Medizin – Bildgebende Verfahren
Flüge durch den Körper
Mit ausgefeilten Bildgebungsverfahren lassen sich immer mehr Krankheiten erkennen, ehe sie richtig ausbrechen. Und der virtuelle Blick ins Körperinnere macht manchen operativen Eingriff überflüssig.
Bildgebende Verfahren ermöglichen faszinierend detaillierte Blicke in den Körper. Sie sind daher für die Früherkennung unabdingbar. Der neue Computertomograph SOMATOM® Sensation 16 etwa stellt das arterielle Gefäßsystem in nur 20 Sekunden dreidimensional dar. In diesem Fall weist der Patient stark verkalkte Arterien auf
Wer weiß – vielleicht wird dieses Jahrhundert als das Jahrhundert der Vorsorge- und Früherkennungsmedizin in die Geschichte eingehen. Bildgebende Verfahren ermöglichen den Ärzten faszinierend detaillierte Blicke in den Körper – ohne dass die Patienten auch nur berührt werden müssen. Mit Magnetresonanz- und Computertomographie analysieren Mediziner den Zustand von inneren Organen, Knochen oder Blutgefäßen. Ultraschallwellen liefern dreidimensionale Bilder von Kindern im Mutterleib. Das Ziel der Entwickler ist es, all diese Geräte noch schneller zu machen und ihren Blick zu schärfen, um Krankheiten noch sicherer und früher aufzuspüren.
Wie weit sich die Perfektionierung moderner Untersuchungsgeräte treiben lässt, hat ein Team von Wissenschaftlern und Entwicklern um Dr. Bernd Ohnesorge gezeigt. Die Siemens-Experten aus dem Bereich Medical Solutions in Forchheim bei Erlangen haben ein neues computertomographisches Verfahren entwickelt, das gestochen scharfe, dreidimensionale Bilder des schlagenden Herzens schießt (siehe Bild unten). Damit können Ärzte z.B. Ablagerungen in den Herzgefäßen und gefährliche Engstellen erkennen – mögliche Ursachen für einen Herzinfarkt. Bislang ist eine solche Inspektion üblicherweise mit einer unangenehmen Kathetereinführung verbunden. Sie ist nötig, damit bei gleichzeitiger Aufnahme von Röntgenbildern ein Kontrastmittel ins Herz gespritzt werden kann. Mit dem neuen Verfahren bleibt dem Patienten dieser Eingriff erspart.
Blick ins Herz – ohne Katheter: Die von Richard Hausmann, Thomas Flohr und Bernd Ohnesorge (v.l.n.r.) entwickelte "Heart View Computertomographie" kann Bewegungen des schlagenden Herzens virtuell einfrieren. Sie liefert Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 0,5 mm. Damit können Ärzte selbst kleinste Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen und gefährliche Engstellen erkennen – mögliche Ursachen für einen Herzinfarkt
Generell besteht ein Computertomograph (CT) aus einem Ring von etwa eineinhalb Metern Durchmesser, der so genannten Gantry, auf dem gegenüberliegend eine Röntgenröhre und ein Röntgendetektor angebracht sind. Zur Untersuchung wird der Patient auf einer Liege durch den Ring geschoben, während die Gantry in schneller Rotation um ihn kreist und seinen Körper mit fokussierten Röntgenstrahlen durchleuchtet. So entstehen in wenigen Sekunden dünne Schnittbilder, die der Computer zu einer "lebensechten" Grafik zusammensetzt.
Bis vor wenigen Jahren verfügten CT nur über einen einzigen Detektor. Pro Umdrehung entstand damit nur ein Schnittbild. Dann folgte die Einführung so genannter Mehrschichtgeräte, bei denen zumeist vier Detektoren nebeneinander liegen. Der Vorteil: Pro Umdrehung entstehen mehrere Schnitte, so dass im selben Zeitraum ein breiterer Körperbereich abgebildet wird.
