Röntgenverfahren Neue Röntgenmethode liefert zusätzliche Informationen

Ein Forschungsteam der Technischen Universität München hat das Dunkelfeld-Röntgen, eine neue Röntgenmethode, in einen für den Patienteneinsatz ausgelegten Computertomographen integriert. Mit dem Prototyp sind somit klassische CT-Röntgenaufnahmen als auch dreidimensionale Dunkelfeld-Röntgenaufnahmen möglich.

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Technische Universität München Physik-Deparment (E20)

Computertomographie (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, Patienten mit der neuen Röntgentechnologie in einem klinischen CT-Gerät zu untersuchen.

Ein Forschungsteam um Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik und Direktor des Munich Institute of Biomedical Engineering der Technischen Universität München (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 Computertomographen integrieren lässt. Obgleich noch eine neue Technologie, zeigen vorangegangene, vorklinische Studien mit Mäusen bereits deutliche Vorteile der Dunkelfeld-Computertomographie, v. a. für die Bildgebung von Lungengewebe“, sagt Pfeiffer, Leiter der Studie.

Manuel Viermetz, einer der beiden Erstautoren der Studie, ergänzt: „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.“

Der neue CT-Prototyp wurde bereits erfolgreich mit einem so genannten Thorax -hantom, einem künstlichen Modell eines menschlichen Oberkörpers, getestet, und ist groß genug für den geplanten Einsatz bei Patienten. Die Forscher planen, die Bildgebung mit dem Dunkelfeld-Computertomographen im nächsten Schritt noch weiter zu optimieren und das Gerät für den ersten Einsatz bei Patienten vorzubereiten.

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Konventionelles Röntgen vs. Dunkelfeld-Röntgen

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 Knochen, die das Röntgenlicht stärker abschwächen, im konventionellen Röntgenbild hell, während durchlässigeres Gewebe wie die Lunge dunkel erscheint.

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

Dunkelfeld-Röntgen mithilfe von Gittertechnologie

Um das gestreute Röntgenlicht detektieren zu können, sind spezielle optische Elemente, so genannte 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.

Neue Röntgenmethode bringt technische Herausforderungen mit sich

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 Scan-Einheit von CT-Geräten, genannt 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.

Publikation:

Dark-field computed tomography reaches the human scale. Manuel Viermetz, Nikolai Gustschin, Clemens Schmid, Jakob Haeusele, Maximilian von Teuffenbach, Pascal Meyer, Frank Bergner, Tobias Lasser, Roland Proksa, Thomas Koehler und Franz Pfeiffer. PNAS, Februar 2022. DOI:

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