Mathematik dämpft die Röntgendosis

Die Computertomografie (CT) gibt detailreiche Einblicke in den Körper. Sie zeigt Knochenstrukturen, Tumore und auch feine Äderchen. Ärzte können mit dem rechnergestützten Verfahren viele Krankheiten schnell und zuverlässig diagnostizieren. Doch die Methode hat einen großen Nachteil: Die für CT-Aufnahmen genutzte Röntgenstrahlung kann Krebs erzeugen. Und das Risiko steigt mit der Strahlendosis. Daher gilt in der Radiologie das Gebot, die Patienten nur so viel Strahlung auszusetzen, wie für die medizinische Untersuchung unbedingt nötig ist.

Doch die brillanten Bilder verführen zu mehr – und so steigt die Zahl der CT-Untersuchungen trotz des Risikos seit Jahren stetig: Laut Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) in Salzgitter hat sie sich in Deutschland seit Mitte der 1990er-Jahre verdoppelt. Die Computertomografie macht zurzeit zwar nur sechs Prozent aller Röntgenuntersuchungen aus, ist aber für mehr als die Hälfte der gesamten medizinisch verursachten Strahlenexposition der Bevölkerung verantwortlich. Diese liegt laut BfS rein rechnerisch bei einer effektiven Dosis von durchschnittlich 1,8 Millisievert pro Einwohner – das ist etwa genauso hoch wie die mittlere Belastung durch die natürliche Strahlung aus der Umwelt.

Hilfreich für Krebspatienten

Einfach die applizierte Dosis bei CT-Untersuchungen zu reduzieren, um die Strahlenbelastung zu verringern, bringt nichts, denn dadurch verschlechtert sich die Qualität der Aufnahmen. Doch neue Geräte, die seit Kurzem auf dem Markt sind, könnten den Trend zu immer mehr medizinischer Strahlung umkehren. Denn sie ermöglichen es, hochaufgelöste und kontrastreiche Aufnahmen mit weit weniger Röntgenstrahlung als bisher zu erstellen. Die Voraussetzung dafür sind Anlagen mit einer hohen Rechenleistung und ein trickreiches mathematisches Verfahren, um die Messdaten in aussagekräftige Bilder zu verwandeln. Die Strahlendosis lässt sich dadurch gegenüber herkömmlichen CT-Geräten auf rund die Hälfte senken. Profitieren können davon vor allem Patienten, die etwa unter Krebs oder Mukoviszidose leiden – und deshalb häufig per Computertomografie untersucht werden müssen.

Das Berechnungsverfahren, das den Fortschritt ermöglicht, ist an sich nicht neu: Die „iterative Rekonstruktion” wird bereits seit etlichen Jahren in der Nuklearmedizin eingesetzt, zum Beispiel bei der Positronen-Emissionstomografie (PET). Bei der Computertomografie scheiterte die technische Realisierung bislang an der enormen Datenmenge, die bei jeder Untersuchung anfällt: Die CT liefert rund zehn Mal so viele Daten pro Bild wie ein PET-Scan. Zugleich werden weitaus mehr Bilder pro Untersuchung erstellt.

Wegen dieser Datenflut braucht die iterative Rekonstruktion bis zu 30 Mal so viel Rechenleistung wie das bisher gebräuchliche Verfahren der gefilterten Rückprojektion. Bei dieser Technik rekonstruiert ein mathematischer Algorithmus aus den Rohdaten in einem einzigen Rechenschritt das Röntgenbild des untersuchten Körperbereichs.

Bei der iterativen Rekonstruktion wird die Abbildung des Körpergewebes in einer Folge von zahlreichen Rechenschritten gewonnen. Dazu nutzt ein Algorithmus Modelle über die Dichteverteilung in den durchleuchteten Schichten des menschlichen Körpers. Aus diesen Modellen erstellt er zunächst ein synthetisches „Idealbild” der betrachteten Körperregion, das die Software dann mit den Messwerten vergleicht und im nächsten Rechenschritt an die realen Daten anpasst. Diese rechnerische Annäherung von Messung und Modell wird so lange wiederholt, bis sich ein Abbild des Körperinneren ergibt, das Organe und Gewebestrukturen scharf und mit hoher Auflösung zeigt. Irreführende Artefakte, die das CT-Gerät erzeugt, lassen sich während der Iterationsschleifen wegrechnen. Störendes Hintergrundrauschen, das durch die Messung bei niedriger Strahlendosis entsteht, wird entfernt.

Teuer erkaufter Fortschritt

Erkauft werden die Vorteile des Verfahrens durch einen hohen Rechenaufwand, der die Geräte, die die iterative Rekonstruktion nutzen, recht teuer macht. Johannes Hezel, Leiter der radiologischen Gemeinschaftspraxis MVZ Prüner Gang in Kiel, arbeitet dennoch seit 2011 mit einem solchen Gerät. Er ist überzeugt: „Wenn man konsequent die iterative Rekonstruktion einsetzen würde, ließe sich die medizinisch verursachte Strahlenbelastung der Bevölkerung um gut ein Drittel reduzieren.” Hezel empfiehlt: „Wer als Patient die Möglichkeit hat, sollte für eine Computertomografie ein Gerät suchen, das damit arbeitet.”

