Strahlen auf Rezept

Der gläserne Mensch – in der Medizin scheint er auf positive Weise Wirklichkeit geworden zu sein. Die mittlerweile fast handgreiflichen Ansichten innerer Organe lassen dabei fast vergessen, dass sie ihre Herkunft unsichtbaren Strahlen und winzigen Teilchen verdanken.

Auch wenn sich die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene oft nur in der abstrakten Sprache der Mathematik adäquat beschreiben lassen, eröffnen sie uns faszinierende Einblicke in den menschlichen Körper. Was den Wissenschaftlern einst Kopfzerbrechen bereitete, hilft heutzutage dabei, Krankheiten immer besser zu diagnostizieren und Operationen zu planen. Und die Möglichkeiten sind noch längst nicht ausgeschöpft.

Fantastische Einblicke

Alles ist vorbereitet für eine komplizierte Operation. Der Chirurg schweift mit seinem Blick durch das Innere des Brustraums, ungehindert durch Haut und Rippen. Zunächst betrachtet er eingehend die Lunge mit ihren fein verästelten Gefäßen: Frische Luft durchströmt nach wie vor beide Lungenflügel des Patienten. Auch der Anblick des Herzens beruhigt den Arzt: Die Klappen öffnen und schließen sich ohne jede Beanstandung, das Herz schlägt ruhig und gleichmäßig. Noch wurde kein Skalpell zum Schnitt angesetzt, kein Tropfen Blut ist geflossen. Die Operation kann beginnen - die beschriebene Situation ist gewiss noch eine Zukunftsvision, aber eine Vision, welche Forscher und Techniker bei der Entwicklung neuer Verfahren für die medizinische Bildgebung durchaus beflügelt.

Rätselhafte Strahlen...

Das Röntgenbild zeigt die Handknochen von Wilhelm Röntgens Frau. Deutlich sind Mittelhand und Fingerknochen zu erkennen. Wesentlich dunkler setzt sich ein Punkt am Ringfinger der Dame ab, verursacht durch das Edelmetall des Rings.
Das erste Röntgenbild

Im Jahre 1895 berichtete ein bis dahin unbekannter Würzburger Physiker von einer folgenreichen Beobachtung: „Hält man die Hand zwischen den Entladungsapparat und den Schirm, so sieht man die dunkleren Schatten der Handknochen, in dem nur wenig dunklen Schattenbild der Hand.“ Dieser unerwartete Einblick war die Folge einer Zufallsentdeckung. Wilhelm Röntgen wollte in seinen Versuchen mit einer Kathodenstrahlröhre eigentlich den elektromagnetischen Erscheinungen auf den Grund gehen. Die Röhre hatte er dabei, so dachte er zunächst, sorgfältig mit einer Papphülle abgeschirmt.

Als er jedoch feststellte, dass ein neben der Röhre stehender Schirm während der Versuche zu leuchten begann, genauer fluoreszierte, setzte er fast alles, was ihm in die Finger kam, der rätselhaften Strahlung aus, die er für das Leuchtphänomen verantwortlich machte: „ein Buch von 1000 Seiten, ein doppeltes Whistspiel, einzelne Spielkarten“, und die Hand seiner Frau. Röntgen, ein äußerst sorgfältiger Experimentator, ließ nichts unversucht. Die meisten Materialien schwächten die X- Strahlen, wie Röntgen sie taufte, nicht nennenswert ab. Verschiedene Metalle vermochten die Strahlung dagegen deutlich abzuschirmen.

... und ihr durchdringender Erfolg

Den Nutzen von Röntgens Entdeckung erkannte man unmittelbar. Der Siegeszug der X-Strahlen war deshalb geradezu schwindelerregend. Mediziner begeisterten sich für den unverstellten Blick in den transparent gewordenen menschlichen Körper. Die Zahl der wissenschaftlichen Arbeiten zum Thema explodierte geradezu.

