Ein Quantensprung in der Computertomographie

Wie die Phasenkontrastbildgebung das Röntgen revolutioniert

Es klingt wie Science Fiction, soll in ein paar Jahren aber schon Realität sein: Eine Computertomographie mit reduzierter Strahlenexposition und mit einem gestochen scharfen Weichteilkontrast. Wie das funktioniert, liegt in der Physik begründet. Wer sollte also besser dafür geeignet sein, in Garmisch-Partenkirchen über die Zukunft der Röntgenbildgebung zu berichten als ein Physiker?

Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Die Unterschiede zwischen Phasenkontrast-CT (rechts) und konventioneller CT...
Die Unterschiede zwischen Phasenkontrast-CT (rechts) und konventioneller CT (links) anhand einer CT-Untersuchung am Mausmodell: Während in der konventionellen CT-Aufnahme hauptsächlich nur die weißen Knochen zu sehen sind (hier Rippen, Rückgrat und Pfoten), sieht man in der Phasenkontrast-CT-Aufnahme auch viele Weichteilstrukturen (z.B. Herz und Leber).

Noch dazu einer, der das neue Verfahren maßgeblich mit auf den Weg gebracht hat. Prof. Dr. Franz Pfeiffer, Lehrstuhlinhaber für Biomedizinische Physik an der Technischen Universität München, präsentiert zum Auftakt des Symposiums aufregende Erkenntnisse über die Phasenkontrastbildgebung. 

Die röntgen-physikalischen Basics zur Phasenkontrastbildgebung sind der Wissenschaft schon lange bekannt: Weil Röntgenstrahlen nichts anderes sind als hochenergetisches Licht, kann man sie nicht nur als Quanten beschreiben, sondern auch als Wellen. Und diese haben die Eigenschaft, nicht in der Materie "stecken zu bleiben", sondern zu interferieren. „Ebenso wie Licht durch eine Brille gebrochen wird, können auch Röntgenwellen durch Strukturen gebrochen werden“, fasst es Prof. Pfeiffer zusammen. „Für die klinische Anwendung bedeutet dies, dass in unterschiedlich dichten Gewebearten im Körper Brechung stattfindet. Da diese Winkeländerungen aber nur den Bruchteil eines Mikrogrades ausmachen, kriegt man sie in der medizinischen Röntgenbildgebung bisher nicht zu Gesicht. Seit ein paar Jahren haben wir aber gelernt, diese minimalen Winkeländerungen doch zu visualisieren.“

Dieser Vorgang geschieht im Wesentlichen mit sehr feinen hintereinandergeschalteten Gitterstrukturen. Ähnlich wie in einem Kollimator lässt sich auf diese Weise genau ausmachen, um welchen Teil die Strahlen gebrochen werden. Man sagt auch: Um welchen Teil die Strahlen in der Phase verschoben werden. Daher der Ausdruck „Phasenkontrastbildgebung“. Da diese Visualisierungsmethode nicht auf einer Absorption der Röntgenstrahlen in den Gewebestrukturen beruht, um Kontrast zu erzeugen, sondern auf einer Modifikation, ist der Bildkontrast nicht zwingend mit Dosis verbunden, die im Körper „stecken bleibt“.

Eine zweite bahnbrechende Entdeckung von Prof. Pfeiffers Forschung ist, dass durch die Phaseninteraktion deutlich mehr Kontrast im Weichteilgewebe entsteht. „Bei der klassischen Absorption bekommen wir in den Weichteilstrukturen, etwa in der Lunge oder der Leber, nur wenig Signal, weil die Strahlen nur schlecht vom Gewebe aufgenommen werden. In der Phasenkontrastbildgebung gibt es diese Limitation nicht länger, auch wenn uns noch nicht ganz klar ist, woher biomedizinisch betrachtet der Kontrast im Weichteilgewebe herrührt. Die Ergebnisse sind jedoch erstaunlich.“

Um mehr über die Grundlagen und Potentiale dieser innovativen Bildgebung zu lernen, beschäftigt sich die Arbeitsgruppe um Prof. Pfeiffer mit Labormessungen an Gewebeproben, die sie von den radiologischen Instituten der LMU und der TUM zur Verfügung gestellt kriegen. Seit anderthalb Jahren werden die beiden Münchner Universitätskliniken eng in die Forschungsarbeit mit einbezogen.

„Ohne die Hilfe der Radiologen, die letztendlich auch die Endanwender dieser neuen Bildgebungstechnologie sind, kommen wir nicht weiter“, so Pfeiffer. „Sie haben uns auf Problemstellungen und Erfordernisse aufmerksam gemacht, die uns als Physiker nicht bewusst waren. Auf der anderen Seite haben jetzt auch die Kollegen aus der Klinik das enorme Potential der Phasenkontrastbildgebung, z.B. bei der Früherkennung von Tumoren, erkannt, so dass auch bei ihnen der Wunsch nach einer schnellen Translation der biomedizinischen Grundlagenforschung in die medizinische Praxis wächst.“ Das macht sich auch international an den Forschungseinrichtungen bemerkbar: Während es lange Zeit nur eine Arbeitsgruppe in Japan und eine in der Schweiz gab – eine davon unter der Leitung von Prof. Pfeiffer – die sich mit dem Thema beschäftigten, sind es mittlerweile weltweit 19 Forschungsgruppen.

An der praktischen Umsetzung der neuartigen Röntgentechnik hapert es aber noch. So stellt es für die Physiker im Moment noch eine große Herausforderung dar, die Brechungen der Röntgenstrahlen so weit zu visualisieren, dass man sie in ein sauberes Signal übersetzen kann. „Das liegt vor allem an den Gitteroptiken“, erklärt der Wissenschaftler. „Die Transmissionsgitter funktionieren noch nicht so gut für die hohen Röntgenenergien, die man in einem CT-Gerät verwendet.“

Von den heutigen Experimentieranlagen bis zur ausgefeilten Gerätetechnologie ist es also noch ein langer Weg. In einem ersten Schritt arbeitet der Münchner Physiker gerade am finalen Feinschliff für ein Kleintier-CT-Gerät, in dem die ersten In-vivo-Messungen stattfinden können. Die Arbeit am Mausmodell ist auch Überzeugungsarbeit für den Markt, denn die nächste Entwicklungsetappe – der Bau eines CT-Großgeräts – kann nur in Kooperation mit einem industriellen Partner erfolgen.

Das Interesse sei groß, bemerkt Prof. Pfeiffer: „Das ist so, als wenn Sie einen ganz neuen Motor für ein Auto bauen. Bis jetzt hat sich noch keiner recht getraut, den Anfang zu machen. Aber der Druck und die Bereitschaft, in die neue Spitzentechnologie zu investieren, wächst.“ Mal sehen, wer am Ende die Nase vorn haben wird.

 

Im Profil

Seine Erfindung der Phasenkontrastbildgebung brachte Prof. Dr. Franz Pfeiffer, 39, den Ruf einer internationalen Kapazität in der Röntgenforschung ein. 

Nach dem Physik-Studium an der LMU München experimentierte er bereits für seine Dissertation an der Universität des Saarlandes in Großforschungsanlagen wie dem DESY in Hamburg. Als Postdoktorand forschte Pfeiffer an der Universität von Illinois, anschließend am renommierten Paul Scherrer Institut in der Schweiz.

2007 wurde der Vater von zwei Kindern Assistenzprofessor an der ETH Lausanne, 2009 folgte er dem Ruf auf den Lehrstuhl für Angewandte Biophysik der TU München, wo er ein Labor für biomedizinische Physik führt.

10.01.2012

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