Godfrey Newbold Hounsfield

„Vater der Computertomografie“ – Nobelpreis für Medizin

Die Computertomografie hat mehrere „Väter“. Einer von ihnen war der Brite Godfrey Newbold Hounsfield, der vor 100 Jahren geboren wurde. Gemeinsam mit dem Physiker Allan McLeod Cormack (1924–98) erhielt er 1979 den Nobelpreis für Medizin.

„Vater der Computertomografie“ – Nobelpreis für Medizin

Godfrey Newbold Hounsfield | © NIH, Public Domain

Was wäre die Medizin ohne Bilder aus dem Körperinnern? Den Grundstein legte Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923). Vor seiner Entdeckung der Röntgenstrahlen am 8. November 1895 musste man den Körper chirurgisch öffnen, wenn man hineinschauen wollte. Bis in die 60er-Jahre des 20. Jahrhunderts erzeugten Untersuchungen mit Röntgenstrahlen lediglich zweidimensionale, nicht sehr präzise Bilder. Zudem waren die Untersuchungen für Patienten oft unangenehm. Erst ab Anfang der 70er-Jahre verbesserte sich die Technik grundlegend: Computertomografie, nuklearmedizinische Verfahren, Magnetresonanztomografie und Ultraschalltechniken liefern heute exakte, hochauflösende Resultate und sind für Patienten weitgehend schmerzfrei. Die Computertomografie hat mehrere „Väter“. Einer von ihnen war der Brite Godfrey Newbold Hounsfield. Gemeinsam mit dem Physiker Allan McLeod Cormack (1924–98) erhielt er dafür 1979 den Nobelpreis für Medizin.

Röntgenbilder erhält man, wenn Röntgenstrahlen aus einer Röntgenröhre durch verschiedene Körpergewebe laufen und dabei mehr oder weniger abgeschwächt werden. Die Abschwächung wird mit einem Detektor gemessen, dabei werden Strahlen in sichtbare Signale umgewandelt. Im einfachsten Fall ist der Detektor ein Fotofilm. In modernen Röntgen- und Computertomografiesystemen trifft die Strahlung auf einen digitalen Chip, ähnlich dem in einer digitalen Fotokamera. Mittels konventioneller Radiologie ist ein Blick in den Brustkorb möglich, auch den knöchernen Bewegungsapparat kann man gut darstellen. Doch das Gehirn ist mit konventionellen Verfahren nicht zu sehen. Denn der Schädelknochen schwächt die Röntgenstrahlen so stark, dass man Dichteunterschiede des Hirngewebes nicht identifizieren kann. Erkennbar sind lediglich Veränderungen mit einer Dichte, die wesentlich höher oder niedriger als die des Knochens ist, etwa Plexuskalk und Verkalkungen der Epiphyse. Wollte man zum Beispiel Raumforderungen oder Verlagerungen von Hirnanteilen sichtbar machen, brachte man Luft als „negatives“ Kontrastmittel in das Ventrikelsystem ein und fertigte anschließend Nativröntgenaufnahmen des Schädels an (Pneumenzephalografie). Jodhaltiges Kontrastmittel diente zur Darstellung der Gefäße.

Eine Tomografie (= Schnittzeichnung, Schichtbild) gab es schon bei den konventionellen radiologischen Verfahren. Allerdings störten hier „Verwischungen“, die bei der Computertomografie vermieden werden. Diese liefert transversale Schnittbilder. Das Wort „Computer“ zeigt an, dass beim Errechnen der Schnittbilder aus Röntgenbildern der Computer unverzichtbar ist.

Godfrey Hounsfield wurde 1919 im kleinen Ort Nottinghamshire geboren und wuchs als jüngstes von fünf Kindern auf der elterlichen Farm auf. Früh interessierte er sich für die technischen Geräte, mit denen die Erwachsenen auf der Farm arbeiteten, und beschäftigte sich mit Mathematik und Physik. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete er bei der Royal Air Force als „Radar Mechanic Instructor“ und absolvierte eine radiotechnische Ausbildung am Royal College of Science in South Kensington und an der Radar School in Cranwell. Nach dem Krieg studierte er in London Elektrotechnik, 1951 erhielt er sein Ingenieursdiplom und arbeitete beim britischen Elektronikkonzern Electrical and Musical Industries (EMI) in Hayes/Middlesex an Radar- und Leitwaffensystemen. Sein besonderes Interesse galt der Rechentechnik. Ab 1958 leitete er die Entwicklung der ersten britischen Großrechenanlage EMIDEC 1100, die vollständig aus Transistoren bestand. Weil die Beatles so erfolgreich waren, verfügte EMI über viel Geld und ließ Hounsfield bei seinen Forschungen freie Hand. Wie konnte man das Körperinnere überlagerungsfrei darstellen? Bei einem „normalen“ Röntgenbild, etwa des Bauches, durchlaufen die Röntgenstrahlen Haut, Knochen, Muskeln und Bauchorgane, das resultierende Bild stellt Organe und Gewebe überlagert dar.

