Medizin

Neue Technologie für klinische Computertomografie

Dreidimensionale Dunkelfeld-Röntgenaufnahmen möglich
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Thorax-Phantom und Dunkelfeld-Computertomograf. Rechts: Dr. Thomas Koehler
Thorax-Phantom in dem von Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik an der Technischen Universität München (TUM), und seinem Team neuentwickelten Dunkelfeld-Computertomografen. Rechts: Dr. Thomas Koehler, Mitautor der Publikation zum neuen Gerät. Astrid Eckert / TUM
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Erstmals hat ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) eine neue Röntgenmethode, das Dunkelfeld-Röntgen, in einen für den Patienteneinsatz ausgelegten Computertomografen integriert.

Computertomografie (CT) ist eine der wichtigsten Methoden in Kliniken für präzise und schnelle Diagnosen. Bisher werden dafür konventionelle Röntgenaufnahmen verwendet, um diese dann in ein dreidimensionales CT-Bild umzurechnen. Eine neue Röntgentechnologie, das Dunkelfeld-Röntgen, kann zusätzliche Informationen liefern und feine Gewebestrukturen, insbesondere der Lunge, deutlich detaillierter als bisher abbilden. Bislang gab es jedoch aufgrund technischer Herausforderungen keine Möglichkeit, Patientinnen und Patienten mit der neuen Röntgentechnologie in einem klinischen CT-Gerät zu untersuchen.

Beide Röntgentechnologien kombiniert

Ein Forschungsteam um Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik und Direktor des Munich Institute of Biomedical Engineering der TUM, hat nun ein CT-Gerät so weiterentwickelt, dass es beide Röntgentechnologien kombiniert. „Wir konnten erstmals zeigen, dass sich das Dunkelfeld-Röntgen auch in einen klinischen Computertomografen integrieren lässt. Obgleich noch eine neue Technologie, zeigen vorangegangene, vorklinische Studien mit Mäusen bereits deutliche Vorteile der Dunkelfeld-Computertomografie, vor allem für die Bildgebung von Lungengewebe“, sagt Franz Pfeiffer, Leiter der Studie.

Erfolgreich mit Thorax-Phantom getestet

Der neue CT-Prototyp wurde bereits erfolgreich mit einem Thorax-Phantom getestet, und ist groß genug für den geplanten Einsatz bei Patientinnen und Patienten. Auf dem Weg von der Röntgenquelle zum Detektor wird Röntgenlicht durch das dazwischenliegende Gewebe abgeschwächt. Konventionelles Röntgen nutzt diesen Effekt zur Bildgebung, da die Abschwächung je nach Art und Struktur des Gewebes unterschiedlich stark ist. Dadurch erscheinen Strukturen wie beispielsweise Knochen, die das Röntgenlicht stärker abschwächen, im konventionellen Röntgenbild hell, während durchlässigeres Gewebe wie die Lunge dunkel erscheint.

Gittertechnologie für das Dunkelfeld-Röntgen

Dunkelfeld-Röntgen nutzt hingegen die Streuung des Röntgenlichts. Trifft Röntgenlicht auf Materialien unterschiedlicher Dichte, wie zum Beispiel an den Grenzflächen zwischen Lungengewebe und Luft, wird es kleinwinklig gestreut. Wertet man diese Kleinwinkelstreuung aus, erhält man zusätzliche Informationen über feinste Gewebestrukturen, die mit konventionellen Röntgenverfahren nicht auflösbar wären.

Um das gestreute Röntgenlicht detektieren zu können, sind spezielle optische Elemente, sogenannte mikrostrukturierte Gitter, nötig. Diese werden zwischen Röntgenquelle und Detektor angebracht. Wenn das Röntgenlicht die Gitter passiert, entsteht ein charakteristisches Muster auf dem Detektor. Platziert man eine Probe oder Person zwischen den Gittern, verändert sich das Muster. Dadurch sind Rückschlüsse auf die Struktur der Probe oder das Gewebe der Person möglich.

Technische Herausforderungen gemeistert

Die Umsetzung der Dunkelfeld-Methode in einem CT-Gerät für die menschliche Größe bringt verschiedene technische Herausforderungen mit sich. Deswegen war die Größe von Dunkelfeld-CT-Geräten bisher auf deutlich kleinere Dimensionen beschränkt, die für den Einsatz beim Menschen nicht ausreichen. Außer der Größe stellt auch die schnell rotierende Scan-Einheit spezielle Anforderungen an die technischen Komponenten.

Die Gantry rotiert sehr schnell. Dabei entstehen Vibrationen, die Auswirkungen auf die fein abgestimmte Technik im Inneren des Geräts haben. Auf der Basis einer detaillierten Analyse der Vibrationen gelang es dem Forschungsteam, die Vibrationen sogar zu nutzen, um die für die Dunkelfeld-Bildgebung notwendige Verschiebung der Gitter gegeneinander zu realisieren. Für die Auswertung der Scans entwickelten sie neue Algorithmen, die auf der Grundlage von Referenzscans die auf Vibrationen zurückzuführenden Effekte herausrechnen.

Zusätzliche Informationen für Diagnostik

„Mit dem Dunkelfeld-CT-Prototyp können wir beim gleichen Scan-Durchgang konventionelle Röntgenaufnahmen und Dunkelfeld-Aufnahmen machen. Dadurch gewinnen wir zusätzliche Informationen. Diese könnten zukünftig nicht nur bei der Diagnose von Lungenkrankheiten, sondern beispielsweise auch bei der Diagnose von Nierensteinen und Ablagerungen im Gewebe von Vorteil sein“¸ sagt Manuel Viermetz, einer der beiden Erstautoren der Studie.

Die Forscher planen, die Bildgebung mit dem Dunkelfeld-Computertomografen im nächsten Schritt noch weiter zu optimieren und das Gerät für den ersten Einsatz bei Patientinnen und Patienten vorzubereiten.

Literatur:
Manuel Viermetz, Nikolai Gustschin, Clemens Schmid, et al.: Dark-field computed tomography reaches the human scale. PNAS, Februar 2022. DOI: doi.org/10.1073/pnas.2118799119.

Quelle: idw/TUM

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