Die Röntgen-Revolution

Der Unterschied zwischen den beiden Bildern, die Franz Pfeiffer stolz präsentiert, sticht sofort ins Auge: Während sich auf dem einen Bild – der normalen Röntgenaufnahme eines Rattenherzens – nur schemenhaft die Umrisse des Organs erkennen lassen, zeigt die andere Aufnahme feine Details wie Arterien, Venen und Umrisse der Herzkammern. Erstellt wurde dieser Schnappschuss mithilfe einer neuen Aufnahmetechnik: dem sogenannten Phasenkontrast-Röntgen. „Im Gegensatz zum klassischen Röntgen, das darauf basiert, dass elektromagnetische Wellen von dem durchleuchteten Objekt geschluckt – im Fachjargon: absorbiert – werden, misst man bei diesem Verfahren eine Verschiebung”, bringt Pfeiffer es auf den Punkt. „Man nutzt die Tatsache, dass sich die Ausbreitungsrichtung des Röntgenlichts leicht verändert, wenn es einen Körperteil durchdringt.”

Der 36-jährige, im Frühjahr 2009 als Professor an die Technische Universität München berufene Physiker und sein Fachkollege Christian David vom Paul-Scherrer-Insitut (PSI) im schweizerischen Villigen haben diesen Effekt erstmals bei Röntgenuntersuchungen eingesetzt. Er lässt sich mit sichtbarem Licht leicht nachvollziehen: Die Luftblasen in einem mit Wasser gefüllten Glas sind keineswegs unsichtbar, obwohl Wasser und Luft einen gleich großen Anteil des Lichts absorbieren – und daher eigentlich gleich hell erscheinen sollten. Doch jede einzelne Luftblase ist sichtbar. Der Grund: Das Licht wird gebrochen, sobald es vom Wasser in die Luft übertritt. Dabei verschiebt sich die Phase des Lichts: die zeitliche Abfolge und räumliche Verschiebung seiner Wellenberge und Wellentäler. Das macht die Luftblasen sichtbar.

Drei Millionen Euro investiert

„Das neue Röntgenverfahren, das auf diesem physikalischen Effekt aufbaut, ist revolutionär”, urteilt Eckhard Hempel, Leiter Innovation der Computertomographie bei Siemens Healthcare in Erlangen. Mit Unterstützung des Bundesforschungsministeriums investiert der Medizingerätehersteller drei Millionen Euro, um das Phasenkontrast-Röntgen für die Diagnose von Krankheiten mittels Computertomographen weiterzuentwickeln. Bislang müssen sich Mediziner in Kliniken und Arztpraxen mit klassischen Röntgenbildern begnügen. Die zeigen etwa ein gebrochenes Schlüsselbein als weißes Objekt vor dunklem Hintergrund. Der Knochen erscheint auf dem belichteten Film weiß, weil sein dichtes Material das Röntgenlicht größtenteils schluckt, während die umgebenden Muskeln und Blutgefäße die Strahlung fast ungehindert durchlassen. Das geschulte Auge eines Arztes kann auch wenig auffällige Veränderungen an Knochen wahrnehmen, und für einen Radiologen ist selbst die Feinstruktur des Gewebes im Gehirn sichtbar. Dennoch: Eine herkömmliche Röntgenaufnahme zeichnet bloß ein recht diffuses Bild, weil die Unterschiede bei der Absorption von Röntgenstrahlung durch verschiedene organische Materialien gering sind.

Trotz dieser Schwäche sind Röntgenuntersuchungen aus der medizinischen Diagnostik längst nicht mehr wegzudenken. Keinem anderen abbildenden Verfahren gelang ein vergleichbarer Siegeszug. Der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen erkannte im November 1895 erstmals die Wirksamkeit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlen. Schon etwa einen Monat später probten Ärzte die erste medizinische Untersuchung mit dem energiereichen Licht – und 1901 erhielt Röntgen für seine Entdeckung den ersten Nobelpreis für Physik. Inzwischen weiß man allerdings auch um das Krebsrisiko, das mit häufigen Röntgenuntersuchungen verbunden ist. Daher suchen Forscher weltweit schon seit Jahrzehnten nach Möglichkeiten, das Röntgenlicht so zu nutzen, dass es aufschlussreichere Bilder mit mehr Details liefert und gleichzeitig den Körper weniger belastet.

