Photonenzähler und Dunkelfelder

Dazu befindet sich der Patient auf einer beweglichen Liege, die von der ringförmigen Scan-Einheit des CT-Geräts, der „Gantry“, umschlossen wird. Darin befinden sich die Röntgenquelle sowie, ihr gegenüber, eine große Zahl von Detektoren zur Messung der Intensität des Röntgenlichts. Während einer Untersuchung rotiert die Gantry rasch um den Patienten, der dadurch aus allen erdenklichen Richtungen bestrahlt wird. Die Detektoren messen jeweils, wie viel Röntgenstrahlung nach dem Durchleuchten des Körpers noch übrig ist. Indem die Liege mit dem Patienten allmählich innerhalb der Scanner-Röhre verschoben wird, erreicht das Röntgenlicht den gesamten im Fokus der medizinischen Untersuchung stehenden Körperbereich.

Am Ende der Prozedur verarbeitet ein Computeralgorithmus die auf diese Weise gesammelte Fülle von Messdaten und rekonstruiert daraus ein dreidimensionales Bild von Knochen und Organen.

Allerdings: Die bislang verwendeten Detektoren waren nicht in der Lage, die Röntgenstrahlung direkt zu messen. „Das in herkömmlichen CT-Scannern verwendete Detektormaterial wandelt stattdessen das Röntgenlicht in sichtbares Licht um, das dann mit einer Fotodiode aufgenommen wird – ein ähnlicher Vorgang wie beim Fotografieren mit einer Digitalkamera“, erläutert Björn Kreisler, Senior Key Expert bei Siemens Healthineers in Erlangen – ein Medizintechnik-Unternehmen und einer der führenden Hersteller von CT-Systemen.

Informationen werden verwaschen

Der Nachteil des Zwischenschritts der Verwandlung von Röntgen in sichtbares Licht: Die Informationen, die einzelne Quanten des Röntgenlichts, die Photonen, mit sich tragen, werden dabei ausgemittelt und verwaschen. Thomas Flohr, Leiter des Bereichs CT-Physik bei Siemens Healthineers, vergleicht das mit dem Ausschütten von Wasser. „Ein herkömmlicher Detektor kann nur die Summenwirkung der auftreffenden Röntgenquanten aufnehmen – wie, wenn man mit einer Gießkanne Wasser in einen Eimer gießt“, erklärt er. „Was der Detektor daraus letztlich übermitteln kann, ist, wie viel Wasser sich im Eimer befindet – beispielsweise drei Liter.“

Direkter Nachweis der Röntgenquanten

Anders ist das bei der Technik der photonenzählenden Computertomografie, wie unter anderem seit 2022 an der Unimedizin Mainz genutzt wird. Sie basiert auf einem erstmals in CT-Systemen verwendeten Detektormaterial: kristallinem Kadmiumtellurid. Dieses Material ermöglicht es, Röntgenstrahlung direkt in ein elektrisches Signal zu verwandeln, das sich dann weiterverarbeiten lässt. Ein Umweg über sichtbares Licht ist nicht notwendig. Im Fachjargon heißt diese Art der Detektion von Röntgenstrahlung Photonen- oder Quantenzählen.

In dem Gießkannen-Vergleich von Thomas Flohr bedeutet das: „Ein quantenzählender Detektor kann beim Ausgießen jeden einzelnen Tropfen zählen und zu jedem einzelnen dieser Tröpfchen – beziehungsweise der Energiepakete des Röntgenlichts – übermitteln, wie groß es war.“ Ein photonenzählender Detektor könne also – übertragen auf das Bild des Wassers – nicht nur feststellen, dass sich im Eimer drei Liter Flüssigkeit befinden, sondern auch, dass diese aus 135.000 Tropfen entstanden sind. Und er sei überdies in der Lage zu verraten, dass davon 85.000 Tropfen klein, 30.000 mittelgroß und 20.000 besonders groß gewesen sind. „Das ist der wesentliche Unterschied“, betont Flohr.

Für das Resultat einer CT-Untersuchung hat das drastische Folgen: Die Aufnahmen zeigen nicht nur feinere Details als Bilder konventioneller CT-Scanner, sie enthalten außerdem Hinweise zum bestrahlten Gewebe, die für bisher verwendete Detektorsysteme unsichtbar waren – nämlich solche, die im Energiegehalt der Röntgenphotonen versteckt sind.