Die Experten um Ohnesorge bedienten sich zur Entwicklung ihres "Heart View CT" der neusten CT-Generation – des Siemens-Geräts SOMATOM Sensation 16, das sogar über 16 Detektoren verfügt. Bei diesem Modell rotiert der Ring in nur 400 ms einmal um den Körper. Erst dadurch wird es möglich, das Herz scharf abzubilden. Immerhin pumpt das Organ sehr schnell. Es bedarf also einer extrem kurzen Belichtungszeit, um seine Bewegungen fotografisch einzufrieren. Genau das ist den Siemens-Forschern jetzt geglückt. Sie koppelten die Bildverarbeitungssoftware mit einem EKG, das die Herzbewegungen aufzeichnet. Dadurch wurde es möglich, nur jene Bilddaten zur Bildberechnung heranzuziehen, die in der etwa 150 ms langen Ruhephase des Herzens aufgenommen werden.
3D-Aufnahmen in nur 20 Sekunden. "Unsere Technik hat gegenüber der Konkurrenz derzeit einen Entwicklungsvorsprung von gut einem Jahr", konstatiert Ohnesorge. Eine komplette dreidimensionale Abbildung des Herzens mit einer räumlichen Auflösung von 0,5 mm entsteht mit dem System in nur 20 Sekunden. Dabei fällt eine Datenmenge von etwa 1 Gbyte an – genug Information, um zwei CD-ROM zu füllen.
Ein wesentlicher Vorteil des Heart View CT ist die Tatsache, dass es ohne direkten Eingriff in den Körper auskommt. Patienten, die über Herzbeschwerden klagen und für eine Untersuchung mit dem CT in Frage kommen, können schnell ambulant untersucht werden und müssen nicht mehr stationär im Krankenhaus bleiben. Hier liegt ein enormes Kosteneinsparpotenzial. "Aber auch in der Prävention kann die neue Methode eine wichtige Rolle spielen", sagt Ohnesorge. Zwar erreichen Ärzte mit dem Herzkatheter räumliche Auflösungen von sogar 0,25 mm, "dennoch kann der Katheter Ablagerungen kleiner Art in den Blutgefäßen nur schlecht erkennen. Das wiederum schafft die CT." Gerade die Ablagerungen in den Gefäßwänden, so genannte Plaques, können besonders gefährlich sein. Lösen sie sich von den Wänden, können sie zu lebensgefährlichen Verstopfungen führen. Das Heart View CT erkennt die Plaques schon in einem frühen Stadium, weil es dank der Röntgentechnik nicht nur ins Innere der Blutgefäße, sondern sogar direkt in die Gefäßwand schauen kann. Ohnesorge: "In Deutschland werden pro Jahr etwa eine halbe Million Herzkatheteruntersuchungen durchgeführt; davon ist rund die Hälfte rein diagnostisch. Hier kann die CT in vielen Fällen eine sinnvolle Alternative sein." Der Jury des vom Bundespräsidenten vergebenen Deutschen Zukunftspreises erschien die Technik deshalb so vielversprechend, dass sie die Entwickler des Heart View CT im Jahr 2002 für die Endausscheidung nominierte.
Patientenfreundlich: Der Computer-animierte Flug durch den Darm
Die Experten aus Forchheim sehen in Vorsorgeuntersuchungen von Risikopatienten ein wichtiges Einsatzgebiet ihrer neuen Technik. "Sicherlich muss nicht jeder Mensch gleich per CT untersucht werden, das könnte ja niemand bezahlen", sagt Dr. Thomas Flohr, der das System gemeinsam mit Ohnesorge und seinem Kollegen Dr. Richard Hausmann entwickelt hat. Es sei sinnvoll, den Kreis der Risikopatienten zunächst einzuengen, beispielsweise durch Blutuntersuchungen und gezielte Erfassung der Lebensweise – des Tabakkonsums oder der Trink- und Essgewohnheiten etwa. "All jene, denen schließlich ein erhöhtes Krankheitsrisiko attestiert wird, können dann relativ schnell mit dem Heart View CT untersucht werden."
