Dreidimensionale Körperwelten – Computertomografie

Einen Blick in das Innere des menschlichen Körpers zu werfen, interessiert die Menschen schon sehr lange. Doch über Jahrhunderte hinweg war dieser Blick unter die Haut nur Ärztinnen und Ärzten und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vorbehalten, denn es gab nur eine Möglichkeit, das Körperinnere zu erkunden – man musste den Körper mit dem Skalpell aufschneiden. Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen 1895 wurde es dann erstmals möglich, einen Blick in den lebenden Menschen zu werfen. Doch die frühen Röntgenaufnahmen waren nur zweidimensional. Man wandte zum Beispiel spezielle Betrachtungstechniken an, um die Röntgenaufnahmen so aufzubereiten, dass das menschliche Gehirn sie als dreidimensional wahrnimmt. Der wirkliche Durchbruch in der 3D-Bildgebung gelang erst durch die einsetzende Computerisierung in den 1970er Jahren. Bildgebende Systeme wie CT oder MRT scannen den Körper Schicht für Schicht. Die daraus heute entstehenden riesigen Datenmengen werden von Computern digital zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt. CT- und MRT-Daten sind auch die Basis für neueste 3D-Visualisierungstechniken, wie z.B. das Cinematic rendering.

Am 22.12.1895 nimmt WC Röntgen das Röntgenbild der Hand seiner Frau Anna Bertha auf. Seit dieser Zeit hat sich bis in die frühen 1970er Jahre an der Aufnahmetechnik relativ wenig geändert. In Röntgenbildern summieren sich die Schwächungen aller im Strahlengang befindlichen anatomischen Strukturen zu einem einzigen Überlagerungsbild. Bei der 1930 entwickelten „Röntgentomografie“ werden Röntgenröhre und Film während der Aufnahme gegeneinander verschoben. Dabei entsteht ein scharfes überlagerungsfreies Bild von einer anatomischen Struktur in einer bestimmten Körperschicht. Anfang der 1970er Jahre brachte die Kombination von Computertechnik und Röntgentomografie einen entscheidenden Fortschritt. Bei EMI entwickelt Godfrey Hounsfield die „Computerisierte transversale axiale Tomografie“ als neue Möglichkeit, Weichteilstrukturen des Gehirns ohne Kontrastmittel darzustellen. Messungen der einzelnen Schwächungsprofile erfolgen hier nicht mehr über die Schwärzung eines Röntgenfilms, sondern durch Umwandlung in elektrische Signale, die digitalisiert, den numerischen Input für einen Computer lieferten. Spezielle Rechenalgorithmen lassen aus den Rohdaten zweidimensionale Schichtbilder rekonstruieren. Erste klinische CT-Bilder werden am 1. Oktober 1971 im Atkinson Morley‘s Hospital in London aufgenommen und am 20. April 1972 beim Kongress des British Institute of Radiology präsentiert. Als klinische Revolution erkannt, folgte eine rasante technologische Entwicklung, die bis heute immer noch nicht abgeschlossen ist.

Die jüngeren können sich wahrscheinlich nicht mehr vorstellen, wie radiologische Diagnostik vor Erfindung der CT war. Die 50 Jahre alte Technik hat dabei den Weg der modernen minimalinvasiven Diagnostik und Therapie erst ermöglicht. Retrospektiv lässt sich feststellen, dass insbesondere sechs Entwicklungen innerhalb und außerhalb der Radiologie die Entwicklung der CT im Besonderen getriggert haben.

Schon sehr früh im Jahr 1896 gab es zahlreiche Behauptungen, dass es möglich sei, das menschliche Gehirn zu fotografieren. Scharlatanerie war in der Anfangszeit an der Tagesordnung. Der Amerikaner C. Simon aus New York, gab als Erster an, eine Methode erfunden zu haben, um das Gehirn zu fotografieren. Ein ähnlich zweifelhaftes Ergebnis meldete H.L. Falk aus New Orleans, der im "Electrical Engineer" vom April 1896 Bilder des Gehirns und der Halsweichteile veröffentlichte. Offenbar hatte Falk zuvor eine fotografische Platte vorbereitet, indem er eine Zeichnung aus einem anatomischen Atlas darauf kopierte. Das Gehirn mit Röntgenstrahlen zu sehen, schien unmöglich zu sein. Der anfängliche Wert der Röntgenstrahlen in der neurologischen Diagnostik lag ebenfalls in der Erkennung und Lokalisierung von Fremdkörpern und Frakturen. Arthur Schüller (1874-1957), ein Wiener Arzt und enger Mitarbeiter des österreichischen Röntgenpioniers Guido Holzknecht, prägte den Begriff „Neuro-Röntgenologie“. Im Jahr 1912 veröffentlichte Schüller das erste Lehrbuch zur Radiologie des Schädels. Anfangs beschränkte sich die Neuroradiologie allerdings auf klassische Röntgenaufnahmen des Schädels.

