SIEMENS

Aus einem Röntgenbild kann der routinierte Arzt viel herauslesen, was ein Laie in den unterschiedlichen Grauschattierungen nie vermuten würde. Doch auch das geschulte Auge tut sich schwer, die exakte Größe und Struktur eines Tumors zu erkennen. Genau diese Daten sind allerdings ausschlaggebend für die Therapie. 2008 wurde daher ein Projekt von Siemens, der Universität Erlangen-Nürnberg, dem Institute of Technology in Karlsruhe, und der Technischen Universität München (TUM) ins Leben gerufen. Wissenschaftler der vier Institutionen forschen, unterstützt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), an einer viel versprechenden neuen Methode: dem Phasenkontraströntgen.

Wenn mit der Methode – anders als beim herkömmlichen Absorptionsröntgen – unterschiedliche Weichteilgewebe klar sichtbar gemacht werden können, dann zeichnen sich nicht nur Gewebestrukturen und Knochen ab, sondern es sind auch Muskeln und Sehnen kontrastreich zu erkennen. Konventionelle Geräte basieren auf dem Prinzip, dass Knochen und Gewebe Röntgenstrahlen unterschiedlich stark absorbieren. Deshalb wird bei einer Aufnahme des Gehirns zwar der viel Strahlung schluckende Schädelknochen gut abgebildet, das Gehirn selbst gleicht jedoch einer einheitlich grauen Fläche. Mit einem verbesserten Weichteilkontrast lassen sich die einzelnen Bereiche gut voneinander abgrenzen und verändertes Gewebe, etwa ein Tumor, wird klar sichtbar. Die Größe und genaue Position der krankhaften Veränderung lässt sich frühzeitig erkennen und eine Behandlung individuell abstimmen – wichtig, um eine Bestrahlung besser zu dosieren. Ähnliches gilt für die Mammographie: Auch hier kann das schwammig erscheinende Abbild des Brustgewebes kontrastreicher werden.

Beim Phasenkontraströntgen wird nicht nur die Absorption der Röntgenteilchen, sondern auch die Phasenveränderung der Wellen gemessen. Wie sichtbares Licht sind Röntgenstrahlen gleichzeitig Teilchen und Welle. Beim reinen Absorptionsröntgen wird erfasst, ob die Teilchen ein Gewebe durchdringen oder nicht. Beim Phasenkontraströntgen wird hingegen gemessen, wie das Gewebe die Abfolge von Schwingungstal und Schwingungsberg – die Phase – der Strahlungswelle beeinflusst. Das ist derselbe Effekt, der wegen der unterschiedlichen Lichtbrechung etwa Luftblasen im Wasser sichtbar macht. In dieser Phasenverschiebung sind viele Informationen enthalten, denn sie variiert je nach Art des Gewebes, durch das die Strahlung gebrochen wird. Nur ist dieser Effekt sehr klein, er muss verstärkt werden.

Doch das war bis vor kurzem noch keinem Wissenschaftler mit einem konventionellen Röntgengerät gelungen. Die ersten Ideen dazu sind über 20 Jahre alt – die Forscher setzten damals auf spezielle Kristalloptiken. Das funktioniert allerdings nur bei monochromatischer Strahlung, wie sie in einer teuren Synchrotronquelle entsteht. Die Strahlung dieses Teilchenbeschleunigers unterscheidet sich von der einer normalen Röntgenquelle wie Laserlicht vom Licht einer Glühbirne. So wie ein Laser Licht ausstrahlt, das perfekt im Takt – also phasengleich – schwingt, ist das Röntgenlicht des Synchrotrons fast völlig synchron. Dagegen liegen bei einer Röntgenquelle, wie sie in Kliniken verwendet wird, zu viele Störungen vor, denn sie enthält ein Spektrum an Wellenlängen und strahlt in alle Richtungen. Darum erklärte die Fachwelt 2004 das Phasenkontraströntgen mit herkömmlichen Röntgenquellen für unmöglich.

Doch da hatten die Wissenschaftler die Rechnung ohne den Physiker Prof. Franz Pfeiffer gemacht. Heute leitet er den Lehrstuhl für Biomedizinische Physik an der TUM. Damals forschte er am Schweizer Paul Scherrer Institut, wo er 2006 seine revolutionären Ergebnisse veröffentlichte. Zwar nutzte auch er das Synchrotron für seine ersten Forschungen, doch statt der Kristalloptiken verwendete er ein Talbot-Lau-Interferometer, das vor allem in der Atomphysik zum Einsatz kommt. Bahnbrechend war seine Idee, das Interferometer auch bei einer normalen Röntgenröhre anzuwenden. Seine ersten Phasenkontrast-Bilder zeigten einen Fisch mit noch nie dagewesener Genauigkeit.

