Was wäre die Medizin ohne Bilder aus dem Körperinnern? Den Grundstein legte Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923). Vor seiner Entdeckung der Röntgenstrahlen am 8. November 1895 musste man den Körper chirurgisch öffnen, wenn man hineinschauen wollte. Bis in die 60er-Jahre des 20. Jahrhunderts erzeugten Untersuchungen mit Röntgenstrahlen lediglich zweidimensionale, nicht sehr präzise Bilder. Zudem waren die Untersuchungen für Patienten oft unangenehm. Erst ab Anfang der 70er-Jahre verbesserte sich die Technik grundlegend: Computertomografie, nuklearmedizinische Verfahren, Magnetresonanztomografie und Ultraschalltechniken liefern heute exakte, hochauflösende Resultate und sind für Patienten weitgehend schmerzfrei. Die Computertomografie hat mehrere „Väter“. Einer von ihnen war der Brite Godfrey Newbold Hounsfield. Gemeinsam mit dem Physiker Allan McLeod Cormack (1924–98) erhielt er dafür 1979 den Nobelpreis für Medizin.
Röntgenbilder erhält man, wenn Röntgenstrahlen aus einer Röntgenröhre durch verschiedene Körpergewebe laufen und dabei mehr oder weniger abgeschwächt werden. Die Abschwächung wird mit einem Detektor gemessen, dabei werden Strahlen in sichtbare Signale umgewandelt. Im einfachsten Fall ist der Detektor ein Fotofilm. In modernen Röntgen- und Computertomografiesystemen trifft die Strahlung auf einen digitalen Chip, ähnlich dem in einer digitalen Fotokamera. Mittels konventioneller Radiologie ist ein Blick in den Brustkorb möglich, auch den knöchernen Bewegungsapparat kann man gut darstellen. Doch das Gehirn ist mit konventionellen Verfahren nicht zu sehen. Denn der Schädelknochen schwächt die Röntgenstrahlen so stark, dass man Dichteunterschiede des Hirngewebes nicht identifizieren kann. Erkennbar sind lediglich Veränderungen mit einer Dichte, die wesentlich höher oder niedriger als die des Knochens ist, etwa Plexuskalk und Verkalkungen der Epiphyse. Wollte man zum Beispiel Raumforderungen oder Verlagerungen von Hirnanteilen sichtbar machen, brachte man Luft als „negatives“ Kontrastmittel in das Ventrikelsystem ein und fertigte anschließend Nativröntgenaufnahmen des Schädels an (Pneumenzephalografie). Jodhaltiges Kontrastmittel diente zur Darstellung der Gefäße.
Eine Tomografie (= Schnittzeichnung, Schichtbild) gab es schon bei den konventionellen radiologischen Verfahren. Allerdings störten hier „Verwischungen“, die bei der Computertomografie vermieden werden. Diese liefert transversale Schnittbilder. Das Wort „Computer“ zeigt an, dass beim Errechnen der Schnittbilder aus Röntgenbildern der Computer unverzichtbar ist.
Godfrey Hounsfield wurde 1919 im kleinen Ort Nottinghamshire geboren und wuchs als jüngstes von fünf Kindern auf der elterlichen Farm auf. Früh interessierte er sich für die technischen Geräte, mit denen die Erwachsenen auf der Farm arbeiteten, und beschäftigte sich mit Mathematik und Physik. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete er bei der Royal Air Force als „Radar Mechanic Instructor“ und absolvierte eine radiotechnische Ausbildung am Royal College of Science in South Kensington und an der Radar School in Cranwell. Nach dem Krieg studierte er in London Elektrotechnik, 1951 erhielt er sein Ingenieursdiplom und arbeitete beim britischen Elektronikkonzern Electrical and Musical Industries (EMI) in Hayes/Middlesex an Radar- und Leitwaffensystemen. Sein besonderes Interesse galt der Rechentechnik. Ab 1958 leitete er die Entwicklung der ersten britischen Großrechenanlage EMIDEC 1100, die vollständig aus Transistoren bestand. Weil die Beatles so erfolgreich waren, verfügte EMI über viel Geld und ließ Hounsfield bei seinen Forschungen freie Hand. Wie konnte man das Körperinnere überlagerungsfrei darstellen? Bei einem „normalen“ Röntgenbild, etwa des Bauches, durchlaufen die Röntgenstrahlen Haut, Knochen, Muskeln und Bauchorgane, das resultierende Bild stellt Organe und Gewebe überlagert dar.