Digitale Mammographie. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind bei deutschen Männern die häufigste Todesursache. Frauen im Alter zwischen 35 und 55 Jahren sterben in Deutschland am häufigsten an Brustkrebs. Seit mehreren Jahren wird deshalb Frauen ab etwa Mitte dreißig eine regelmäßige Vorsorgeuntersuchung empfohlen: Bei den so genannten Mammographien wird die Brust mit schwacher Röntgenstrahlung durchleuchtet. Dabei wird sie zwischen zwei Platten zusammengedrückt, damit sich das Gewebe in seiner Gesamtheit deutlicher abbildet (siehe auch Insert Mammographie im Interview "Mit Screenings Leben retten"). 3,5 Millionen solcher Untersuchungen gibt es jährlich allein in Deutschland. Der größte Teil der Mammographien entsteht heute nach wie vor mit dem klassischen Röntgenverfahren. Dabei belichtet das Gerät einen Röntgenfilm, der für die Diagnose zunächst entwickelt werden muss. Seit einigen Jahren hält aber auch hier die Digitaltechnik Einzug. Siemens bietet beispielsweise den DIGISCAN® M an. Ein System, bei dem nicht Röntgenfilme in die Aufnahmekassette geschoben werden, sondern Phosphorspeicherplatten, die bis zu 4000-mal wiederverwendbar sind.
Nach der Bestrahlung werden die Platten mit einem Lesegerät in ein digitales Bild umgewandelt. Das hat den Vorteil, dass die Filmentwicklung entfällt. Der Arbeitsprozess auf der radiologischen Station wird dadurch wesentlich beschleunigt. Zudem können die Aufnahmen bequem im Computer archiviert werden.
Angesichts solcher Vorteile steht für Rüdiger Schulz-Wendtland fest, "dass die Zukunft der Radiologie auch in der Mammographie digital ist". Ein weiterer Vorzug der Digitaltechnik besteht nach Ansicht des Professors für Gynäkologische Radiologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen darin, dass sich damit doppelte Röntgenaufnahmen vermeiden lassen. "Zeigt sich beim klassischen Verfahren auf einem Bild eine verdächtige Struktur, wird der betreffende Bereich häufig ein zweites Mal in höherer Auflösung geröntgt. Das verdoppelt die Strahlenbelastung und den Arbeitsaufwand." Derartige Spot-Mammographien sind beim digitalen Verfahren oftmals nicht nötig, weil am Bildschirm Kontraste beliebig verstärkt und verdächtige Bildbereiche herangezoomt werden können.
Im Herbst dieses Jahres wird Siemens einen weiteren Schritt in die digitale Zukunft gehen. Mit dem MAMMOMAT® NovationDR wird ein digitaler Flachbild-Detektor auf den Markt kommen, der ohne Speicherfolie auskommt und mit einem Empfängersystem aus amorphem Selen ausgestattet ist. Selenbasierte Flachbild-Detektoren wandeln Röntgenlicht auf direktem Weg in elektrische Signale und somit in digitale Bilder um. Bei den Speicherfolien muss hingegen zunächst die Phosphorschicht durch Laserlicht im Lesegerät aktiviert werden. Durch diesen Zwischenschritt kommt es zu gewissen Datenverlusten. Der MAMMOMAT NovationDR arbeitet wesentlich effizienter. Dadurch erhöht sich nochmals die Bildqualität.
Die vierte Dimension des Ultraschalls
3D-Bild eines 23 Wochen alten Fötus
Die meisten Ultraschallsysteme arbeiten heute mit zweidimensionalen Bildern, manche liefern sogar räumliche 3D-Bilder – allerdings statische. Das neue 4D-Imaging, das Siemens-Forscher aus Princeton, USA, entwickelt haben, eröffnet der Ultraschall-Bildgebung eine neue Dimension: die zeitliche Abfolge. Bewegungen werden als schnelle Sequenz von 3D-Bildern dargestellt. Ärzten steht damit ein optimales Werkzeug zur Verfügung, mit dem sie etwa das Alter eines Fötus bestimmen sowie Fehlbildungen der Wirbelsäule und des Rückenmarks (Spina bifida) oder Gaumenspalten feststellen können. Die werdende Mutter kann die Bewegungen des Babys in ihrem Körper mitverfolgen. Das Verfahren könnte zudem Bilder des Bauchraums, der Gefäße und des weiblichen Unterleibs während der Geburt liefern.