Das Röntgenbild nimmt Farben an

Die Forscher in Erlangen vergleichen die Einführung der photonenzählenden CT-Technik deshalb mit der Entwicklung vom niedrig auflösenden Schwarz-weiß-TV zum hochauflösenden Farbfernsehen. Die deutlich bessere Auflösung der computertomografischen Aufnahmen hat ihre Ursache in der größeren Empfindlichkeit der Messungen durch das Zählen einzelner Quanten. Überdies lässt sich dadurch auch erfassen, welche Energie die Quanten mit sich tragen, was den Messdaten eine spektrale Information verleiht – und gewissermaßen eine Farbigkeit. Das Röntgenbild wird bunt.

Im Prinzip wäre ein solches „Farbsehen“ auch bei einigen herkömmlichen CT-Systemen möglich, doch es erforderte einigen Aufwand und verlängerte teils deutlich die gesamte Messdauer – etwa durch mehrere aufeinander folgende Messungen mit unterschiedlicher elektrischer Spannung an der Röntgenquelle. Die neue Technik hingegen liefert Daten in mehreren Farben frei Haus.

Gewebe werden unterscheidbar

Der Nutzen: Da unterschiedliche chemische Elemente andere spektrale Anteile, also Farben, der Röntgenstrahlung absorbieren, ermöglicht es die Auswertung dieser Daten, bestimmte anatomische Strukturen besser zu erkennen und verschiedene Arten von Gewebe zuverlässiger voneinander zu unterscheiden.

Für die klinische Anwendung der Technik bringt das klare Vorteile. Als ein wichtiges Beispiel nennt Thomas Flohr computertomografische Untersuchungen am Herzen: „Viele Patienten, etwa vier Millionen pro Jahr in Deutschland, haben Probleme mit den Herzkranzgefäßen. Früher wurden diese Probleme im Wesentlichen mit einem Herzkatheter geklärt, heute kann man das gut mit einem Herz-CT untersuchen.“ Dazu werden die Herzkranzgefäße mit einem jodhaltigen Kontrastmittel gefüllt und lassen sich danach gut und sehr scharf abbilden. „Ein Arzt kann nun unmittelbar sehen, ob sich relevante Verengungen oder Ablagerungen, sogenannte Plaques, in den Koronararterien befinden“, sagt Flohr. „Auf dieser Basis lässt sich entscheiden, ob im nächsten Schritt eine Untersuchung per Herzkatheter notwendig ist oder nicht.“

Allerdings: Viele Betroffene haben nicht nur die Verengungen der Herzkranzgefäße, sondern auch gleichzeitig Kalk. Der Kalk ist für die Blutversorgung des Herzmuskels häufig bedeutungslos. „Daher braucht ein solcher Patient nicht zwingend einen Herzkatheter“, sagt Flohr. „Bei manchen Patienten ist jedoch der Kalk in den Koronararterien so dominant, dass man mit der herkömmlichen CT-Untersuchung nicht mehr sehen kann, ob das Gefäß dahinter frei ist. Denn das herkömmliche CT reagiert nur auf Absorptionsunterschiede, der Kalk und das kontrastgefüllte Gefäß werden praktisch gleichartig abgebildet.“

Hier kommt der Pluspunkt des „Farbfernsehens“ zum Tragen. Denn damit lässt sich genau unterscheiden: Was ist das mit Kontrastmittel gefüllte Volumen und was ist Kalk? Die Vorteile der photonenzählenden CT-Technik bei der Beurteilung der koronaren Herzerkrankung belegen aktuelle Forschungsergebnisse eines Teams um den Mediziner Tilman Emrich an der Universität Mainz. In einer klinischen Studie stellten die Forscher fest, dass sich mithilfe der neuen, photonenzählenden Diagnosemethode – und dank der klareren Unterscheidbarkeit von harmlosem Kalk und gefährlichen Plaques – mehr als 50 Prozent der Herzpatienten in eine niedrigere Krankheitskategorie einstufen ließen. Die Möglichkeit einer besseren Beurteilung der koronaren Herzerkrankung „kann potenziell unnötige invasive Eingriffe reduzieren“, folgert Emrich.

Dank der spektralen Auflösung der photonenzählenden CT lassen sich zudem verschiedene Kontrastmittel miteinander kombinieren, um Organe und Gewebearten deutlicher voneinander unterscheiden zu können.

„Trotzdem benötigt man ein scharfes Bild, um das Herz vernünftig abbilden zu können“, stellt Siemens-Forscher Flohr fest. Das bedeutet: Farbfernsehen allein reicht nicht, wenn die Belichtungszeit zu lang ist. Hier setzt eine weitere Technik in den neuen Computertomografen an: das Prinzip „Dual-Source“. Es bedeutet: Die Geräte verfügen über zwei Messsysteme aus Röntgenquelle und Detektoren, die gleichzeitig arbeiten. Das ermöglicht eine so kurze Belichtungszeit für eine CT-Aufnahme, dass sich das Herz nicht nur „in Farbe“, sondern auch unbewegt, scharf, mit hoher räumlicher Auflösung abbilden lässt.

