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Bildgebung Medizinische Bildgebung gestern, heute und morgen

Autor: Peter Reinhardt

Die Bildgebung ist eines der innovativsten Segmente moderner Medizintechnik. Ein Abriss von Wilhelm Conrad Röntgen bis in die Gegenwart und Zukunft – oder warum es so wichtig ist, alles im Blick zu haben, um alles im Griff zu haben.

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Das Aesculap-Kamerasystem Einstein Vision 3D wurde dieses Jahr als Sieger im Design-Wettbewerb Red Dot ausgezeichnet. Neben „purem Sehvergnügen“ konnte vor allem die insgesamt ergonomische Handhabung überzeugen.
Das Aesculap-Kamerasystem Einstein Vision 3D wurde dieses Jahr als Sieger im Design-Wettbewerb Red Dot ausgezeichnet. Neben „purem Sehvergnügen“ konnte vor allem die insgesamt ergonomische Handhabung überzeugen.
(Bild: © B. Braun Melsungen AG)
  • Auge ist wichtigste Sinnesorgan des Menschen – und es ist auch das entscheidende Organ für Mediziner
  • Von analog über digital und HD bis zu 3D und 4K hat die medizinische Bildgebung eine rasante Entwicklung genommen
  • Mediziner über die Bildgebung hinaus bei der Entscheidung für die richtige Therapie zu unterstützen

Wir glauben, was wir sehen. Damit sind die Augen die wichtigsten Datenlieferanten für unser Gehirn. Zwar ist das menschliche Auge nicht einmal acht Gramm schwer, doch es vollbringt wahre Wunderleistungen. Pro Sekunde nimmt es zehn Millionen Informationen auf, leitet sie an das Gehirn weiter und ist so für rund 80 Prozent aller bewussten Sinneseindrücke verantwortlich. Kein anderer menschlicher Sinn beruht auf einer ähnlich komplexen Gehirnleistung. Damit ist das Auge das wertvollste und wichtigste Sinnesorgan des Menschen – und es ist auch das entscheidende Organ für Mediziner. Selbst für die geschicktesten Chirurgen ist es so wichtig wie deren Hände.

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Sichtbar machen, was eigentlich nicht zu sehen ist

Sichtbar zu machen, was eigentlich nicht zu sehen ist, ist daher ein Eckpfeiler der modernen Medizintechnik und trägt in dieser Branche den Terminus Bildgebung. Unter anderem darüber haben im Sommer sechs Ärztliche Direktoren des Universitätsklinikums Tübingen in einem Workshop mit Fachpublikum direkt am OP-Tisch diskutiert. Zwei Oberärzte demonstrierten seinerzeit live im OP der Anatomie die Öffnung eines Bauchraumes sowie die Anwendung von Retraktoren, um genau diese Herausforderung sichtbar zu machen: „In der Tiefe ist es dunkel“, fasste einer von ihnen das Problem der Visualisierung zusammen.

Eine Lösung aus Sicht der Ärzte: Das verwendete Kamerasystem sollte mit einer Beleuchtung kombiniert werden, damit alle an der Operation Beteiligten die gleiche Perspektive auf den Patienten haben. Was zunächst vergleichsweise simpel klingt, wird im Detail komplex. Kamera und Beleuchtung sollen der Hand des Chirurgen automatisch folgen. „Am besten wäre es, Lupenbrille und Kopflampe mittels Chiptechnologie zu einem kleinen, leichten System mit Kamera zu kombinieren“, formulieren die Oberärzte ihren Wunsch und schreiben Medizintechnikherstellern gleich noch eine Tablet-Lösung zur Visualisierung der OP-Situation ins Pflichtenheft – damit sich Operateure während eines Eingriffs nicht nach Monitoren umdrehen müssen: „Die Ansicht des Operateurs auf den Bauchraum sollte direkt auf ein Tablet übertragen werden, das wiederum direkt neben der Inzision platziert ist“, forderte Prof. Stenzl die Entwickler auf. Es kommt also nicht von ungefähr, dass die Medtech-Industrie mit großen Anstrengungen daran arbeitet, immer bessere Bilder zur Diagnose und Behandlung zu erzeugen.