Die Echtzeit-Darstellung von 3D-Daten der neuesten Ultraschallwandler von Siemens erfordert allerdings die Verarbeitung riesiger Informationsmengen. Dafür haben die Forscher einen Algorithmus entwickelt und zum Patent angemeldet, der aus den Rohdaten mit 30 Bildern pro Sekunde 3D-Bilder erzeugen und darstellen kann. In der Rekordzeit von nur fünf Monaten wurde ein Software-Modul entwickelt, das sich in das Sonoline Antares Ultraschallsystem von Siemens integrieren lässt. Kunden können bereits vorhandene Systeme leicht und einfach aufrüsten. Unter dem Namen fourSight wurde die neue Technologie anlässlich des Jahrestreffens der Radiological Society of North America im Dezember 2002 vorgeführt. Sie wird voraussichtlich ab 2004 auf dem Markt erhältlich sein.
Arthur F. Pease
Berührungslose Darmspiegelung. Doch selbst wenn die Technik noch so leistungsfähig ist – eine professionelle Vorsorge- und Früherkennungsmedizin ist nur dann möglich, wenn die Bevölkerung mitspielt. Dass das nicht immer der Fall ist, machte in den vergangenen Monaten eine Kampagne zur Darmkrebsvorsorge in Deutschland deutlich. Auf Plakaten warben Prominente für die Darmspiegelung – einen unpopulären medizinischen Eingriff, der schmerzhaft sein kann, aber durchaus sinnvoll ist. Darmkrebs gilt zugleich als heimtückisch und gutmütig: heimtückisch, weil er im Spätstadium kaum heilbar ist und gutmütig, weil er sich Zeit lässt. Zwischen den ersten Vorzeichen und dem Ausbruch der Krankheit liegen oftmals Jahre. Doch viele scheuen den Gang zum Arzt – mit verheerenden Folgen: Darmkrebs ist nach dem Lungenkrebs die zweithäufigste Tumorart in Deutschland. Jährlich trifft es 50 000 Menschen. Bei 30 000 endet die Krebserkrankung tödlich; und das, obwohl bei rechtzeitiger Behandlung 90 % aller Patienten gerettet werden könnten.
Um der Darmspiegelung (Koloskopie) den Schrecken zu nehmen, haben Forscher von Siemens Corporate Research in Princeton, USA, zusammen mit Siemens Medical Solutions und den Universitätskliniken Essen und Münster die Virtuelle Koloskopie entwickelt, ein berührungsloses Verfahren, mit dem sich der ganze Darm in nur zehn Sekunden abbilden lässt. Ärzte können sich damit auf einen computeranimierten Flug durch den Darm begeben. Im Gegensatz zur klassischen Methode muss bei dieser Untersuchungsart keine Endoskopkamera eingeführt werden. Die Bilder werden stattdessen von einem Magnetresonanz-Tomographen oder einem Computertomographen erzeugt. Anders als der Computer- verwendet der Magnetresonanz-Tomograph keine Röntgenstrahlung, sondern ein starkes Magnetfeld.
Nach der zehn Sekunden langen Datenaufnahme heben der Rechner die kontrastreichen Stellen hervor. Polypen werden so erkennbar. Diese Wucherungen in der Darmschleimhaut sind erste Anzeichen einer möglichen Krebserkrankung. Aus ihnen können sich bösartige Karzinome entwickeln. "Anders als das klassische Verfahren hat die virtuelle Koloskopie eine hohe Akzeptanz bei den Patienten", sagt Dr. Christoph Zindel, Arzt und Marketing-Manager bei Siemens Medical Solutions in Erlangen. Um in der Bevölkerung die Bereitschaft zur Darmspiegelung zu erhöhen, könne das förderlich sein.