Der Erfolg der Röntgenstrahlung trieb kuriose Blüten. Sogar die Passform von Schuhen ließ man mit ihnen überprüfen. Doch ein schmerzhafter Selbstversuch des amerikanischen Ingenieurs Elihu Thomson wies bereits 1896 auf schädliche Nebenwirkungen hin. Er setzte sich regelmäßig längerer Röntgenbestrahlung aus. Die Folgen: Wie bei einem starken Sonnenbrand lösten sich Teile der Haut ab und heilten nur äußerst ungenügend. Damit war der, zugegeben unfreiwillige, Grundstein für die Strahlenbiophysik gelegt, die sich mit der Wirkung ionisierender Strahlen auf Organismen beschäftigt.

Röntgenbild, auf dem sich die Knochen der Hand weiß vor dem dunklen Hintergrund abzeichnen. Die Haut um die Knochen ist eher schwach und diffus zu erkennen.
Modernes Röntgenbild

Die Physiker wurden indes lange Zeit mit den X-Strahlen nicht so recht froh. Der hochangesehene Professor für theoretische Physik Arnold Sommerfeld klagte noch 1905: „Es ist eigentlich eine Schande, dass man 10 Jahre nach der Röntgenschen Entdeckung immer noch nicht weiß, was in den Röntgenstrahlen los ist.“ Erst 1912 erhielt man Klarheit über die Natur der rätselhaften Strahlen, als sich zeigte, dass es sich wie das sichtbare Licht um elektromagnetische Strahlung handelt, nur mit einer viel kürzeren Wellenlänge. Diese entsprach etwa den kürzesten Atomabständen in Kristallgittern. Eine Tatsache, die sich als äußerst weittragend erweisen sollte und schließlich 1953 zur Aufklärung der Struktur der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA) beitrug.

Mit dem Computer in die dritte Dimension

Der Röntgenblick in den Körper bleibt zweidimensional, die Aufnahme enthält keine räumliche Information. Alles, was zwischen Röntgenstrahl und Fotoplatte oder Röntgenschirm liegt, wird übereinander projiziert, die uninteressanten Körperschichten überschatten dabei gewissermaßen die interessierenden Regionen.

Erst der Computer brachte einen entscheidenden Durchbruch. Der südafrikanischamerikanische Physiker Allan Cormack beschrieb bereits 1963 die theoretischen Grundlagen für die Computertomographie oder kurz CT. Knapp zehn Jahre später realisierte der britische Ingenieur Godfrey Hounsfields den ersten Computertomographen. Die Röntgenröhre wird kreisförmig, neuerdings auch auf einer Schraubenlinie, um den Körper herum geführt und sendet so ihre Strahlen aus vielen Richtungen durch einen Querschnitt des Körpers. Ein empfindlicher Detektor nimmt alle Signale auf, welche dann von einem Computer gespeichert und verarbeitet werden. Der unbefangene Blick auf die Röntgenbilder ist einer komplizierten Rechenprozedur gewichen. Erst damit lassen sich aus der Datenflut der Messwerte räumliche Bilder des Körperinneren rekonstruieren. Dann bietet sich beispielsweise nicht mehr nur ein Bild übereinander projizierter Umrisse der Knochen, sondern ein Anblick ihrer Lage zueinander oder ihres inneren Aufbaus.