Mit Röntgen fing alles an

Doch der Reihe nach: Ihren Anfang nahm die medizinische Bildgebung vor gut 120 Jahren. Am 8. November 1895 machte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg eine Entdeckung, die für immer mit seinem Namen verbunden ist und die die Medizin von Grund auf veränderte: die X-Strahlen – heute noch als X-Ray oder Röntgenstrahlen bekannt.

Zu Röntgens Forschungsgebieten gehörte seinerzeit die Untersuchung von elektrischen Strömen in evakuierten Glasgefäßen. Ein Vakuum von etwa dem ein millionsten Teil des Luftdruckes war damals möglich. Auch Röntgen experimentierte mit in diesen Röhren erzeugten Elektronenstrahlen, die er auf einem Fluoreszenzschirm betrachtete.

Nobelpreisträger Röntgen zeigt sich nobel

Wie Röntgen die nach ihm benannte Strahlung genau entdeckte, ist nicht überliefert. Dies liegt auch daran, dass Röntgen anordnete, nach seinem Tod alle von ihm ausgesonderten Aufzeichnungen ungelesen zu vernichten. Doch die Bilder von durchleuchteten Händen, auf denen deutlich deren Skelettstruktur zu erkennen war, erregten große Aufmerksamkeit. Schnell war die Entdeckung Röntgens weltbekannt. Jedoch entschied sich der spätere Nobelpreisträger ganz nobel, seine Entdeckung nicht patentieren zu lassen. Trotz angeblicher Millionenangebote amerikanischer Unternehmen gab er seine Entdeckung zur Nutzung und zum Wohle der Menschheit frei.

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Weltrekord bei der Abbildung winzigster Mengen an Kontrastmittel

Aber begeben wir von Röntgen zurück in die Gegenwart. Ein neuartiges bildgebendes Verfahren für die Medizin wird aktuell am Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck erforscht. Es könnte die Radiologie revolutionieren, ist den Wissenschaftlern doch ein neuer Weltrekord bei der Abbildung winzigster Mengen an Kontrastmittel gelungen. Das Bildgebungsverfahren Magnetic Particle Imaging (MPI) nutzt die einzigartigen magnetischen Eigenschaften von gerade einmal 0,01 µm großen Eisenoxidteilchen, um dreidimensionale Bilder aus lebenden Organismen zu erzeugen. Die winzigen Magnete sind etwa 50-mal kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichtes und werden mit unbedenklichen Magnetfeldern angeregt. Die Partikel geben daraufhin charakteristische elektromagnetische Signale ab, aus denen dreidimensionale Bilder berechnet werden können. „Die Methode sticht besonders durch ihre Echtzeitfähigkeit heraus und ist dabei nicht auf gesundheitsschädliche radioaktive Strahlung angewiesen“, machen die beteiligten Forscher die Vorteile deutlich.

In Kooperation mit ihren Kollegen vom Universitätsklinikum Eppendorf in Hamburg ist es ihnen im Sommer gelungen, mit einer selbstentwickelten Instrumentierung zum ersten Mal die unvorstellbar geringe Menge an Kontrastmittel von gerade einmal fünf Nanogramm (fünf Milliardstel = 0,000000005 Gramm) Eisen zu nutzen, um dreidimensionale Bilder zu erzeugen. Beim Nachweis der Partikel ohne Bildgebung reichte dem Team sogar ein Fünfundzwanzigstel der Menge aus, um Daten zu erhalten.

Noch gibt es häufig keine Alternative zum Röntgen, aber ...

Und doch zählt das Röntgen auch heute noch zu den wichtigsten Verfahren der medizinischen Bildgebung. So gibt es beispielsweise bei anspruchsvollen Eingriffen am Herzen oder Gehirn noch keine Alternative zum Röntgen. Hier kommt es auf Bruchteile von Millimetern an, hier gibt es keinen Puffer, hier liefern Röntgengeräte Positionsbilder, die es Chirurgen ermöglichen, das Richtige an der richtigen Stelle zu tun.

