik und Direktor des Munich Institute of Biomedical Engineering der TUM, nun Ergebnisse einer ersten klinischen Studie mit Patienten, bei der die neue Röntgen-Technologie zur Diagnose der Lungenkrankheit COPD eingesetzt wurde [3].

Die konventionelle Röntgen-Bildgebung beruht auf der Abschwächung des Röntgenlichts auf seinem Weg durch das Gewebe. Die Dunkelfeld-Technologie dagegen nutzt Anteile des Röntgenlichts, die gestreut werden und beim konventionellen Röntgen unbeachtet bleiben.

Die neue Methode nutzt damit das physikalische Phänomen der Streuung auf ähnliche Weise wie die schon länger bekannte Dunkelfeldmikroskopie mit sichtbarem Licht: Diese macht es möglich, Strukturen weitgehend transparenter Objekte sichtbar zu machen. Im Mikroskop erscheinen sie als helle Strukturen vor einem dunklen Hintergrund, was der Methode ihren Namen verleiht. An Grenzflächen zwischen Luft und Gewebe beispielsweise ist die Streuung des Röntgenlichts besonders stark. Dadurch lassen sich in einem Dunkelfeldbild der Lunge Bereiche mit intakten, also luftgefüllten, Lungenbläschen klar von Regionen unterscheiden, in denen weniger intakte Lungenbläschen vorhanden sind. Eine Untersuchung mit der Dunkelfeld-Röntgen-Technik ist außerdem mit einer deutlich geringeren Strahlendosis verbunden als die heute verwendete Computertomografie. Denn sie erfordert nur eine einzelne Aufnahme pro Patientin oder Patient, während für die Computertomografie zahlreiche Einzelaufnahmen aus verschiedenen Richtungen erstellt werden müssen.

Die Forscher rechnen mit einer um den Faktor Fünfzig reduzierten Strahlenbelastung. Darüber hinaus haben die ersten klinischen Ergebnisse bestätigt, dass das Dunkelfeld-Röntgen zusätzliche bildliche Informationen über die zugrundeliegende Mikrostruktur der Lunge liefert. Mit der Dunkelfeld-Röntgen-Technologie ergibt sich Chance, die Früherkennung von Lungenkrankheiten deutlich zu verbessern und gleichzeitig auch breiter als bisher einzusetzen. Da die Dunkelfeld-Bildgebung nicht auf COPD beschränkt ist, sind auch weitere translationale Studien zu anderen Lungenpathologien wie Fibrose, Pneumothorax, Lungenkrebs und Lungenentzündung, einschließlich Covid-19, von großem Interesse. Die Arbeiten wurden unterstützt durch das European Research Council im Rahmen eines Advanced Grants, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Philips Medical Systems DMC GmbH. Mitautor Thomas Köhler (Philips) war Rudolf Diesel Industry Fellow des TUM Institute for Advanced Study (TUM-IAS), das aus Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder sowie des Marie Curie COFUND-Programm der EU gefördert wird. Ein Teil der Arbeiten wurde in Kooperation mit der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), einer Helmholtz-Forschungsinfrastruktur am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), durchgeführt. Wissenschaftlicher Ansprechpartner ist Prof. Dr. Franz Pfeiffer.

Strahlentherapie mit Live-Bildern [4]

Abb. 3: Aufnahmen eines Herztumors (Foto: LMU Klinikum, Strahlentherapie)Abb. 3: Aufnahmen eines Herztumors (Foto: LMU Klinikum, Strahlentherapie)Der neue MR Linac am LMU Klinikum bietet gleich mehrere Vorteile bei der Bestrahlung von Tumoren in beweglichen Organen: genauer, größere Dosen, bessere Schonung des gesunden Gewebes. Sogar Patientinnen und Patienten mit nicht operablen Herztumoren können so erstmals behandelt werden. Mit dem MR Linac kann live verfolgt werden, ob und wie sich der Tumor und das umgebende gesunde Gewebe durch die Therapie verändern. Das eröffnet eine neue Dimension der Präzision bei der Bestrahlung.

Viele Organe bewegen sich ständig. Das Herz oder die Lungen zum Beispiel. Oder deren direkte Nachbarn wie die Bauchspeicheldrüse und die Leber. Zwar ist die Bestrahlung von Krebsherden in diesen Organen auch bislang auf hohem Niveau machbar. Doch aufgrund der Bewegungen treffen die zelltötenden Strahlen auch gesundes Gewebe, das an die Tumoren grenzt. Entsprechend muss die Dosis der Bestrahlung limitiert werden, was wiederum den Erfolg der Therapie schmälert.

Mit dem MR Linac ist dieses Problem weitgehend Vergangenheit. Diese mächtige Maschine ist seit gut anderthalb Jahren am LMU Klinikum in Großhadern in Betrieb. Sie vereint zwei Geräte, die bislang strikt getrennt waren und allein für sich schon technologische Hochleistung bedeuten: ein „Linearbeschleuniger“, der die eigentliche Strahlung für die Strahlentherapie von Tumorpatienten erzeugt. Und ein Magnet-Resonanz-Tomograph, der strahlungsfrei während der Behandlung immer wieder Schichtbilder vom Tumor schießt.