Der Dreh mit dem Kern

Der menschliche Körper ist außer für Röntgenstrahlen auch für Kurz- und Ultrakurzwellen (Radiostrahlung) durchlässig, deren Wellenlängen im Zentimeterbereich liegen. Direkt durchleuchten lässt sich der Körper damit wegen optischer Begrenzungen zwar nicht. Aber 1973 erkannte der Amerikaner Paul C. Lauterbur, wie sich die Kurzwellenstrahlung trotzdem für die medizinische Bildgebung ausnutzen lässt. Es war bekannt, dass der Kern des Wasserstoffatoms, der nur aus einem Proton besteht, im Magnetfeld besonders ausgeprägt Kurzwellenstrahlung absorbiert. Da der menschliche Körper zu mehr als siebzig Prozent aus Wasser besteht, und Wasser wiederum aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, ist der Kern des Wasserstoffs am häufi gsten im lebenden Gewebe vertreten. Im konstanten Magnetfeld richten sich die so genannten Spins (oder magnetischen Momente) der Wasserstoffkerne aus. Dabei sind nur zwei Einstellungen möglich: parallel oder antiparallel zum Magnetfeld, wobei die parallele ein wenig häufiger auftritt. Mit einem Hochfrequenzsignal zwingt man nun die Spins zum „Umklappen“. Dabei entsteht ein messbares Signal. Die Art und Weise, wie die Spins der Wasserstoffkerne nach dem Umklappen wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückfi nden und wieder angeregt werden können, unterscheidet sich in verschiedenen Gewebearten. Deswegen liefert die so genannte Kernspintomographie (oft auch als Magnetische Kernresonanztomographie bezeichnet) äußerst kontrastreiche Bilder vor allem der Weichteile. Entzündungen oder Tumore beeinflussen zusätzlich die Gewebeeigenschaften und lassen sich somit ebenfalls sichtbar machen. Die räumlichen Verhältnisse erhält man durch weitere veränderliche Magnetfelder, die dafür sorgen, dass nur Wasserstoffatome in einem bestimmten Bereich auf die Kurzwellenstrahlung reagieren.

Vier Bilder vom Kopf eines Patieten, je zweimal im senkrechten und zweimal im waagrechten Querschnitt. Bei PET leuchtet das Gewebe des Gehirns in blau und grün, ein Tumor ist an seiner gleb-rötlichen Farbe zu erkennen. Die Bilder des MRT sind in schwarz-weiß, der Tumor zeichnet sich als dunkler Fleck im sonst grauen Gewebe ab.
MRT- und PET-Aufnahmen eines Gehirns

Zunächst war die Kernspintomographie vor allem für Untersuchungen des Gehirns gedacht. Erst mit größeren, supraleitenden Magneten ließ sich auch der gesamte Körper abbilden. Neben Tomographen, die den Patienten vollständig umschließen, existieren mittlerweile auch offene Bauarten, die ärztliche Eingriffe während der Bildaufnahme erlauben. Die Möglichkeiten der Kernspintomographie auszuschöpfen stellt eine Fülle kniffliger wissenschaftlicher und technischer Probleme. So versucht man, mit komplizierteren Folgen von Hochfrequenzimpulsen neue Strukturen sichtbar zu machen oder Störeffekte zu vermeiden. Je mehr Daten und Bilder dabei anfallen, umso leistungsfähiger müssen die Computer für die Bildverarbeitung sein. Das gilt auch für jede Steigerung des Auflösungsvermögen, das derzeit im Bereich eines Millimeters liegt.

Wer weiß, welche neuen, überraschenden Methoden weitere Einblicke in den Körper gewähren? Ob sich die vielfältigen Verfahren der medizinischen Bildgebung tatsächlich einmal so weit entwickeln lassen, dass sie einen vollständigen virtuellen Flug durch das Innere des Menschen gestatten, ist dabei natürlich ungewiss. Den gemeinsamen Anstrengungen von Medizinern, Physikern und Informatikern ist es auf jeden Fall zu verdanken, dass wichtige Stationen auf dem Weg dorthin bereits erreicht worden sind.

Grundlagenforschung zum Einatmen

Mit immer schnelleren Bildfolgen lassen sich in der Kernspintomographie mittlerweile auch Körperfunktionen sichtbar machen, etwa das Schlagen des Herzens. Doch die Lungenaktivität kann mit den herkömmlichen Methoden nicht oder nur sehr unzureichend beobachtet werden. So befi nden sich in luftgefüllten Lungengefäßen zu wenig Wasserstoffkerne, um ein merkliches Resonanzsignal zu liefern. Doch gerade die Verstopfung von Lungengefäßen, die so genannten Lungenembolien, gehören zu den lebensgefährlichen Komplikationen bei Operationen und Entbindungen. Diese frühzeitig zu erkennen könnte helfen, Menschenleben zu retten.