... Philips arbeitet an einer Zukunft ohne schädliche Röntgenstrahlen

Dennoch arbeitet Philips daran, künftig auf die nicht unschädliche Röntgenstrahlung verzichten zu können. Das Unternehmen zählt zu den Vorreitern in Sachen Strahlendosisreduktion und ermöglicht heute schon mit Allura-Clarity-Anlagen Bilder bei 73 Prozent geringerer Belastung, Bilder in gleicher Qualität wie mit herkömmlichen Methoden für neurochirurgische Operationen zur Verfügung zu stellen. Damit eine gänzlich röntgenfreie Zukunft Realität wird, dreht Philips an verschiedenen Stellschrauben: „Im Fokus stehen für uns eine weitere Verbesserung der Bildqualität und die Ausschöpfung aktueller IT-Entwicklungen“, erklärte dazu Dr. Timo Paulus, Leiter Innovation und Geschäftsentwicklung, Ende vergangenen Jahres die Vision von Philips. So will das Unternehmen durch Kombination verschiedener bildgebender Verfahren die gleiche Bildqualität ohne Röntgenstrahlung erreichen.

Aus zwei Bildern eines machen

„Man kann sich das so vorstellen: Bei einer Krebserkrankung zum Beispiel erstellen wir mittels Magnetresonanztomografie vor der OP eine hochauflösende Karte vom Patienten. Im zweiten Schritt bestimmen wir die genaue Position des erkrankten Gewebes durch Ultraschall. Mit ausgeklügelter IT legen wir beide Bilder übereinander. Dann kann der Arzt sicher agieren. Das ist vergleichbar mit einem Navigationssystem im Auto – nur wesentlich präziser“, verdeutlicht Paulus. Die Herausforderung liege in der intelligenten Zusammenführung der Daten aus beiden Schritten.

Bilddaten anwendergerecht aufbereiten

Damit ist klar: Es geht heute nicht mehr allein nur darum zu sehen, sondern es gilt auch, das Gesehene aufzubereiten – Ärzte über die Bildgebung hinaus bei der Entscheidung für die richtige Therapie zu unterstützen. Daran arbeiten aktuell Siemens Healthineers und das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin Mevis in einer gemeinsamen Forschungsallianz. Ziel sind Softwaresysteme mit künstlicher Intelligenz, die Diagnose- und Therapie-Entscheidungen mit Hilfe fortgeschrittener Datenintegration, umfassender Datenbanken und dem automatischen Erkennen von Mustern und Gesetzmäßigkeiten in Daten erleichtern sollen. Hintergrund dieses Vorhabens ist, dass die meisten Informationen in Kliniken und Arztpraxen längst digital vorliegen.

Bislang werden Bilddaten sowie Befunde, Laborwerte, digitale Patientenakten und OP-Berichte aber meist noch getrennt voneinander behandelt. Das wollen die Kooperationspartner ändern und binnen vier Jahren eine marktfähige Lösung anbieten, die sämtliche Daten in einem einheitlichen Software-Rahmen zusammenfasst.

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Brillante Bilder in 3D- und 4K-Technologie

Ausgangspunkt ist und bleibt derweil die eigentliche Bildgebung. Von analog über digital und HD zu 3D und 4K hat diese spätestens seit dem Jahrtausendwechsel eine rasante Entwicklung genommen. Längst sind moderne Displays wertvolle medizinische Hilfsmittel – ob mit der besseren Tiefenwahrnehmung eines 3D-Bildes oder dem höheren Kontrast, der besseren Auflösung und der größeren Detailtreue der 4K-Technologie: Die Vorteile für medizinische Anwendungen sind enorm. So bieten 3D-Systeme eine verbesserte Tiefenwahrnehmung bei Operationen, Schulungen oder der Lehre. Ärzte profitieren heute von Visualisierungen auf einem Niveau, das in 2D nicht möglich war. Die Aufnahme und Wiedergabe von 3D-Bildern bietet Chirurgen gegenüber 2D eine sehr viel realistischere Tiefenschärfe, die sie durch ihre Eingriffe leitet. Die Universität La Sapienza in Rom kam bei Tests zu dem Schluss, dass die Nutzung von 3D „einen riesigen Fortschritt in der Bildtiefe, Handhabung, Detailgenauigkeit und Schnitt-Naht-Zeit darstellt“.