Die indirekte Darstellung von Gehirntumoren mit Hilfe von Kontrastmitteln wurde 1919 von dem US-Amerikaner Walter Edward Dandy (1886-1946) und vom Deutschen Adolf Bingel (1879-1953) parallel und unabhängig voneinander entwickelt. Die Pneumenzephalografie diente neben der Hirntumor- und Hydrozephalusdiagnostik auch der Untersuchung psychischer Erkrankungen, wie z. B. der Schizophrenie. Zur Analyse von Läsionen wurde Luft und andere Gase wie Stickstoff und Sauerstoff als Kontrastmittel in das Ventrikelsystem des Gehirns injiziert. Allerdings führten in der Pionierzeit nur etwa ¼ der durchgeführten Ventrikulografien führten zu einer richtigen Diagnose .

Mit der Ventrikulografie und der Pneumoenzephalografie begann eine neue Ära in der radiologischen Darstellung und der chirurgischen Behandlung von Hirntumoren . Die Untersuchung war für die Patienten äußerst unangenehm. Da Luft aufsteigt , war die Position des Patienten enorm wichtig. Der Kopf musste bei Injektion von 20-120ml Luft mindestens 20° höher als die Punktionsnadel positioniert werden. Die Untersuchung wurde von Kopfschmerzen, Übelkeit, Hypotonie, Schwäche und Schweißausbrüchen begleitet, die erst nach 3 Tagen abklangen. Außerdem war die frühe Sterberate hoch: Bei Dandy waren es drei von 100 Patienten und bei Bingel zwei von 200 Patienten, die nach der diagnostischen Pneumoenzephalografie starben. Da sich Luft als Kontrastmittel oft als unzureichend erwies, wurde in den 1950er und 1960er Jahren für bestimmte diagnostische Fragestellungen Pantopaque, ein dem Lipiodol ähnliches Kontrastmittel, verwendet. Im folgenden leistenden insbesondere der britische Neuroradiologe Edward Wing Twining (1887-1939) und der niederländische Neurologe Hendrik Willem Stenvers zahlreiche Beiträge zur Verbesserung der neuroradiologischen Diagnostik. In Schweden entwickelt der Neuroradiologe Eric Lysholm gemeinsam mit dem Ingenieur Georg Schönander Apparate zur präzisen Positionierung der Patienten. Erstaunlicherweise hat sich die Pneumoenzephalografie weiterentwickelt hat als der CT-Scanner schon zur Verfügung stand. So wurde z.B. 1975 der Philips Neuro Diagnost noch angeboten. Offensichtlich war das Vertrauen in der Computertomografie im Anfang noch nicht so groß.

Unter Zugrundelegung der Arbeiten Dandys entwickelte der portugiesische Neurologe Egas Moniz (1874-1955) eine neue Technik zur indirekten Darstellung von Gehirntumoren. Seine Überlegungen basierten auf der Tatsache, dass eine einfache Lokalisation intrakranieller Läsionen durch die röntgenologische Darstellung der von ihnen hervorgerufenen Deformierungen der zentralen Gehirnstrukturen, wie etwa der Ventrikel oder der Blutgefäße , möglich sein sollte. Zur Darstellung feinster Strukturen auf Röntgenaufnahmen hatten sich ölige Jodverbindungen als besonders gut erwiesen. Das vom französischen Neurologen und Radiologen Jean-Athanase Sicard (1872-1929) zur Myelografie und Ventrikulografie erfolgreich eingesetzte Kontrastmittel Lipiodol konnte jedoch nicht für arterielle Forschungen benutzt werden. Bei der Suche nach einem geeigneten Kontrastmittel erwies sich bald Thorotrast als besser verträgliche, ausgezeichnet schattengebende und weniger gefährliche Substanz zur Arteriografie. Thorotrast wurde zum ersten Mal von Dos Santos, Lamas und Caldas zur Sichtbarmachung von Arterien der Extremitäten eingesetzt. Vor 90 Jahren, am 14. Oktober 1931 gelang Moniz das erste gute zerebrale Arteriogramm mit Thorotrast. Thoriumverbindungen erzeugen aufgrund der hohen Opazität für Röntgenstrahlen (es hat einen hohen Wirkungsquerschnitt für die Absorption) hervorragende Bilder. Das ausschließlich aus dem natürlichen Thorium-232 bestehende und sehr langlebige (Halbwertzeit 1,4 10¹⁰Jahre) Radioisotop bot eine hohe Bildqualität und hatte im Vergleich zu den damals verfügbaren Alternativen praktisch keine unmittelbaren Nebenwirkungen. Seit seiner Einführung im Jahr 1931 wurden w eltweit etwa 2 bis 10 Millionen Patienten mit Thorotrast behandelt. Heute ist jedoch ein erhöhtes Risiko für bestimmte Krebsarten wie Cholangiokarzinome, Angiosarkome, hepatozelluläre Karzinome und Leberfibrosen bekannt.