Pfeiffer und David beteiligten sich an dieser Suche. Fündig wurden die beiden Wissenschaftler, die bis vor Kurzem gemeinsam am PSI, dem schweizerischen Forschungszentrum für Natur- und Ingenieurwissenschaften, arbeiteten, in Grenoble. An der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), einer großen, von internationalen Forscherteams genutzten Synchrotron-Strahlungsquelle, fanden die Physiker ideale Voraussetzungen, um eine neuartige Methode zu entwickeln, mit der sich das Röntgenlicht präziser und schonender als bisher einsetzen lässt. In einem ringförmigen Tunnel von 844 Meter Umfang sausen an der ESRF Elektronen mit fast Lichtgeschwindigkeit im Kreis – und liefern dabei ein „ Super-Röntgenlicht”: sehr „reine” Röntgenstrahlung aus einer fast punktförmigen Quelle, deren elektromagnetische Wellen sich parallel und phasengleich ausbreiten – beste Bedingungen für Materialanalysen.

Dafür entwickelte Christian David im Labor für Mikro- und Nanotechnologie des Paul-Scherrer-Instituts seit 2001 spezielle Röntgenoptiken. Sie bestehen aus feinen, regelmäßig strukturierten Gittern, mit denen selbst geringe Ablenkungen des Röntgenlichts messbar sind. „Zunächst war es bloß ein Gedankenspiel”, erinnert sich David: „Was wäre, wenn wir solche Gitter nutzen würden, um kontrastreichere Röntgenbilder zu erhalten?” Die Ablenkung der Röntgenstrahlen für diagnostische Untersuchungen zu verwenden, versprach ein viel detailliertes Abbild von Körper- oder Werkstoffstrukturen als mit herkömmlichem Röntgen. Denn die Differenz in der Ablenkung durch unterschiedlich dichtes Gewebe ist hundert Mal größer als die unterschiedliche Absorption in weichem und hartem Material.

Als Pfeiffer 2003 an diesem Thema zu forschen begann, experimentierte David bereits an der Synchrotronquelle in Grenoble mit einem Beugungsgitter aus Silizium. Darin hatte er Schlitze mit wenigen Mikrometern Breite geritzt. Das Gitter teilt die einfallenden Röntgenstrahlen in zwei Teilwellen auf, die sich überlagern. Die dabei entstehende Interferenz – die teilweise Verstärkung oder Schwächung des überlagerten Röntgenlichts – wird durch ein zweites Analysatorgitter aus Goldstegen sichtbar. Treffen die elektromagnetischen Wellen auf die Goldstege, werden sie absorbiert. Treffen sie in die Schlitze zwischen den Stegen, überlagern und intensivieren sie sich. Hinter dem Analysatorgitter registriert ein digitaler Detektor das Interferenzbild, das als Referenz für die Untersuchung von Materialproben dient.

Blick durchs Gitter

Das Muster der Interferenz verändert sich im Vergleich zum Referenzbild, wenn das Röntgenlicht ein Objekt durchdringt. Die Wellen werden darin abgelenkt und passieren daher unter einem etwas anderen Winkel die Gitter, die diese schwache Phasenverschiebung zwischen Messung und Referenz verstärken. Der Bilddetektor zeichnet die Differenz – den Kontrast – zwischen dem Referenzbild und der durchleuchteten Abbildung auf. Daher sprechen Experten von Phasenkontrast-Röntgen. Die Gitter mit ihren winzigen, aber hochpräzise angefertigten Strukturen sind die Schlüsselelemente des Verfahrens. Weil die Ablenkung des kurzwelligen Röntgenlichts bloß etwa ein Tausendstel Grad beträgt – viel weniger als sichtbares Licht in einer entsprechenden Versuchsanordnung abgelenkt würde –, zeichnen die Forscher mehrere, meist vier Abbildungen nacheinander auf. Dabei sind die Gitter jeweils leicht zueinander verschoben, das erhöht die Messgenauigkeit.

Mit dem intensiven und reinen Röntgenlicht aus der Synchrotron-Quelle gelang es Pfeiffer und David, die Muskeln eines kleinen Rattenherzens mit seinen großen Blutgefäßen wie Aorta und Lungenarterie klar abzubilden. Außerdem verblüfften die beiden Forscher die Fachwelt mit der dreidimensionalen Darstellung eines Rattenhirns, auf der sich die graue und die weiße Subtanz des Gehirns sowie das Gewebe eines Tumors deutlich gegeneinander abzeichnen. Dadurch ließ sich exakt bestimmen, wo der Tumor liegt und welche Ausmaße er hat.