Fotorealistische Aufnahmen von Embryonen und Föten

Verblüffend fotorealistische und transparente Aufnahmen von Embryonen und Föten verspricht in diesem Zusammenhang Philips. Drei Neuheiten für die pränatale Ultraschalldiagnostik sind dafür im August auf den Markt gekommen. „Die optimale sonographische Darstellung des Ungeborenen ist eine entscheidende Voraussetzung für die Beurteilung der intrauterinen Entwicklung. Darüber hinaus ist die realitätsnahe visuelle Wahrnehmung des Kindes im Mutterleib ein hochemotionaler Moment für die werdenden Eltern, der das vorgeburtliche Bonding positiv beeinflusst“, erklärt PD Dr. Christel Eckmann-Scholz, Oberärztin für Pränataldiagnostik am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH) Campus Kiel, wo diese Lösungen europaweit erstmals zum Einsatz kommen.

3D-Visualisierung erweitert die herkömmliche diagnostische Bildgebung

True-Vue verwendet eine interne bewegliche virtuelle Lichtquelle, die der Anwender beliebig in allen Dimensionen im Volumen positionieren kann, um bestimmte Bereiche zu illuminieren. Ebenfalls unter Verwendung einer internen beweglichen Lichtquelle erlaubt Glass-Vue bereits in frühen Stadien eine transparente räumliche Darstellung der fetalen Anatomie. Mit Hilfe des Durchscheineffekts kann der Untersucher jenseits der Oberfläche die Entwicklung der Organe, des Skeletts und anderer innerer Strukturen beurteilen. A-Reveal ist ein Algorithmus von Philips, der mit nur einem Tastendruck alle irrelevanten Details entfernt und auf Grundlage eines exakten geometrischen Bilddatensatzes eine 3D-Ansicht des fetalen Gesichts modelliert. „Durch diese innovative 3D-Visualisierung ist es den behandelnden Ärzten möglich, die herkömmliche diagnostische Bildgebung zu erweitern“, so Bastian Werminghoff, Director Business Group Ultraschall Philips D/A/CH, über die neue Technologie. Auf Knopfdruck liefere das System zusätzliche Details in beeindruckender Full-HD-Auflösung.

Red Dot Award für Einstein Vision 3D

Auch bei Aesculap in Tuttlingen ist man erfolgreich in Sachen 3D-Bildgebung unterwegs: Das Kamerasystem Einstein Vision 3D wurde dieses Jahr als Sieger im Design-Wettbewerb Red Dot ausgezeichnet. Neben „purem Sehvergnügen“ konnte vor allem die insgesamt ergonomische Handhabung des Systems mit Antibeschlagfunktion, Sterilüberzug und reduzierter Anzahl an Schnittstellen die Jury überzeugen. Mehrere hundert Kliniken haben sich schon für das System mit einer Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln entschieden.

Viermal höhere Auflösung als Standard-HD

Doppelt so hoch in Breite und Höhe ist die Auflösung bei der 4K-Technologie. Bilder dieser Qualität schaffen nochmals neue Möglichkeiten zur Visualisierung in medizinischen Anwendungen. Mit einer viermal höheren Auflösung als Standard-HD sind nahezu pixelfreie Bilder möglich, die ebenfalls die Tiefenwahrnehmung der Chirurgen und ihrer Teams weiter verbessern. Gerade bei minimal-invasiven, mikrochirurgischen Eingriffen wie in der Neurologie und Augenheilkunde sind Bildschärfe, Auflösung und Detailtreue von 4K-Bildern extrem wichtig. Das gilt aber auch für die allgemeine Chirurgie sowie die Schulung und Lehre.