So kann live und direkt verfolgt werden, ob und wie sich ein Tumor und das umgebende gesunde Gewebe durch die Therapie verändern. Damit kann die gesamte Therapie sehr präzise gestaltet werden und an die sich ändernden Verhältnisse im Krebsgewebe angepasst werden. Und zwar Tag für Tag. Denn die jeweils nächste Sitzung der Therapie wird immer neu von einem mehrköpfigen Team aus Ärztinnen und Ärzten, Medizinisch-Technischen Angestellten und Physikerinnen und Physikern für die aktuellen Verhältnisse im Gewebe berechnet.

Für die Patientinnen und Patienten bringt das nur Vorteile: weil das gesunde Gewebe exzellent geschont wird, können höhere Strahlendosen mit besserer Wirkung eingesetzt werden. Seit Januar 2020 wurden in Großhadern bereits etwa 300 Patienten mit Tumoren in beweglichen Organen in rund 1800 Einzelbestrahlungen behandelt.

Dabei ermöglicht das High-Tech-Verfahren sogar die Behandlung von bösartigen Herztumoren. Diese Tumore sind zwar extrem selten. Da sie nicht operiert werden können, haben die Patienten bisher keine Therapieoption und geringe Überlebenschancen. Nun können die Betroffenen mit hohen Dosen bestrahlt und ihre Tumoren in Schach gehalten werden. Das heißt: Die Krebsherde wachsen nicht weiter oder sie schrumpfen sogar. Auch Herzmetastasen lassen sich mit dem MR Linac behandeln. Inwieweit das Verfahren das Überleben der Patientinnen und Patienten langfristig verlängert, wollen die Experten des LMU Klinikums jetzt gemeinsam mit drei weiteren Krankenhäusern in einer großen internationalen Studie ermitteln. (SHARP trial – Stereotactic Heart Ablative RadiotheraPy – Prospektive Beobachtungsstudie zur MR-gesteuerten stereotaktischen ablativen Strahlentherapie von inoperablen primären oder rezidivierenden malignen Herzsarkomen oder Herzmetastasen).

Das Team des LMU Klinikums ist an zahlreichen Studien beteiligt, in denen die Einsatzmöglichkeiten des MR Linac erforscht werden (Tumoren in Lunge, Leber, Prostata und der Bauchspeicheldrüse). Und es hat federführend die europäischen Leitlinien gestaltet, beispielsweise für die Inbetriebnahme und praktische Einführung der MR- gesteuerten Bestrahlung mittels MR Linac in der Klinik. Die Wissenschaftliche Ansprechpartnerin ist Priv.-Doz. Dr. med. Stefanie Corradini.

Neues Aufbereitungsverfahren für Bilddaten bei der Bildgebung mit Neutronen [5]

Abb. 4: Kamera mit Bildverstärker und Zoom-Objektiv. Das pinkfarbene Kabel schickt die Signale von bis zu 80 Millionen aktivierter Pixel pro Sekunde zur Datenauswertung an einen Hochleistungs-PC (Foto: Bernhard Ludewig/FRM II/TUM)Abb. 4: Kamera mit Bildverstärker und Zoom-Objektiv. Das pinkfarbene Kabel schickt die Signale von bis zu 80 Millionen aktivierter Pixel pro Sekunde zur Datenauswertung an einen Hochleistungs-PC (Foto: Bernhard Ludewig/FRM II/TUM)Ein internationales Forschungsteam hat an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) eine neue Technik für bildgebende Verfahren entwickelt. Es wird in Zukunft nicht nur um ein Vielfaches besser aufgelöste Messungen mit Neutronen ermöglichen, sondern könnte auch die Strahlenbelastung bei Röntgenaufnahmen verringern.

Auch moderne Kameras setzen immer noch auf das gleiche Prinzip wie vor 200 Jahren: Statt eines Films wird heute ein Bildsensor für eine bestimmte Zeit belichtet, um ein Bild aufzunehmen. Allerdings wird dabei auch das Rauschen des Sensors mit aufgezeichnet. Bei längeren Belichtungszeiten stellt das eine erhebliche Störungsquelle dar.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus der Schweiz, Frankreich, den Niederlanden und den USA haben Dr. Adrian Losko sowie weitere Kolleginnen und Kollegen der TUM am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) nun ein neues bildgebendes Verfahren entwickelt, das einzelne Photonen zeit- und ortsaufgelöst misst. Photonen können damit vom Rauschen getrennt werden, und das störende Rauschen lässt sich so stark reduzieren. Mit dem neuen Detektor wird jedes einzelne Lichtteilchen nachgewiesen und dadurch viele physikalische Grenzen klassischer Kameras umgangen.

Typischerweise setzen die Forscherinnen und Forscher in der Neutronen-Radiographie bei ihren Messungen Szintillatoren ein, um Neutronen zu detektieren und so zum Beispiel versteinerte Dinosauriereier zu durchleuchten. Wird ein Neutron vom Szintillator-Material absorbiert, werden Photonen erzeugt, Lichtteilchen, die gemessen werden können.