„Als wir sahen, wie gut das funktioniert, beschlossen wir, es auch einmal mit einer gewöhnlichen Röntgenröhre zu versuchen”, sagt Pfeiffer. Diese, so die Idee, würde enorme Vorteile bringen: Zum einen ließen sich damit auch größere Objekte wie menschliche Körperteile kontrastreich durchleuchten. Zum anderen würden erst die kompakten und relativ preisgünstigen Röhren einen breiten Einsatz in kommerziellen medizinischen Geräten ermöglichen. Allerdings: Eine Röntgenröhre hat gegenüber dem makellosen, punktuell erzeugten Licht aus einem Synchrotron deutliche Nachteile. So strahlt das Licht aus der Röhre nicht phasengleich. Das macht es fast unmöglich, die Ablenkung der Strahlen zu messen. Hinzu kommt das Problem, dass die Strahlen das Objekt aus unterschiedlichen Richtungen durchleuchten.

Versuche im Keller

Als Pfeiffer und David 2004 begannen, sich mit dem Phasenkontrast-Röntgen zu beschäftigen, hatte Siemens als führender Hersteller von Röntgengeräten gerade eine umfassende Studie dazu abgeschlossen – mit negativem Ausgang: Der Konzern beschloss, das Ziel, dieses Röntgenverfahren in Kliniken zu nutzen, nicht weiter zu verfolgen, weil es dafür keine Technik gebe. Dabei hatten Pfeiffer und David in Villigen bereits die ersten Schritte zur Realisierung einer solchen Technik unternommen, etliche Gespräche geführt und Skizzen ausgetauscht. Auf dem Papier stellte David ein weiteres Gitter vor die Röntgenröhre. Dieses dritte Gitter müsste die Wellen der Röntgenröhre so ausrichten, dass die Verschiebung der Phasen quantifizierbar wäre, war der Forscher überzeugt. Gemeinsam mit Pfeiffer begann er, eine theoretische Beschreibung zu erarbeiten und die erforderlichen Bildverarbeitungs-Algorithmen zu entwickeln.

Doch den beiden PSI-Wissenschaftlern fehlten das nötige Forschungsgeld für den Kauf einer Röntgenröhre und die Räumlichkeiten, um einen Messplatz aufzubauen. Deshalb trieben sie ihre Arbeiten auf eigene Faust voran. Ein Forscherkollege an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich überließ ihnen eine ausrangierte Röntgenröhre, die Pfeiffer und David in einem kleinen Labor im zweiten Untergeschoss des Villiger Forschungszentrums aufbauten. Die drei Gitter richteten sie in Reih und Glied entlang des Strahlenverlaufs aus. Ein Jahr lang war das ihr „Geheimlabor”: Tagsüber forschten die Physiker am großen Synchrotron-Ring des PSI, abends und nachts starteten sie im Keller die ersten Versuche mit der Röntgenröhre.

Nach einer langen Nachtschicht rekonstruierte Pfeiffer die erste Abbildung mit der Phasenkontrast-Technologie aus den Messdaten: Sie zeigte blass und schemenhaft die Konturen geröntgter Kunststoff-Kügelchen. „Anfangs haben wir viele Fehler gemacht”, meint Pfeiffer. „Doch die Experimente an der Synchrotron-Lichtquelle haben uns geholfen, genau zu verstehen, wie wir die Messungen anstellen müssen, um mit einer normalen Röntgenröhre die bestmöglichen Resultate zu erzielen.” Eine Erkenntnis war: Das dritte Gitter muss die Strahlen so geschickt ausblenden, dass nur Licht am Objekt ankommt, das effektiv zum Phasenkontrast beiträgt. Bald danach gelang es den Forschern, mithilfe ausgeklügelter mathematischer Algorithmen kontrastreiche Bilder zu erstellen.

