Quantenzählender Computertomographen für den Deutschen Zukunftspreis nominiert

Die Computertomographie (CT) ist eines der wichtigsten Verfahren, um Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers zu gewinnen. Die dreidimensionalen Aufnahmen zeigen feine Unterschiede oder Veränderungen an Organen, Gefäßen und Knochen und helfen, Erkrankungen oder Verletzungen zu erkennen.

Doch eine Weiterentwicklung der bisherigen Technik für noch aufschlussreichere Einsichten - und einen zusätzlichen medizinischen Nutzen - stößt an Grenzen. Gibt es einen Weg, sie zu überwinden?

Professor Thomas Flohr, Dr. Björn Kreisler und Dr. Stefan Ulzheimer haben das Tor zu diesem Weg aufgestoßen. Dazu entwickelten die drei Nominierten eine Reihe innovativer Techniken, um die in der Computertomographie eingesetzte Röntgenstrahlung zu detektieren, sowie weitere technologische Komponenten. Zudem strukturierten sie die digitale Architektur des CT-Systems neu.

Damit gelingt es, bislang nicht mögliche und außerordentlich detaillierte Einblicke in den menschlichen Körper zu gewinnen. Das neuartige Detektorprinzip beruht auf der Zählung und Analyse einzelner Röntgenquanten mit einem kristallinen Material. Das führt zu einer bislang unerreichbaren Auflösung computertomographischer Aufnahmen und liefert zugleich viele wertvolle zusätzliche Informationen.

Medizinische Diagnosen werden so auf eine sichere und verlässliche Basis gestellt, die Entscheidung über die bestmögliche Therapie wird erleichtert oder sogar erst ermöglicht. Thomas Flohr leitet den Bereich CT-Physik bei Siemens Healthineers, Björn Kreisler ist im Unternehmen als Senior Key Expert für Detektoren tätig, Stefan Ulzheimer der Programmleiter für die Counting-Technologie.

Bei der Computertomographie rotiert eine Röntgenquelle rasch um den Körper, der vom Röntgenlicht durchdrungen wird und dabei einen Teil der Strahlung schluckt. Je nach Art und Struktur des Gewebes wird das Röntgenlicht unterschiedlich stark geschwächt, den Rest fängt ein Detektor auf. Beim Scannen des Körpers entstehen so zahlreiche Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven. Ein Computeralgorithmus erstellt daraus eine dreidimensionale Abbildung der untersuchten Körperregion.

Die Daten gewinnt ein herkömmliches CT-System in zwei Schritten: Zunächst verwandelt der Detektor das aufgefangene Röntgenlicht in sichtbares Licht, das dann in ein elektrisches Signal übersetzt wird. Allerdings: Durch die doppelte Signalwandlung gehen Informationen über die Energieverteilung des Röntgenlichts - das in Form einzelner Quanten auf den Detektor trifft - verloren. Und: Die Schärfe der Aufnahmen ist begrenzt.

Diese Hemmnisse hat das nominierte Team beseitigt. Die Nominierten entwickelten einen neuartigen Detektor, der jedes auftreffende Röntgenquant einzeln erfasst und direkt in ein vom Computer verwertbares digitales Signal verwandelt. Experten sprechen dabei von "Quantenzählen". Die Grundlage dafür schafft Cadmium-Tellurid - eine kristalline Verbindung, die das Team erstmals als Material für die medizinische Ganzkörper-Computertomographie nutzbar gemacht hat. Der Werkstoff bringt gleich mehrere Vorteile: Zum einen erhöht er durch die Möglichkeit zum Quantenzählen die Empfindlichkeit der Messungen - und führt zu einer deutlich höheren Auflösung und einem besseren Kontrast der Bilder.

Dadurch sind in den Aufnahmen wesentlich feinere Details erkennbar als bei konventionellen CT-Systemen. Zum anderen lässt sich durch den separaten Nachweis jedes Röntgenquants auch erfassen, welche Energie die Quanten tragen. Diese spektrale Auswertung erlaubt es, anatomische Strukturen besser zu identifizieren und verschiedene Arten von Gewebe sicherer voneinander zu unterscheiden als bislang möglich. Durch die Integration von je zwei Röntgenquellen und Detektoren - das "Dual-Source-Prinzip" - lässt sich zudem eine sehr kurze Belichtungszeit erreichen. So können auch bewegte Organe wie das Herz scharf abgebildet werden.

Überdies verringert die neue Technik die Belastung des Körpers durch die Röntgenstrahlung um bis zu 40 Prozent. Und sie erweitert die Möglichkeiten beim Einsatz von Kontrastmitteln. Diese helfen schon bisher, Weichteilgewebe zu differenzieren und die Blutgefäße besser zu erkennen. Durch die spektrale Auflösung der quantenzählenden CT lassen sich verschiedene Kontrastmittel miteinander kombinieren, um Organe deutlicher unterscheiden zu können - oder besser verträgliche Mittel zu nutzen.

Zentraler Baustein der Innovation ist der Detektor aus Cadmium-Tellurid. Dem nominierten Team und seinen Kolleginnen und Kollegen ist es erstmals gelungen, diesen vielversprechenden kristallinen Werkstoff in ausreichend hoher Qualität zu züchten und für den Nachweis von Röntgenlicht zu präparieren. Zudem entwickelten die Nominierten eine neue Technik der Datenübertragung und der Bildauswertung, mit der sich die anfallenden riesigen Datenmengen schnell verarbeiten lassen.

Die hohe Auflösung und die zusätzlichen Informationen erleichtern es, Erkrankungen zu erkennen und zu verstehen. Selbst winzige Veränderungen im Körper lassen sich frühzeitig feststellen - und gegebenenfalls therapieren. So ermöglicht es die quantenzählende Computertomographie, Verengungen von Arterien - und damit ein erhöhtes Herzinfarktrisiko - zuverlässig zu erkennen. In der Krebsmedizin lassen sich Vorstufen von Tumoren leichter aufspüren als bislang möglich, ebenso Krebsmetastasen.

Zudem hilft die innovative Technik bei der Operationsplanung. Lungenerkrankungen, die besonders feine Gewebestrukturen betreffen, lassen sich direkt diagnostizieren. In der Notfallmedizin ermöglicht die Innovation einen besonders schnellen und verlässlichen Überblick über Verletzungen.

Erste Prototypen von CT-Bauteilen mit der neuen Technik wurden 2008 gebaut, 2014 folgten die ersten klinischen Tests. Seit 2021 sind mehrere Computertomographen mit quantenzählenden Detektoren im klinischen Routineeinsatz. Damit ist Siemens Healthineers weltweit Vorreiter - und will diesen Vorsprung weiter ausbauen: durch Einführung einer kompletten neuen Produktlinie.

Ziel ist es, in den nächsten zehn Jahren mehrere Tausend der innovativen Systeme zu verkaufen und damit mehrere Milliarden Euro Umsatz zu erwirtschaften. Dafür baut das Unternehmen eine neue Anlage zur Züchtung von Cadmium-Tellurid-Kristallen und plant die Erweiterung der Fertigungseinrichtungen für CT-Systeme in Forchheim. Das wird zahlreiche neue Arbeitsplätze schaffen - bei Siemens Healthineers ebenso wie bei Zulieferunternehmen.

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Quelle: Deutscher Zukunftspreis