Bei allen bisherigen Kameras wird das Licht während der gesamten Belichtungszeit gesammelt, dadurch entsteht, abhängig von der Dicke des Szintillators, eine Unschärfe. Das neue Konzept des Forschungsteams hingegen weist jedes einzelne der Lichtteilchen nach, das durch ein Neutron erzeugt wurde. Voraussetzung dafür war eine neue Chiptechnologie sowie Hard- und Software mit Rechengeschwindigkeiten, die eine Auswertung in Echtzeit ermöglichen. So kann ein Bild jetzt Neutron für Neutron zusammengesetzt werden. Die Neutronenforschung bietet hier ein ideales Test- und Anwendungsgebiet.

Da die Absorption eines Neutrons im Detektor mehrere Lichtteilchen erzeugt, kann das neue System durch eine Koinzidenzmessung mehrerer Lichtteilchen einzelne Neutronen nachweisen. Damit entfernt sich die Messung vom klassischen Modell der Belichtungszeit und es werden nur die Ereignisse, die stattgefunden haben, gemessen.

Insgesamt stellt das neue Konzept alle bisher auf dem Markt existierenden Technologien in den Schatten, denn es ermöglicht jetzt schon eine dreimal bessere örtliche Auflösung und ein mehr als siebenmal geringeres Rauschen. Die Limitierung durch die Dicke des Szintillators ist stark reduziert. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz für hochauflösende Messungen. Auch das Nachleuchten von Szintillatoren, das ein sogenanntes Ghost-Image erzeugt, fällt weg. Viele Instrumente an der Forschungs-Neutronenquelle könnten von dem neuen Konzept profitieren, beispielsweise das Instrument FaNGaS (Fast Neutron-induced Gamma-ray Spectrometry): Dadurch, dass man genau weiß, wann ein Neutron ankommt, kann der Zeitbereich, in dem das Gamma-Teilchen gemessen wird, auf eine Millionstel-Sekunde verringert werden. Das reduziert das Untergrund-Rauschen um den Faktor einer Million.

Auch in der Medizin könnte der neue Detektor zum Einsatz kommen. Bei der Röntgen-Aufnahme eines Knochenbruchs würden feine Strukturen, wie Knochen-Haarrisse, besser erkennbar und gleichzeitig die Strahlenbelastung für den Patienten minimiert. Das Verfahren wird in der wissenschaftlichen Welt definitiv die Detektoren verändern. Möglicherweise werden ähnliche Prinzipien irgendwann auch in normalen Kameras für den Privatgebrauch Einzug halten. Aufnahmen bei Dunkelheit würden sich dadurch stark verbessern. Außerdem könnten Fotografen die Belichtungszeit und die Auflösung auch nach der Aufnahme noch anpassen. Das Rauschen von Kameras ließe sich praktisch eliminieren. Ansprechpartner ist Dr. Adrian Losko, TUM.

Foto: Karin Kaiser/MHH

Abb. 2: PD Dr. med. Andreas Sauter bei der Auswertung von Röntgenaufnahmen im Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie im Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (Foto: Andreas Heddergott/TUM)

Abb. 3: Aufnahmen eines Herztumors (Foto: LMU Klinikum, Strahlentherapie)

Abb. 4: Kamera mit Bildverstärker und Zoom-Objektiv. Das pinkfarbene Kabel schickt die Signale von bis zu 80 Millionen aktivierter Pixel pro Sekunde zur Datenauswertung an einen Hochleistungs-PC (Foto: Bernhard Ludewig/FRM II/TUM)

Literatur

[1] Quelle: Medizinische Hochschule Hannover (MHH)

[2] Quelle: Technische Universität München (TUM)

[3] Konstantin Willer; Alexander Fingerle; Wolfgang Noichl; Fabio De Marco; Manuela Frank; Theresa Urban; Rafael Schick; Alex Gustschin; Bernhard Gleich; Julia Herzen; Thomas Koehler; Andre Yaroshenko; Thomas Pralow; Gregor Zimmermann; Bernhard Renger; Andreas Sauter; Daniela Pfeiffer; Marcus Makowski; Ernst Rummeny; Philippe Grenier; Franz Pfeiffer: X-ray dark-field chest imaging for detection and quantification of emphysema in patients with chronic obstructive pulmonary disease: a diagnostic accuracy study, Lancet Digital Health, Volume 3, Issue 11, e733-e744, November 01, 2021 – DOI: 10.1016/S2589-7500(21)00146-1

[4] Quelle: LMU Klinikum

[5] Quelle: Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) und Technische Universität München (TUM)

[6] Adrian Losko; Yiyong Han; Burkhard Schillinger; Aureliano Tartaglione; Morgano; Markus M. Strobl; Jingming Long; Anton Tremsin; Michael Schulz: New Perspectives for Neutron Imaging through Advanced Event-Mode Data Acquisition, Sci Rep. 11, Article number: 21360 (2021) – DOI: 10.1038/s41598-021-00822-5v

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  • Ausgabe: 12
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Redaktion

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