Ein unerwarteter Fortschritt kam aus der Elementarteilchenphysik. Mainzer Physiker hatten ein Verfahren entwickelt, um so genanntes spinpolarisiertes Helium-3 Gas herzustellen, mit dem sich Neutronen (neben den Protonen und Elektronen Grundbausteine der Materie) polarisieren lassen. Nach ihren erfolgreichen Experimenten warfen die Mainzer Physiker einen Blick über den Tellerrand des eigenen Forschungsgebietes hinaus. Warum nicht die Eigenschaften des Helium-3 Gases für die medizinische Bildgebung nutzen? Atmet ein Patient mit der Luft eine geringe Beimischung spinpolarisierten Helium-3 Gases ein, so lässt sich damit auch in der Atemluft ein messbares Resonanzsignal erzeugen. Die Verteilung der eingeatmeten, frischen Luft in der Lunge wird somit sichtbar. Die ersten Versuche mit Testpersonen verliefen vielversprechend. Jetzt gilt es, die Methode bis zur klinischen Einsatzreife weiterzuentwickeln und dabei immer feinere Gefäßstrukturen in der Lunge aufzulösen.

Heilen mit Licht

Schon kurz nach der Entwicklung des Lasers 1960 stießen die Eigenschaften dieser neuartigen Lichtquelle auch auf das Interesse der Mediziner. Ihnen hatte es besonders die Fähigkeit des Lasers angetan, exakt bemessene Energieportionen gezielt im Körper deponieren zu können. Die breite Palette an unterschiedlichen Lasertypen ermöglicht mittlerweile eine ebenso große Bandbreite an medizinischen Anwendungen.

Wie der Laser dabei wirkt, hängt von seiner Wellenlänge ebenso ab wie von seiner Intensität und Anwendungsdauer. Der große Vorteil des Laserlichts im Vergleich etwa zum Licht einer Zimmerlampe besteht darin, dass sich seine Energie wesentlich besser bündeln lässt.

Während etwa eine Glühbirne Licht verschiedener Wellenlängen ungeordnet in alle Richtungen strahlt, sendet ein Laser Licht in einem eng gebündelten Strahl mit nur einer Wellenlänge aus, der sich auch auf langen Strecken kaum auffächert. Die Lichtwellen befinden sich dabei quasi im Gleichtakt . Mit optischen Linsen lässt sich das Laserlicht und damit auch seine Energie auf immer kleinere Bereiche konzentrieren. Durch die Betriebsart des Lasers lässt sich die Intensität seines Strahls weiter steigern. Statt einen kontinuierlichen Laserstrahl auszusenden, kann er auch „gepulst“ betrieben werden, das heißt er gibt sein Licht in abgehackten Portionen ab. Allgemein gilt: Leistung ist Energie pro Zeit. Verkürzt man die Pulsdauer, so steigt bei gleichem Energieaufwand die Strahlungsleistung des Lasers. Nur so lassen sich gigantische Intensitäten für fast unmessbar kurze Zeiten aufrecht erhalten.

Von der Wärme zur Stoßwelle

Laserlicht kann auf sehr unterschiedliche Weise heilsame Wirkungen entfalten. So sagt man längeren Bestrahlungen mit Laserlicht geringer Intensität eine Beschleunigung der Wundheilung nach. Höhere Intensitäten eröffnen den Bereich der photothermischen Wechselwirkung, die mittlerweile einen festen Platz in der Tumortherapie gefunden hat. Die eingestrahlte Lichtenergie wird im Körper in Wärme umgewandelt, wobei Temperaturen zwischen etwa 50 bis 150 Grad Celsius erreicht werden. Da Tumorzellen temperaturempfindlicher sind als gesunde Zellen, lassen sie sich auf diese Weise gezielt zerstören (Hyperthermie). Je nach Höhe der Temperatur werden entweder die Eiweißstrukturen der Tumorzellen zerstört (denaturiert) oder die Zellen verdampfen vollständig.