Gedämpfte Strahlenbelastung

Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Technik: Sie verringert die Belastung der Patienten durch die Röntgenstrahlung – nach bisherigen Erfahrungen um bis zu 40 Prozent. Das liegt nicht nur an der kürzeren Belichtungszeit im Vergleich zu herkömmlichen CT-Scannern, sondern hat auch mit dem Detektormaterial zu tun, erklärt Björn Kreisler: „Jeder konventionelle Detektor hat ein Grundrauschen, das Elektronikrauschen. Und wenn die Strahlendosis niedrig ist, wird dieses Grundrauschen in den CT-Bildern deutlich störend sichtbar.“ Der neue Detektor dagegen kenne dieses Rauschen nicht. Die Folge: „Man ist vom elektronischen Rauschen her nicht mehr begrenzt und kann die Strahlendosis deshalb deutlich reduzieren“, sagt Kreisler: ein wichtiger Punkt, das CT-Untersuchungen laut Bundesamt für Strahlenschutz fast 7ß Prozent zur gesamten medizinischen Strahlenbelastung beitragen.

Siemens Healthineers brachte die erste Generation photonenzählender CT-Scanner Ende 2021 auf den Markt und war damit weltweit Vorreiter. Doch auch andere Herstellerunternehmen wie General Electric Healthcare, Philips und Canon setzen auf die neue Technik und haben inzwischen zumindest Prototypen entsprechender Systeme an Kliniken installiert – General Electric beispielsweise seit Ende 2021 in Schweden.

Ein Kristall als Knackpunkt

Der zentrale Baustein, der die Entwicklung der photonenzählenden Computertomografie bei Siemens erst ermöglicht hat, ist der Detektor aus Kadmiumtellurid. Die Möglichkeiten und Pluspunkte dieses kristallinen Werkstoffs standen bereits vor rund 20 Jahren auf der Agenda der Forscher in Erlangen und an etlichen anderen Forschungseinrichtungen. „Aber die ersten Detektormaterialien, die man damals zur Verfügung hatte, waren nicht geeignet, um sie in einem Computertomografen in der klinischen Routine einzusetzen“, erinnert sich Thomas Flohr. „Das Material war nicht homogen genug, und es ließen sich damit keine größeren Detektorelemente bauen.“ Denn der Kristall zerfiel mit der Zeit. Das hinterließ auf CT-Bildern sogenannte Artefakte: Strukturen, die in der Aufnahme sichtbar waren, aber nichts mit der Anatomie des Patienten zu tun hatten.

Erst nach etlichen Jahren intensiver Forschung zu dem Material und seiner Kristallzüchtung gelang es dem Team, den kristallinen Werkstoff in einer ausreichend hohen Qualität zu züchten und für den Nachweis einzelner Photonen des Röntgenlichts zu präparieren.

Daten in Hülle und Fülle

Aber die technologische Entwicklung war damit noch nicht abgeschlossen. Denn durch die separate Detektion der unzähligen Röntgenquanten handelten sich die Forscher auch einen handfesten Nachteil ein: Die Datenmenge, die dabei anfällt, ist immens und übersteigt die von konventionellen CT-Scannern deutlich. Um dennoch eine rasche Erstellung der Bilder aus der Computertomografie zu ermöglichen, war deshalb auch die Entwicklung einer neuen Technik zur Übertragung der Datenflut sowie einer besonderen Methode zur Auswertung der Bilder erforderlich.

Dieses Gesamtpaket an technischen Innovationen bescherte Thomas Flohr, Björn Kreisler sowie dem Siemens-Programmleiter für Counting-Technologie Stefan Ulzheimer 2021 eine Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis.

Botschaften aus dem Dunkelfeld

Auch an der Technischen Universität München (TUM) arbeiten Forscher an der Entwicklung neuer Techniken für die Computertomografie. Dabei haben Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik und Direktor des Munich Institute of Biomedical Engineering der TUM, und sein Team das sogenannte Dunkelfeld-Röntgenverfahren im Visier. Denn das kann – wie die photonenzählende CT – gegenüber der herkömmlichen Technik zusätzliche Informationen über das Innere des Körpers liefern und feine Gewebestrukturen deutlich detaillierter abbilden. Das gilt vor allem für die Lunge.