Die mathematische Grundlage zur Lösung des Problems lag bereits vor, als Hounsfield und Cormack noch nicht geboren waren: 1917 veröffentlichte der österreichische Mathematiker Johann Radon (1887–1956) seine Arbeit „Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten“. Eine wichtige praktische Anwendung der „Radon-Transformation“ ist die Computertomografie. Doch zu Radons Zeit gab es die für die Anwendung erforderlichen Rechner noch nicht.
Ein weiterer Pionier auf dem Weg zur Computertomografie war der US-amerikanische Neurologe William Oldendorf (1925–1992). Bereits 1961 beschrieb er im Journal „Bio Medical Electronics“ ein computertomografisches Bildgebungsverfahren. Doch seine Arbeiten wurden wenig beachtet.
Unabhängig von Hounsfield beschäftigte sich der Physiker Allan Cormack mit dem Problem der überlagerungsfreien Bildgewinnung. In Südafrika geboren, arbeitete er ab 1950 in Kapstadt als Physiklehrer und betreute nebenbei im Krankenhaus den Einsatz von Radioisotopen, die seit den 40er-Jahren für die medizinische Diagnostik genutzt wurden. Eigentlich war sein Spezialgebiet die Teilchenphysik. Doch ab Mitte der 50er-Jahre entwickelte er die mathematisch-theoretischen Grundlagen der Computertomografie. 1963 und 1964 veröffentlichte er im „Journal of Applied Physics“ eine Theorie, mit der ein durch Röntgenstrahlen erzeugtes Querschnittsbild berechnet werden kann: „Representation of a function by its line integrals, with some radiological applications.“ Physiker nutzten die Theorie für die Bildrekonstruktion ihrer elektronenmikroskopisch und radioastronomisch gewonnenen Messdaten, doch ihre Bedeutung für die medizinische Diagnostik erkannte zunächst niemand und eine experimentelle Überprüfung fand nicht statt. Erst in den 70er-Jahren wurde ihr Nutzen offensichtlich.
Hounsfield kannte Cormacks Theorie der Bildrekonstruktion nicht. In Zusammenarbeit mit dem Neuroradiologen James Ambrose entwickelte Hounsfield 1968 den ersten Scanner, der mit Röntgenstrahlen arbeitete. Man verwendete nur anatomische Hirnpräparate, denn die Vermessung eines Hirns dauerte bis zu neun Stunden und die Bildrekonstruktion weitere zweieinhalb Stunden! Weiße und graue Hirnsubstanz ließen sich nur partiell unterscheiden. Nach mehrjähriger Arbeit war es schließlich so weit: Am 1. Oktober 1971 wurde im Atkinson Morley’s Hospital in London erstmals eine Patientin, die an einem Hirntumor litt, mit einem Computertomografen untersucht. Der Neurochirurg, der die Patientin anschließend operierte, bestätigte die gute Übereinstimmung von Operationssitus und CT-Bildern. Ein Jahr später präsentierte Hounsfield der Welt „EMI Mark 1“, den ersten kommerziell erhältlichen Computertomografen. Er verfügte über nur einen Detektor, der gegenüber der Strahlenquelle lag und mit dieser um den Patientenkopf rotierte. Die Aufzeichnung einer einzelnen Hirnschicht dauerte mehr als fünf Minuten! Zum Vergleich: Heutige Geräte besitzen mehr als 4.000 Detektoren. Trotz der langen Untersuchungszeit war der Gewinn an Information beträchtlich: Erstmals ließen sich Körperquerschnitte schichtweise abbilden. Auch Weichteilstrukturen, die sich in ihrer Dichte nur geringfügig unterschieden, wurden sichtbar.
1973 veröffentlichten Ambrose, Hounsfield und weitere Autoren im „British Journal of Radiology“ ihre ersten Ergebnisse aus der Humanmedizin: „Computerized transverse axial scanning (tomography). Parts 1, 2, 3.“ Sie ließen keinen Zweifel daran, dass die Computertomografie als bildgebendes Verfahren in der klinischen Diagnostik eingesetzt werden sollte. Ambrose ordnete das neue Verfahren in der Tradition der vom Röntgenbild eröffneten nichtinvasiven, bildgebenden Diagnostik ein: „Computerized transverse axial scanning is a new method of ,imaging‘ (…).“
Ein Computertomografiesystem besteht aus einem Tisch für den Patienten und einem Ring, auf dem Röntgenröhre und Detektor montiert sind. Während der Ring sich um den Patienten dreht, messen die Detektoren kontinuierlich die Stärke der auftreffenden Röntgenstrahlen. In modernen CT-Geräten rotiert die Röntgenröhre pro Sekunde viermal um den Patienten, das entspricht einer Geschwindigkeit von etwa 40 Kilometern pro Stunde. Damit ist das System starken Fliehkräften ausgesetzt. Patienten hören während der Untersuchung lediglich ein leises Summen.