Die mathematische Grundlage zur Lösung des Problems lag bereits vor, als Hounsfield und Cormack noch nicht geboren waren: 1917 veröffentlichte der österreichische Mathematiker Johann Radon (1887–1956) seine Arbeit „Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten“. Eine wichtige praktische Anwendung der „Radon-Transformation“ ist die Computertomografie. Doch zu Radons Zeit gab es die für die Anwendung erforderlichen Rechner noch nicht.

Ein weiterer Pionier auf dem Weg zur Computertomografie war der US-amerikanische Neurologe William Oldendorf (1925–1992). Bereits 1961 beschrieb er im Journal „Bio Medical Electronics“ ein computertomografisches Bildgebungsverfahren. Doch seine Arbeiten wurden wenig beachtet.

Unabhängig von Hounsfield beschäftigte sich der Physiker Allan Cormack mit dem Problem der überlagerungsfreien Bildgewinnung. In Südafrika geboren, arbeitete er ab 1950 in Kapstadt als Physiklehrer und betreute nebenbei im Krankenhaus den Einsatz von Radioisotopen, die seit den 40er-Jahren für die medizinische Diagnostik genutzt wurden. Eigentlich war sein Spezialgebiet die Teilchenphysik. Doch ab Mitte der 50er-Jahre entwickelte er die mathematisch-theoretischen Grundlagen der Computertomografie. 1963 und 1964 veröffentlichte er im „Journal of Applied Physics“ eine Theorie, mit der ein durch Röntgenstrahlen erzeugtes Querschnittsbild berechnet werden kann: „Representation of a function by its line integrals, with some radiological applications.“ Physiker nutzten die Theorie für die Bildrekonstruktion ihrer elektronenmikroskopisch und radioastronomisch gewonnenen Messdaten, doch ihre Bedeutung für die medizinische Diagnostik erkannte zunächst niemand und eine experimentelle Überprüfung fand nicht statt. Erst in den 70er-Jahren wurde ihr Nutzen offensichtlich.

Hounsfield kannte Cormacks Theorie der Bildrekonstruktion nicht. In Zusammenarbeit mit dem Neuroradiologen James Ambrose entwickelte Hounsfield 1968 den ersten Scanner, der mit Röntgenstrahlen arbeitete. Man verwendete nur anatomische Hirnpräparate, denn die Vermessung eines Hirns dauerte bis zu neun Stunden und die Bildrekonstruktion weitere zweieinhalb Stunden! Weiße und graue Hirnsubstanz ließen sich nur partiell unterscheiden. Nach mehrjähriger Arbeit war es schließlich so weit: Am 1. Oktober 1971 wurde im Atkinson Morley’s Hospital in London erstmals eine Patientin, die an einem Hirntumor litt, mit einem Computertomografen untersucht. Der Neurochirurg, der die Patientin anschließend operierte, bestätigte die gute Übereinstimmung von Operationssitus und CT-Bildern. Ein Jahr später präsentierte Hounsfield der Welt „EMI Mark 1“, den ersten kommerziell erhältlichen Computertomografen. Er verfügte über nur einen Detektor, der gegenüber der Strahlenquelle lag und mit dieser um den Patientenkopf rotierte. Die Aufzeichnung einer einzelnen Hirnschicht dauerte mehr als fünf Minuten! Zum Vergleich: Heutige Geräte besitzen mehr als 4.000 Detektoren. Trotz der langen Untersuchungszeit war der Gewinn an Information beträchtlich: Erstmals ließen sich Körperquerschnitte schichtweise abbilden. Auch Weichteilstrukturen, die sich in ihrer Dichte nur geringfügig unterschieden, wurden sichtbar.