Der Hintergrund dafür ist, dass sich das physikalische Fundament des Dunkelfeld-Röntgens prinzipiell von dem der Röntgentechnik unterscheidet, die bislang bei der Computertomografie zum Einsatz kommt: Während bei einer CT-Untersuchung ebenso wie beim konventionellen Röntgen die Abschwächung der Strahlung durch Absorption in den durchleuchteten Knochen oder Weichteilen gemessen wird, nutzt das Dunkelfeld-Verfahren einen anderen Effekt aus: die Streuung des Röntgenlichts.

Trifft Röntgenlicht auf Substanzen mit einer unterschiedlichen Dichte – zum Beispiel dort, wo Lungengewebe und die Luft in den Hohlräumen der Lunge aneinandergrenzen –, wird es ein wenig aus seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Die Auswertung dieser sogenannten Kleinwinkelstreuung eröffnet für Forscher oder Mediziner einen Zugang zu Informationen über sehr feine körperliche Gewebestrukturen, die sich mit anderen Röntgenverfahren nicht auflösen lassen – und die vor allem in der Lunge zu finden sind.

Verräterische Mikrogitter

Allerdings: Um das auf diese Weise im Körper gestreute Röntgenlicht auffangen und auswerten zu können, braucht es besondere optische Elemente. Gitterförmige Bauteile mit einer wenige Mikrometer feinen Struktur. Die Münchner Wissenschaftler verwenden drei solhe Gitter, die sie zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor anbringen, auf dem die Gitterstrukturen ein markantes Lichtmuster hervorrufen. Wird zusätzlich eine Materialprobe oder ein Patient im Strahlengang des Röntgenlichts platziert, verändert sich dieses Muster. Aus seiner genauen Gestalt lässt sich dann auf die innere Struktur etwa einer durchleuchteten Lunge schließen.

Im Rahmen von normalem, zweidimensionalem Röntgen haben die Forscher um Franz Pfeiffer die Dunkelfeld-Methode 2021 bereits erstmals für Lungenuntersuchungen an Patienten eingesetzt. Sie konnten zeigen, dass diese Technik die Diagnose der Lungenkrankheit COPD, die zu einer dauerhaften Verengung der Atemwege führt, verbessert. Inzwischen ist es dem Team zudem erstmals gelungen, die Dunkelfeld-Technik in ein Computertomografie-System zu integrieren. Eine Herausforderung dabei war vor allem die sich schnell drehende Scan-Einheit eines CT-Geräts, die hohe Ansprüche an die Dunkelfeld-Röntgenkomponenten stellt. Denn die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Gantry führt zu Schwingungen, die die hochempfindliche Messtechnik beeinträchtigen.

Pfeiffer und sein Team konnten nicht nur diese Hürde überwinden, sondern die eigentlich störenden Vibrationen sogar nutzen, um die für die Bildgebung im Dunkelfeld erforderlichen kleinen Verschiebungen der Gitter zu erreichen. Darüber hinaus entwickelten die Forscher mathematische Algorithmen, mit denen sich durch die Vibrationsbewegung der Scan-Einheit hervorgerufene Effekte aus den Messdaten herausrechnen lassen.

Ein Dummy in der Röhre

Das ermöglichte es schließlich, die Techniken des Dunkelfeld-Röntgens und der konventionellen Computertomografie in einem System zu kombinieren. Damit absolvierten die Wissenschaftler zunächst etliche Messungen an Dummys aus unterschiedlichen Materialien. Im nächsten Schritt sollen Untersuchungen an menschlichen Testpersonen folgen. Das könnte eine neue Perspektive für die bildgebende Medizin eröffnen.

„Mit unserem Dunkelfeld-CT-Prototyp können wir beim gleichen Scan-Durchgang konventionelle Röntgenaufnahmen und Dunkelfeld-Aufnahmen machen“, sagt Manuel Viermetz, der im Team von Franz Pfeiffer forscht. Dadurch ließen sich wertvolle zusätzliche Daten gewinnen. So besitzt eine gesunde Lunge zahlreiche intakte Bläschen, die ein starkes Dunkelfeldsignal ergeben. Ist das Lungengewebe dagegen entzündet, dann ist darin häufig Flüssigkeit eingelagert, die die Signale beim Dunkelfeld-Röntgen deutlich schwächer erscheinen lässt.

Doch solche Zusatzinformationen, die sich nur in den Dunkelfeld-Aufnahmen zeigen, könnten künftig auch bei anderen Erkrankungen von Vorteil sein, ist TUM-Forscher Viermetz überzeugt: „zum Beispiel bei der Diagnose von Nierensteinen oder bei Ablagerungen in Gewebe.“

Vielleicht also gibt es für die Mediziner in Mainz und anderswo bald wieder einen Grund zum Feiern.

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