In den folgenden 50 Jahren wurden verschiedene hypertonische und auch isotonische Kontrastmittel für die zerebrale Arteriografie verwendet. Technische Innovationen, wie Wechslersysteme ermöglichten die schnellere Erstellung von Röntgenserienaufnahmen. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der modernen Angiografie waren die bereits 1935 vom niederländischen Neuroradiologen Bernhard George Ziedes des Plantes (1902-1993) beschriebene Verfahren der manuellen Subtraktion, die lange Zeit als Standardmethode der Angiografie galt. Diese Entwicklungen haben die zerebrale Arteriografie zu einem sicheren und weit verbreiteten Verfahren gemacht. Seit den 1970er Jahren hat die Entwicklung von hochentwickelten interventionellen Techniken neue wegweisende minimalinvasive therapeutische Eingriffe bei Patienten mit zerebrovaskulären Erkrankungen ermöglicht.

Bereits kurz nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen wurde der Wunsch nach dreidimensionaler Bildgebung geäußert. Klassische tomografische Verfahren wurden gegen Ende der 1920er Jahre entwickelt. Die neuen Ideen basieren auf einfachen Prinzipien der projektiven Geometrie: Röntgenröhre und Film, die miteinander verbunden sind, werden synchron und gegenläufig zueinander bewegt. Das Bild, das von den Punkten auf der Fokusebene erzeugt wird, erscheint schärfer, während sich die Bilder der Punkte in anderen Schichten als Rauschen auflösen. Die Objekte, die sich außerhalb der Ebene befinden, werden unscharf abgebildet, solche in Höhe des Drehpunkts scharf. Der französische Arzt André Edmond Marie Bocage (1924-1984) patentierte das erste Konzept für eine klinische Anwendung bereits 1921. Der Genueser Radiologe Alessandro Vallebona (1899-1987) stellte 1930 sein Verfahren zur axialen transversalen Röntgen-Stratigrafie vor. Ein Jahr später, 1931, veröffentlichte Bernhard Ziedses des Plantes (1902-1993) die umfangreichste und gründlichste Studie zur klassischen Röntgentomografie. Mitte der 1940er Jahre wurden weiterführend die Grundprinzipien der klassischen axialen Tomografie entwickelt.

Anfang der 1970er Jahre wurde das Konzept weiterentwickelt. Da konventionelle tomografische Untersuchungstechniken zehn bis zwanzig Röntgenbelichtungszyklen bei Untersuchungszeiten die oft eine halbe Stunde überschreiten, wurde bei Philips ein neues Verfahren entwickelt. Die Synthese von Tomogrammen, auch „Tomosynthese“ genannt, zielt darauf ab, die Patientenexposition auf einen Belichtungszyklus und die Untersuchungszeit auf einige Minuten zu reduzieren, indem eine beliebige Anzahl von Tomogrammen unter Verwendung der in einem Röntgenbelichtungszyklus für ein Tomogramm enthaltenen Informationen synthetisiert wird. Dazu wird in einem ersten Schritt das dreidimensionale Objekt von einer einer Reihe von Röntgenröhren abgebildet. Das dabei entstehende kodierte Bild wird dann im zweiten Schritt verarbeitet, um daraus beliebige Schichten des Objekts zu rekonstruieren. Ursprünglich wurde die Dekodierung mit Hilfe der Holografie durchgeführt, später aber durch ein optisches System aus Linsen ersetzt. Interessanterweise werden die Vorteile dieser Technik mit gleichzeitiger Aufnahme mehrerer Schichten bei kurzer Untersuchungsdauer und geringer Strahlenexposition heute in der Mammagrafie die CT und die Tomosynthese auch neben einander genutzt werden.

