Medizinische Physik


Das Herz in vier Dimensionen

Nur 30 bis 40 Sekunden Untersuchungszeit sind mit modernen Computertomographie-Geräten nötig, um eine qualitativ hochwertige, dreidimensionale Abbildung von Herz und Herzkranzgefäßen aufzubauen. Da das Herz in allen Bewegungsphasen dargestellt wird, kommt zu den drei Raumrichtungen sogar noch eine vierte Dimension hinzu: die Zeit. Das Institut für Medizinische Physik an der Universität Erlangen-Nürnberg hat mit der 4D-Bildgebung einen Weg für frühzeitige Untersuchungen am Herzen eröffnet, der geeignet ist, die bisher übliche, für Patienten sehr belastende invasive Koronarangiographie zu ersetzen. Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Willi Kalender konzentriert sich unter anderem darauf, die Strahlendosis beim Einsatz der Computertomographie zu reduzieren.

Die theoretischen Grundlagen für die vierdimensionale Darstellung des Herzens, die durch den Pulsschlag kaum noch verzerrt wird und deshalb Abbildungen in zuvor ungekannter Qualität liefert, hatte das Institut für Medizinische Physik als weltweit erste Arbeitsgruppe bereits 1996 gelegt. Es wurden Rekonstruktionsalgorithmen entwickelt, Berechnungsmethoden, welche die Schichtbilder, die während der Drehung des Messapparats um den Körper entstehen, zu einer möglichst exakten räumlichen Abbildung zusammensetzen und überflüssige Daten ausblenden. Erste Patientenstudien fanden in Zusammenarbeit mit der Klinik für Innere Medizin II (Direktor: Prof. Dr. Werner G. Daniel) und dem Institut für Diagnostische Radiologie (Direktor: Prof. Dr. Werner Bautz) der Universität Erlangen-Nürnberg statt. Die American Association of Physicists in Medicine zeichnete die Veröffentlichung der Erfahrungen und Ergebnisse mit dem "Greenfield Award“ für den besten Artikel in der weltweit führenden Fachzeitschrift „Medical Physics" im Jahr 1998 aus.


Todfeind Nr 1: Die Koronare Herzkrankheit

Durchblutungsstörungen bei eingeengten oder verschlossenen Herzkranzgefäßen führen dazu, dass es dem Herzmuskel an Energiezufuhr und an Sauerstoff mangelt. Die medizinische Diagnostik ist darum bemüht, die koronare Herzkrankheit – in den westlichen Industrieländern noch immer Todesursache Nr. 1 – im Anfangsstadium zu erkennen oder bereits entstandene Schäden und Risikobereiche genau abzugrenzen, um sie gezielt behandeln zu können. Eine Röntgenkontrastdarstellung der Koronararterien gilt derzeit als Standard für solche Untersuchungen. Sie ermöglicht den Blick ins Innere der Gefäße; Verengungen werden damit sichtbar.

Diese invasive Methode macht allerdings eine Anästhesie erforderlich. Ein Katheter muss eingeführt werden, der Kontrastmittel in relativ hoher Dosis bis in die Arterien bringt, und auch die Strahlendosis, die zur Durchleuchtung nötig ist, ist vergleichsweise groß. Eine nicht-invasive Alternative, die den Patienten derartige Unannehmlichkeiten und Risiken erspart, steht im Prinzip mit der sogenannten Elektronenstrahltomographie seit zehn Jahren zur Verfügung. Diese Geräte sind allerdings teuer und auf den Einsatz am Organ Herz beschränkt, so dass sie sich nicht durchsetzen konnten.
Konventionelle Computertomographen sind dagegen wesentlich vielseitiger und wurden ständig weiterentwickelt. Vor allem konnte die Rotationszeit stark gesenkt werden, und Mehrzeilendetektoren ermöglichen es, mehrere Schichten gleichzeitig zu erfassen. Das 4D-Bildungsverfahren des Erlanger Instituts für Medizinische Physik wurde noch an einem CT-Scanner mit 0,75 Sekunden Rotationszeit und Einzeilendetektor entworfen; mittlerweile wurde es in Kooperation mit Siemens Medical Systems auf aktuelle Systeme erweitert, die Rotationszeiten von 0,5 Sekunden bei gleichzeitiger Erfassung von vier Schichten aufweisen. Für die kardiale Bildgebung mit Computertomographie bedeutete dies einen Quantensprung. Vierdimensionale Darstellungen des Herzens sind nun mit den weit verbreiteten CT-Scannern möglich geworden, die durchaus das Potential besitzen, die invasiven Angiographien abzulösen.


Bis zur Hälfte der Strahlendosis kann eingespart werden

Die umfassenden diagnostischen Möglichkeiten und der unbestrittene Nutzen der Computertomographie haben dazu geführt, dass die Zahl der CT-Geräte und der CT-Untersuchungen in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist. Ein Nachteil dieser Art der Röntgendiagnostik ist jedoch, dass die Patienten, bedingt durch das Aufnahmeverfahren, einer vergleichsweise hohen Strahlendosis ausgesetzt sind. Obwohl in Deutschland nur etwa jede zwanzigste Untersuchung mit Röntgenstrahlen eine CT ist, macht ihr Anteil an der medizinischen Exposition der Bevölkerung fast 40 Prozent aus, und der Einsatz solcher Geräte wird mit Sicherheit noch steigen. Die Strahlendosis in der Computertomographie zu verringern, ist also eine wichtige Aufgabe.

Technische Maßnahmen zur Dosisreduktion könnten – neben gesetzlichen Vorgaben, wie der Einführung von Referenzdosiswerten für CT-Untersuchungen – die Strahlenbelastung niedriger halten. Ihr Ziel ist es, eine diagnostisch minimal notwendige Zahl von Röntgenquanten einzusetzen und das Signal optimal auszunutzen, die Strahlung also abzuschwächen, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Dafür bietet sich eine Vielzahl von Möglichkeiten an.

Potentiell dosisreduzierende Maßnahmen werden am Erlanger Institut für Medizinische Physik zunächst am Rechner simuliert, im erfolgversprechenden Fall dann am CT-Gerät implementiert und im Einsatz überprüft. Ein Beispiel für signifikante Dosisreduktion ohne negativen Einfluss auf die Bildqualität bietet die anatomieabhängige Röhrenstrommodulation, die ebenfalls in Kooperation mit Siemens Medical Systems durchgeführt wurde. Wie stark die Strahlung im Körper des Patienten geschwächt wird – wie groß also der Rauschbeitrag zum Bild ist – ist davon abhängig, ob die Strahlen seitlich oder von vorn nach hinten einfallen. Diese Unterschiede machen es möglich, den Röhrenstrom während einer Rotation je nach Lage zu regeln und anzupassen. Bis zu 50 Prozent der Dosis können auf diese Weise eingespart werden – für die Patienten eine erhebliche Begrenzung des Risikos.

Kontakt:
Prof. Dr. Willi A. Kalender PhD, Dr. Theobald Fuchs
Institut für Medizinische Physik
Krankenhausstraße 12, 91054 Erlangen
Tel.: 09131/85 -22310, Fax: 09131/85 -22824
E-Mail: willi.kalender@imp.uni-erlangen.de, theo@imp.uni-erlangen.de

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Heidi Kurth idw

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