Strittig ist derzeit noch, welches Verfahren am besten für die Früherkennung geeignet ist. Nach Ansicht von Zindel hat die Magnetresonanz-Tomographie den Vorzug, ohne Röntgenstrahlung auszukommen. Die Computertomographie hingegen nimmt Bilder schneller auf, was vorteilhaft ist, weil sich der Darm ständig bewegt.
Rheuma per Infrarot erkennen.Während manch ein Experte darüber philosophiert, welches Verfahren das beste ist, wären andere Mediziner froh, wenn ihnen nur eine einzige Methode zur Verfügung stünde, mit der sie schnell zuverlässige Daten über den Zustand ihrer Patienten erhielten. So hoffen die Ärzte etwa auf ein Verfahren, um die chronische Polyarthritis (Gelenkrheuma) möglichst früh zu erkennen. Als gesichert gilt, dass 70 % der Betroffenen bereits in den ersten zwei Jahren ihrer Erkrankung irreversible Veränderungen an Hand- und Fußgelenken erleiden. Mit den gängigen Verfahren ist die Erkrankung in diesem Zeitraum nicht diagnostizierbar. Eine Methode, mit der sich der Krankheitsverlauf bereits im frühen Krankheitsstadium überwachen lässt, ist also von großer Bedeutung.
Ein neues Verfahren zur Rheumadiagnose per Infrarotlicht. Kranke Gelenke (links oben) beeinhalten eine trübe Flüssigkeit, die das Laserlicht stark streut (heller Bereich) – ganz anders hingegen bei gesunden: Sie weisen nur eine geringe Lichtstreuung auf (links unten)
In Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin, der Charité Berlin und der Universität Göttingen hat Siemens deshalb den Prototyp eines Infrarot-Scanners entwickelt, mit dem sich rheumatische Erkrankungen früh und unkompliziert erkennen lassen. Dazu werden die Fingergelenke der Probanden mit Infrarot-Licht durchstrahlt, das von einem Detektor auf der anderen Seite des Fingers aufgenommen wird. Dabei wird ermittelt, wie stark die Flüssigkeit im Gelenkspalt getrübt ist. Bei gesunden Menschen ist die Flüssigkeit klar. Im Verlauf der Krankheit lagern sich im Spalt aber Eiweiße und Gewebeteile ab. Die Flüssigkeit wird trüb, das infrarote Laserlicht gestreut und die krankhafte Veränderung im Detektor quantitativ erfasst.
Aufgabe der Forscher um Dr. Volker Tresp, Bioinformatiker bei Siemens Corporate Technology in München, war es, die verschiedenen Messparameter zu verknüpfen. Neuronale Netze verrechnen die Parameter wie etwa Helligkeit oder Streuverhalten miteinander und generieren daraus den Befund: "Zustand hat sich verbessert" – "Zustand hat sich verschlechtert". Die Messergebnisse fließen automatisch in Datenverarbeitungsprogramme ein. Das erleichtert die Arbeitsabläufe. So liefert das Programm bei Untersuchungen im wöchentlichen Rhythmus automatisch eine Übersicht oder Grafik zum Krankheitsverlauf. Die Wirksamkeit eines Medikaments lässt sich so direkt ablesen – eine vielversprechende Aussicht. Immerhin sind von der chronischen Polyarthritis nach Angaben der Deutschen Rheumaliga bundesweit rund 500 000 Menschen betroffen – nicht nur ältere Menschen, sondern auch Kinder.
Rheuma-Scanner, Computer- und Magnetresonanz-Tomographie, Mammographie und Koloskopie – keine Frage, die Vorsorgemedizin ist bereits heute vielfach in der Lage, krankheitsbedingte Veränderungen im Körper frühzeitig zu erkennen und dementsprechend schnell einzugreifen. So können Millionen von Menschen vor Schlimmerem bewahrt werden. Und die derzeitigen Entwicklungen deuten darauf hin, dass Ärzte in den kommenden Jahren mit digitaler Unterstützung manch andere Krankheit in den Griff bekommen werden. Vielleicht geht ja in Zukunft tatsächlich der Wunsch in Erfüllung, dass alte Menschen gesund sterben mögen.
Tim Schröder