Pfeiffers Talbot-Lau-Interferometer besteht aus drei Gittern. Sie sind aus Silizium und sehen aus wie kleine Platten, in die in Abständen von wenigen Mikrometern Schlitze geritzt wurden. Die Zwischenräume des ersten Gitters sind mit Gold aufgefüllt. Es befindet sich zwischen Röntgenquelle und Objekt und dient dazu, aus der chaotischen Strahlung der Röntgenquelle eine möglichst synchrone zu machen. Da nur das Silizium Röntgenstrahlen durchlässt, während Gold sie absorbiert, entsteht so eine Vielzahl quasi-kohärenter Röntgenquellen. Treffen die Strahlen auf Gewebe, verändern sie ihre Phase. Das zweite Gitter besteht nur aus Silizium und bringt die einzelnen Teilwellen wieder zusammen – der Fachmann spricht von Interferenzen.

Außerdem erhält der Anteil der Strahlung, der durch das Silizium muss, einen zusätzlichen – diesmal genau bekannten – Phasenverschub. Er dient dazu, dass mit dem dritten Gitter die in den Röntgenstrahlen enthaltenen Phasen-Informationen ausgelesen werden können. Wie das erste besteht auch das dritte Gitter aus Silizium und Gold. Um die Intensität abzutasten, wird es gegenüber dem zweiten Gitter verschoben, und ein Detektor erfasst die Signale. Die Messwerte werden mit denen verglichen, die ohne Objekt vorhanden wären. Der Unterschied ist der Phasenkontrast und als Graustufen im Bild sichtbar.

2006 – kurz nachdem Pfeiffer das Bild des Fisches veröffentlicht hatte – begann er die Zusammenarbeit mit Siemens. Die Partner lernten sich auf einer Röntgen-Fachmesse kennen. Die Forscher von Siemens, darunter Dr. Eckhard Hempel, damals beim Sektor Healthcare, erkannten sofort das Potenzial der Entwicklung. 2008 kamen die restlichen Kooperationspartner hinzu, das Projekt wurde ins Leben gerufen. „Es war und ist eine radikale Idee, Phasenkontraströntgen in ein herkömmliches Röntgensystem für die Humandiagnostik zu integrieren“, sagt Hempel, „aber es gelang uns, zu zeigen, dass es funktionieren kann. Damit gewannen wir 2008 den BMBF-Innovationswettbewerb zur Förderung der Medizintechnik.“

Geringe Strahlung. Ziel der Kooperation ist ein Gerät, das problemlos in den klinischen Alltag integriert werden kann. Es darf nicht größer sein als handelsübliche Exemplare, der Aufwand für eine Untersuchung muss in etwa gleich bleiben. Am Karlsruher Institute of Technology werden die Gitter und an der Universität Erlangen-Nürnberg die Detektoren verbessert. Die Forscher von Siemens integrieren mit Pfeiffers Team das Interferometer in ein Röntgengerät. Auch die Ansprüche an die Komponenten sind groß: Weil medizinische Anwendungen eine höherenergetische Röntgenstrahlung benötigen, müssen die Gitter feiner werden als bei dem von Pfeiffer benutzten System. Zudem waren dort die Abstände zwischen den Gittern, der Röntgenquelle und dem Detektor beliebig wählbar. Im neuen System muss all das mit weniger Platz auskommen. Deshalb dürfen die Schlitze der Gitter nur noch 2,5 Mikrometer breit sein.

Auch die Detektoren müssen an die neuen Anforderungen angepasst werden. Wie bei einer Digitalkamera ist das Bild des Röntgengeräts aus Pixeln aufgebaut. Es gilt: je mehr Röntgenstrahlung und je mehr Pixel, desto besser die Bildqualität. Allerdings belasten die Strahlen den Patienten, die Dosis muss so niedrig wie möglich sein. Hier die optimale Kombination zu finden, ist das Ziel der Forscher um Prof. Gisela Anton von der Universität Erlangen-Nürnberg. Sie wollen den Detektor und die Parameter des Gitteraufbaus so verbessern, dass mit möglichst wenig Strahlenbelastung ein möglichst gutes Bild herauskommt.

Das Projekt soll 2012 abgeschlossen sein, doch das ist erst der Anfang der Ära des Phasenkontraströntgens. Denn hier kann, anders als beim Absorptionsröntgen, nicht auf viele Jahre Erfahrung zurückgegriffen werden. „Genau das ist das Faszinierende daran – es gibt noch so viel zu erforschen“, freut sich Gisela Anton. Für sie, wie auch für die anderen Wissenschaftler, ist der künftige Nutzen für Ärzte und Patienten der größte Antrieb. Denn wenn Phasenkontraströntgen in der Praxis funktioniert – und davon sind alle Kooperationspartner überzeugt – könnte es der Diagnostik völlig neue Möglichkeiten eröffnen.