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CT-PrototypDunkelfeld-Röntgen bildet Lungen-Gewebestrukturen detailliert ab

Forscher der TU München (TUM) haben erstmalig die neue Technologie des Dunkelfeld-Röntgens in einen klinischen Computertomographen integriert. Mit dem Prototyp können feine Gewebestrukturen in der Lunge detailiert dreidimensional dargestellt werden.

Dunkelfeld-CT Scanner mit Thorax Phantom
Astrid Eckert/TUM

Thorax Phantom in dem neu entwickelten Dunkelfeld-Computertomographen mit Dr. Thomas Koehler, Mitautor der Publikation zum neuen Gerät.

Erstmals ist es einem Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) gelungen, eine neue Röntgenmethode – das Dunkelfeld-Röntgen – in einen für den Patienteneinsatz ausgelegten klinischen Computertomographen zu implementieren. Die neue Technologie liefert zusätzliche Informationen zu konventionellen Röntgenaufnahmen; mit ihrer Hilfe sind auch dreidimensionale Dunkelfeld-Röntgenaufnahmen möglich.

Kombination zweier Röntgentechnologien

Die 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. Das Dunkelfeld-Röntgen kann feine Gewebestrukturen, insbesondere der Lunge, deutlich detaillierter als bisher abbilden. Zuvor gab es jedoch aufgrund technischer Herausforderungen keine Möglichkeit, Patientinnen und 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 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, vor allem für die Bildgebung von Lungengewebe“, sagt Franz Pfeiffer, Leiter der Studie. Der neue CT-Prototyp wurde bereits erfolgreich mit einem sogenannten Thorax Phantom, einem künstlichen Modell eines menschlichen Oberkörpers, getestet, und ist groß genug für den geplanten Einsatz bei Patientinnen und Patienten.

Streuung statt Abschwächung des Röntgenlichts

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.

Das 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.

Vorbereitung für den ersten Einsatz bei Patient*innen

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, Gantry genannt, 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.

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

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