Radioaktive Isotope werden erstmals 1948 zur Erkennung und Lokalisierung von intrakraniellen Läsionen eingesetzt (Moore, 1948). Zuvor hatte More nachweisen können, dass intravenös injiziertes Fluorescein selektiv von Gliomen (Astrozytomen) und anderen Tumoren absorbiert wurde. Wurde ultraviolettes Licht benutzt, leuchtete ein Gliom in einer anderen Farbe als der Rest des Gehirns auf. Als Tracer wurde mit Jod-131 markiertes Natriumdiiodofluorescein verwendet. Mit Hilfe eines Geiger-Müller Zählers konnten so die von Hirntumoren ausgehende Strahlung durch den intakten Schädel hindurch detektiert und vermessen werden.

In den späten 1950er Jahren entwickelte der Nuklearmediziner David Kuhl (1929-2017) gemeinsam mit dem Ingenieur Roy Edwards an der University of Pennsylvania eine neue Methode, um mit Hilfe der tomografischen Bildgebung radioaktive Isotope im Körper zu identifizieren. Der von ihnen entwickelte Mark-II-Scanner wurde bereits im Sommer 1963 für die Emissionstomografie eingesetzt wurde. Am 14. Mai 1965 erstellten sie unter Verwendung der Gammastrahlung von Americium-241 den ersten Emissions-CT-Scan eines Patienten durch die Hilusregion. Zur Auswertung ihrer Messdaten verwendete der Mark II einen optischen Integrator. Über lineare Bewegungen konnten mit den beiden um die Körperachse drehbaren Detektoren einfache Rückprojektionen rekonstruiert werden. Trotz dieser neuen Möglichkeiten wurde das Verfahren aufgrund der unscharfen Bilder zuerst nicht beachtet. Die in der Folge von Kuhl und Edwards hergestellten SPECT-Geräte bildeten die Grundlage zur weiteren Entwicklung von PET-Scannern.

Der weltweite Einsatz der Computertechnologie in der Medizin begann in den frühen 1950er Jahren mit dem Aufkommen der kommerziellen Computer. Zu dieser Zeit versorgten bereits Rechenzentren einige Krankenhäuser im Bereich der Datenverarbeitung im Geschäfts- und Finanzbereich (Ball, Hannah, 1988). Diese Großrechner waren in großen klimatisierten Räumen installiert. Sie bestanden aus mehreren Schränken, die den Zentralprozessor, Magnetbandlaufwerke, Lochstreifenstanzer und -leser, Zeilendrucker und eine Fernschreiber-Tastatur zur Steuerung des Computers enthielten. Der 1946 gebaute erste programmierbare, elektronische Allzweck-Digitalcomputer ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) wog 30 Tonnen und enthielt über 18.000 Vakuumröhren . Unter der Leitung von Godfrey Hounsfield wurde 1958 mit dem EMIDEC 1100 von der Computing Services Division der EMI Laboratories in Großbritannien der erste kommerzielle transistorisierte Computer entwickelt. In den 1960er Jahren wurden erste Minicomputer vorgestellt, zu denen zum Beispiel die Systeme der Digital Equipment Corporation ( DEC ) gehörten: die PDP-8 und später die PDP 11. Diese Computer waren relativ klein und belegten mit Magnetplattenlaufwerken und einem Monitor Farbmonitor meist nur ein oder zwei 2 m hohe Geräteschränke. Der 16 Bit-Rechner PDP-11 wurde später auch für die Bildrekonstruktion in der CT verwendet. Diese dritte Rechnergeneration wurde bereits in den 1960er Jahren zur Auswertung von Spektren, zur Datenerfassung und Bilddarstellung in der Nuklearmedizin eingesetzt. 1969 wurde an der School of Medicine an der UCLA erstmals ein Desktop Computer zur Messwerterfassung und Auswertung von über ADCs von einer Gammakamera gelieferten Daten zur Erstellung von Szintigrammen eingesetzt.