Doch bisher sind die strahlungsarmen Geräte kaum verbreitet. Erst schätzungsweise fünf Prozent aller CT-Anlagen in Kliniken und radiologischen Arztpraxen nutzen das neue Bildberechnungsverfahren, für das inzwischen alle großen Hersteller wie Philips, Siemens und General Electric Geräte vertreiben. Wegen der hohen Kosten entscheiden sich für deren Einsatz fast nur Krankenhäuser und Praxen, in denen viele Krebs- oder Mukoviszidose-Patienten sowie herzkranke Menschen behandelt werden. Sie müssen sich besonders häufig einer CT unterziehen.

In den meisten anderen Kliniken und Praxen ist das Problem der Strahlenbelastung unvermindert präsent. Die Krebs-Epidemiologin Amy Berrington de González vom Radiation National Cancer Institute in Bethesda im US-Bundesstaat Maryland berechnete bereits 2004, dass in den Industrieländern bis zu 1,8 Prozent der jährlich neu auftretenden Krebserkrankungen auf die zusätzliche medizinische Strahlenexposition zurückgehen. In Deutschland erkrankten 2011 laut Deutscher Krebshilfe rund 490 000 Menschen an Krebs. Geht man von den Berechnungen de González‘ aus, wären bis zu 9000 dieser Erkrankungen auf CT-Untersuchungen zurückzuführen – auch wenn sich das im Allgemeinen nicht belegen lässt.

Reinhard Loose hält die Computertomografie als routinemäßige Vorsorgeuntersuchung bei gesunden Menschen für unsinnig. Der Chefarzt am Institut für Radiologie-Nord des Klinikums Nürnberg, Mitglied der Strahlenschutzkommission des Bundesumweltministeriums und Vertreter für Radiologie und Strahlenschutz in der Deutschen Röntgengesellschaft fordert: „Wir müssen immer die Nutzen-Risiko-Abwägung im Blick haben. Wie groß ist das Risiko, durch eine CT an Krebs zu erkranken, gegenüber dem Nutzen, durch die CT eine Krankheit zu entdecken und heilen zu können?” Unbestritten ist eine schnelle CT nach einem Unfall oft überlebenswichtig, da sie den Ärzten in wenigen Minuten zeigt, wo im Körper Verletzungen sind.

DaS RISIKO GENAU ABWÄGEN

Der Radiologe setzt sich deshalb für einen differenzierten Blick auf die Strahlenexposition durch CT-Untersuchungen ein. Loose leitete 2010 eine Studie, bei der er und sein Team im Klinikum Nürnberg stichprobenhaft Patienten auswählten und während des Klinikaufenthalts beobachteten. Dabei stellten die Mediziner fest, dass Patienten, die Röntgenstrahlen ausgesetzt wurden, im Mittel rund 68 Jahre alt waren. Gleichzeitig entfiel auf nur wenige dieser Patienten ein Großteil der Strahlung: 26 Prozent der geröntgten Patienten hatten 90 Prozent der gesamten Dosis erhalten. Besonders viel Röntgenstrahlung waren einige weit über 60-jährige und schwer kranke Patienten ausgesetzt. „Der Nutzen, den diese Patienten von der Untersuchung hatten, war weitaus größer als die Wahrscheinlichkeit, durch die Strahlenexposition an Krebs zu erkranken”, betont Reinhard Loose.

Bei jüngeren Patienten falle die Risiko-Nutzen-Abwägung anders aus. Allein aufgrund ihres Alters ist bei ihnen das Risiko größer, über die Jahre hinweg als Folge der Computertomografie Krebs zu entwickeln. So verdreifacht sich nach einer Studie, die 2012 im Fachmagazin „The Lancet” erschien, nach zwei bis drei CT-Kopfaufnahmen im Kindesalter das Risiko, im späteren Leben einen Hirntumor zu entwickeln. Besonders bei Kindern ist also Vorsicht geboten – ein Dilemma für junge Mukoviszidose- und Krebs-Patienten: Bei ihnen droht man den Teufel mit dem Beelzebub auszutreiben.

Umso wichtiger ist es, die Strahlenbelastung mithilfe der neuen Gerätegeneration zu reduzieren. Für Patienten lohnt es sich, nach dem strahlungsarmen Verfahren zu fragen. Manche Kliniken und Praxen, die es einsetzen, werben auf ihren Internet-Seiten damit. Bemerkenswert: Für gesetzlich Krankenversicherte ist eine CT mit iterativer Rekonstruktion in der Regel nicht teurer als eine herkömmliche Untersuchung. ■

Anke Biester, Biologin und Journalistin im Allgäu, blickt gern in Mensch und Tier – egal ob auf Organe und Knochen oder auf die Psyche.

von Anke Biester