Für die CT-Zahl oder den CT-Wert schlug Hounsfield eine Skala vor, die seitdem nach ihm benannt ist. Mit sogenannten Hounsfield-Einheiten (HE) wird die Abschwächung der Röntgenstrahlen im Gewebe beschrieben und in Graustufen sichtbar gemacht. Dabei resorbiert Luft Röntgenstrahlen praktisch nicht und hat definitionsgemäß den CT-Wert -1.000. Wasser entspricht dem CT-Wert 0. Fett resorbiert Röntgenstrahlen etwas weniger als Wasser und hat den Wert -100. Weiße Hirnsubstanz entspricht 30 bis 35 HE, graue Hirnsubstanz 40 bis 45 HE. Knochen zeigt je nach Dichte Werte um 1.000 HE.
Bis 1976 leitete Hounsfield den Bau von vier Prototypen für den klinischen Einsatz. Scan-Zeit und Bildqualität haben sich seitdem kontinuierlich verbessert: Der Physiker Willi Kalender führte Ende der 80er-Jahre die sogenannte Schleifenringtechnik ein. Bis dahin gelangte der Strom durch ein Kabel zur Röntgenröhre. Deshalb musste diese spätestens nach einer Rotation um 360 Grad angehalten und in ihre ursprüngliche Position zurückgeführt werden. Die Schleifenringtechnik erlaubte nun eine kontinuierliche und kabellose Rotation von Röntgenröhre und Detektoren, was die Untersuchungszeit weiter verkürzte. Bewegte sich die Untersuchungsliege zunächst ruckartig, erfolgt diese Bewegung bei der Spiral-Computertomografie kontinuierlich. Neueste Geräte haben eine Scan-Zeit von weniger als 200 Millisekunden. Damit dauert heute eine CT-Untersuchung vom Scheitel bis zum Becken mit mehreren Tausend Schichtbildern weniger als eine Minute! Die Anzahl durchgeführter Messungen liegt dabei im Milliardenbereich. Sogenannte Mehrzeilergeräte erfassen auch Organe wie Herz und Lunge, die sich schnell bewegen, mit einer einzigen Röntgenröhrenumdrehung, was besonders in der Kardiologie von Vorteil ist. 3-D-Rekonstruktionen helfen bei der Vorbereitung von Operationen.
Die unabhängig voneinander ausgezeichneten Forscher Hounsfield und Cormack sahen sich zum ersten Mal bei der Verleihung des Nobelpreises. Sir Godfrey Hounsfield wurde 1981 von der britischen Königin zum Ritter geschlagen. Seine Pionierleistung auf dem Gebiet bildgebender Verfahren stieß die Entwicklung weiterer Verfahren an, etwa die Magnetresonanztomografie und die Positronenemissionstomografie. 2004 starb Godfrey Hounsfield in Kingston upon Thames.
Literatur
1. Baumgart G: Hounsfield, Godfrey Newbold. In: Gerabek W, Haage B, Keil G, Wegner W (ed.): Enzyklopädie Medizingeschichte. Berlin: De Gruyter Verlag 2005.
2. Friedrich K: Medienbefunde – Digitale Bildgebung und diagnostische Radiologie. Berlin: De Gruyter Verlag 2018.
3. Gomercic H, Kramer M, Mihaljevic M (ed.): CT- und MRT-Atlas: Transversalanatomie des Hundes. Stuttgart: Parey-Verlag 2009.
4. Hosten N, Liebig T: Computertomografie von Kopf und Wirbelsäule. 2nd edition. Stuttgart: Thieme Verlag 2007.
5. Krestel E (ed.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. Berlin: Siemens Aktiengesellschaft Verlag 1980.
6. Von Schulthess G: Röntgen, Computertomografie & Co. Berlin: Springer Verlag 2017.
Entnommen aus MTA Dialog 8/2019
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