Aus der Augenheilkunde ist der Laser ebenfalls nicht mehr wegzudenken. Das „Festkleben“ abgelöster Netzhaut gehörte zu den ersten medizinischen Laseranwendungen überhaupt. Und mit der mikrometergenauen Abtragung von Hornhaut durch einen Laser lässt sich starke Fehlsichtigkeit korrigieren. Im Bereich hoher Intensitäten und kurzer Wechselwirkungszeiten nutzt man den Laser für das Trennen von Gewebesträngen und, wie bereits erwähnt, das Zertrümmern von Steinen in Niere oder Galle. Hier spricht man von der photomechanischen Wirkung des Laserlichts.

In einigen Fällen ersetzt der Laser bereits das Skalpell und ermöglicht berührungs- und damit keimfreie Schnitte, bei denen es nur selten zu Blutungen kommt. Für die Chirurgen bedeutet das bessere Sicht auf die zu operierenden Stellen.

Klarer Blick durch trübe Medien

Bei den ersten Einsätzen des Lasers in der medizinischen Praxis hing der Erfolg einer Behandlung hauptsächlich vom Geschick und der Erfahrung des Arztes ab. Man wusste zwar etwa, dass Blut vor allem grünes Licht schluckt, wohingegen die Hornhaut des Auges, da sie zum Großteil aus Wasser besteht, stärker im Infrarotbereich absorbiert. Doch nur wenig war darüber bekannt, wie genau sich Laserlicht im Körpergewebe ausbreitet und dort seine Wirkung entfaltet.

Schwierig ist dies vor allem deshalb, weil biologisches Gewebe zu den so genannten trüben Medien zählt. Darin breitet sich das Licht nicht so einfach und vorhersagbar aus wie in einem System aus geschliffenen Glaslinsen oder einem homogenen Körper. Stattdessen wird ein Großteil des Lichts in die verschiedensten Richtungen gestreut oder teilweise absorbiert. Deshalb hat sich ein eigener Zweig der Physik, die so genannte Gewebeoptik etabliert, um die optischen Eigenschaften des Körpergewebes quantitativ zu untersuchen. Diese sind im lebenden Organismus einer direkten Messung nicht zugänglich, doch lassen sie sich anhand von Messungen an Gewebeproben verbunden mit Computersimulationen immer präziser erschließen.

Für Medizinphysiker sind die vielen Aspekte bei der Wechselwirkung von Laserlicht mit dem Körpergewebe ein interessantes Forschungsfeld. Ihr Ziel ist es, Computerprogramme zu entwickeln, mit denen sich wirksame Laserbestrahlungen von Tumoren zeitsparend und vor allem erfolgreich planen lassen. Denn sonst besteht die Gefahr, dass auch gesundes Gewebe geschädigt wird. Das gilt vor allem für die Entfernung von Hirntumoren, wo die Gefahr irreparabler Schäden besonders groß ist. Gleichzeitig muss aber auch gewährleistet sein, dass alle Tumorzellen vernichtet werden, denn sonst drohen neue Wucherungen.

Schwere Geschütze

Neben Röntgen- und Laserstrahlen können auch Teilchen Tumorgewebe zerstören. Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt behandelt man Krebspatienten mit Kohlenstoffionen, die in einem etwa 200 Meter langen unterirdischen Ringbeschleuniger normalerweise fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, um Teilchenphysik zu betreiben. Schwere Ionen (Atome, die Elektronen verloren haben) geben fast ihre gesamte Energie erst am Ende ihrer Bahn durch den Körper ab. Röntgenstrahlen verlieren dagegen schon auf dem Weg zum Tumor viel Energie und schädigen so auch gesundes Gewebe.