Mit 4K-Displays können Ärzteteams vier verschiedene Full-HD-Signale (1.920 x 1.080) als Splitscreen auf einem Display anzeigen und somit verschiedene Quellen gleichzeitig nutzen, beispielsweise eine endoskopische Kamera, eine Raumkamera, radiologische Dokumente und die Vitalparameter der Patienten. Dies ist ein enormer Vorteil. Denn zuvor verwendete HD-Monitore konnten nur ein Viertel der HD-Auflösung in jedem Quadranten erreichen.

4K-Visualisierung im OP profitiert von der digitalen Kinoprojektion

Inzwischen sind bereits zahlreiche endoskopische 4K-Kamerasysteme endoskopische 4K-Kamerasysteme auf dem Markt erhältlich. Zu den ersten Anbietern von Monitoren mit dieser hohen Auflösung zählte Sony. Im vergangenen Jahr folgte die Vorstellung eines medizinischen 4K-Recorders, eines medizinischen IP-Konverters und einer 4K-Version des hauseigenen Content-Management-Systems. So entstanden nach und nach ein integriertes 4K-Portfolio und ein vollständiger medizinischer Workflow für 4K via IP. Die Kompetenz von Sony im Bereich 4K-Broadcast ist Grundlage der Entwicklungen zur 4K-Visualisierung im OP. Entsprechende 4K-Kameras haben sich bereits bei der digitalen Kinoprojektion, bei Sportübertragungen, Live-Events und 4K-Fernsehern für den Heimgebrauch bewährt.

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Schnittstelle zwischen Weltraumtechnik und medizinischer Bildgebung

Das macht einmal mehr deutlich, welch großes Potenzial branchen-übergreifender Know-how-Transfer bietet. Auch die Schnittstelle zwischen Weltraumtechnik und medizinischer Bildgebung ist hier vielversprechend. Ein Technologietransfer-Event am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatte kurz vor dem Jahreswechsel Verknüpfungspotenziale identifiziert und neue Möglichkeiten für Kooperationsprojekte erschlossen. Wegweisend ist hier unter anderem die telepräsente Steuerung von Weltraum-Robotern über eine VR-Brille (Virtual Reality) mit 3D-Blick für den Operator: Demonstriert wurde, wie zwei Leichtbauroboterarme verwendet werden können, um den humanoiden DLR-Roboter Space-Justin fernzusteuern. In der Weltraumtechnik erlaubt dies, Manipulationsaufgaben in fernen oder unzugänglichen Gebieten durchzuführen.

Noch mehr Möglichkeiten mit Virtual Reality

Doch zurück auf die Erde: Noch vor dem ersten Schnitt können Chirurgen dank Virtual Reality aus speziell aufbereiteten Daten der Computertomografie Eingriffe sehr genau planen. Forschern am Department of Biomedical Engineering der Universität und des Universitätsspitals Basel ist es gelungen, zweidimensionale Schnittbilder aus der Computertomografie in Echtzeit für eine virtuelle Umgebung aufzubereiten. Dahinter stecken eine ausgeklügelte Programmierung und leistungsstarke Grafikkarten. Das Team um Prof. Philippe C. Cattin konnte die Berechnungen so beschleunigen, dass die notwendige Bildrate erreicht wird. Das System mit der Bezeichnung „Specto-Vive“ ist sogar in der Lage, den Schattenwurf flüssig zu berechnen, um einen realistischen Tiefeneindruck zu vermitteln. Spätestens damit haben die behandelnden Ärzte nicht nur alles im Blick, sondern auch sicher im Griff.

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Über den Autor

 Peter Reinhardt

Peter Reinhardt

Chefredakteur, DeviceMed - Für Profis der Medtech-Branche