Eckhard Hempel von Siemens Healthcare war dabei, als Pfeiffer 2006 als erstes Phasenkontrast-Röntgenbild die Aufnahme eines Roten Neon-Zierfischs präsentierte – mit klar erkennbaren Flossen, Augen und den für Fische typischen Gehörsteinchen. Hempel reagierte umgehend: „Wir haben sofort das Potenzial des Verfahrens erkannt und eine Kooperation mit Pfeiffer und David aufgebaut.” Mithilfe immer besserer Auswertungsalgorithmen gelang es dem Team bald, komplex aufgebaute Materialien wie die porösen Knochenstrukturen im Inneren des menschlichen Schenkelhalses abzubilden – die Knochenbälkchen oder Spongiosa.

Diese Strukturen verhalten sich wie eine Milchglasscheibe, die nur diffuses Licht durchlässt: Sie winkeln die Röntgenwellen in verschiedene Richtungen ab, sodass die digitale Kamera nur ein schwammiges und dunkles Bild aufnimmt. Zunächst ärgerten sich die Forscher darüber, dass trotz der drei Gitter ein Phasenkontrast kaum wiederzugeben war. Doch dann machte sich Pfeiffer daran, den störenden Effekt selbst als Bildsignal zu nutzen. Damit schuf er die Basis für die sogenannte Dunkelfeldbildgebung mit Röntgenstrahlen. Dabei wird das am Objekt vorbeigehende Röntgenlicht ausgeblendet und nur das schwache von den Strukturen gestreute Licht aufgefangen.

Kontrastmittel überflüssig

Mit diesem Trick dürfte es bald möglich sein, erste Anzeichen eines Knochenschwunds, der Osteoporose, auf dem Röntgenbild zu erkennen. Denn bei einer Osteoporose nimmt die Porosität der Knochen allmählich zu: Die Poren werden größer und die Knochenbälkchen dazwischen immer dünner. Pfeiffer preist die Vielseitigkeit des neuen Verfahrens: „Das Spektrum der möglichen Anwendungen ist unglaublich groß.” Man kann die Methode zur Früherkennung von Alzheimer anhand von Veränderungen im Gehirn einsetzen oder in der Mammographie. Um im weichen Brustgewebe die Knotenbildung frühzeitig aufspüren und richtig interpretieren zu können, benötigen die Ärzte beim herkömmlichen Röntgen eine hohe Strahlendosis. Mit der Phasenkontrast-Röntgentechnik ist die Belastung deutlich geringer, und auch auf ein Kontrastmittel kann man verzichten. Diese Chemikalie, die bislang unentbehrlich ist, um weiches Gewebe und Blutgefäße zu röntgen, vertragen viele Patienten nicht.

Auch außerhalb der Medizin öffnen Dunkelfeld- und Phasenkontrast-Röntgen die Tür zu diversen neuen Anwendungen. So könnte das Verfahren die Sicherheit an Flughäfen verbessern: Der Sprengstoff Semtex und normaler Käse lassen sich wegen ihres ähnlich dichten Materials in einem normalen Röntgenbild nicht unterscheiden. Das gibt Terroristen die Chance, den Sprengstoff als Lebensmittel getarnt an Bord zu schmuggeln. Wenn aber das Gepäck mithilfe der drei Gitter und einer Dunkelfeldaufnahme gefilzt würde, ergäbe Käse ein deutlich dunkleres Bild. Denn sein homogenes Material lenkt Röntgenlicht beim Durchleuchten gleichmäßig ab. Der Sprengstoff dagegen generiert ein fast weißes Bild, weil sein polykristallines Material die Wellen in verschiedene Richtungen zerfließen lässt.

David und Pfeiffer haben sich ihre beiden Verfahren patentieren lassen. David setzt sein Wissen am Paul-Scherrer-Institut für die Weiterentwicklung von Röntgenverfahren ein. Pfeiffer, der im Januar für seine Arbeit mit dem Latsis-Preis – dem bedeutendsten Wissenschaftspreis der Schweiz – ausgezeichnet wurde, baut an der TU München ein biomedizinisches Labor auf. Sein Ziel: die Technologie fit für den Einsatz in Krankenhäusern zu machen. Dazu arbeitet der Physiker mit Industrieforschern bei Siemens zusammen. „Wenn alles optimal läuft”, sagt Siemens-Mann Hempel, „werden wir in drei Jahren den ersten Prototyp eines Phasenkontrast-Computertomographie-Geräts für die klinische Anwendung haben.” ■

Christian Bernhart, Wissenschaftsjournalist in Bern/Schweiz, berichtet am liebsten über Techniken, die dem Menschen direkt nutzen.

von Christian Bernhart