125 Jahre Röntgenstrahlung 29.01.2020, 13:50 Uhr

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

2020 ist das Jahr der Röntgenstrahlung, denn das Verfahren ist 125 Jahre alt geworden. Für dreidimensionale Bilder aus dem Inneren unseres Körpers, haben sich 3 Forscher von Animationsfilmen inspirieren lassen. Das entstandene Verfahren des Cinematic Rendering gewährt uns einen realistischen Blick auf Organe und Gewebestrukturen.

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Mobile Darstellung von Cinematic-Rendering-Bildern.

Foto: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis 2017

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Cinematic-Rendering-Darstellung der Nervenfasern im Gehirn auf Basis von Magnetresonanz-Daten im Siemens Healthineers Experience Center, Forchheim.

Foto: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis 2017

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Vergleich von klassischer Schnittbildansicht und Cinematic-Rendering-Darstellung (rechts unten) im Siemens Healthineers Experience Center, Forchheim. Zu sehen sind unter anderem die beiden Nieren (rot), Wirbelsäule und Becken.

Foto: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis 2017

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Ganzkörper-CT-Aufnahme, visualisiert mit Cinematic Rendering, im Siemens Healthineers Experience Center, Forchheim.

Foto: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis 2017

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

 Die drei Forscher v.l. Robert Schneider,  Klaus Dieter Engel und Franz A. Fellner.

Foto: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis 2017

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Diese hochauflösende Diffusions-Tensor-Bildgebung zeigt sehr detailliert die weißen Nervenbahnen.

Foto: Max Planck Institut, Leipzig

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Blut in der linken Herzkammer und den Koronargefäßen, Darstellung mit Cinematic Rendering.

Foto: Hospital do Coração, São Paulo, Brasilien

Röntgenbilder, die selbst Laien verstehen

Seitliche Ansicht der im Schädel gelegenen Gefäßstrukturen. Cinematic-Rendering-Darstellung auf der Basis von Bilddaten einer Untersuchung mit einem Angiographie-System und der Syngo-DynaCT-Software.

Foto: Universitätsmedizin Göttingen, Deutschland

In der Medizin ist die Anwendung von bildgebenden Verfahren einer der wichtigsten Bestandteile der Diagnostik. Sie wird seit den späten 1970er Jahren verwendet, um nicht-invasive Untersuchungen an Patienten vornehmen zu können. Die Verfahren und technischen Medizingeräte, die dabei zum Einsatz kommen, haben sich in dieser Zeit stetig weiterentwickelt. Bis nun ein Verfahren entstanden ist, bei dem selbst der Patient selbst erkennen kann, welches Organ abgebildet ist und welche Fehlfunktion möglicherweise vorliegt. Ein Meilenstein der Medizintechnik.

Die bildgebenden Verfahren der heutigen Medizin

Seit Konrad Röntgen mit der Entwicklung des gleichnamigen Gerätes erstmals den Blick in den menschlichen Körper ermöglichte, ist in dem Bereich eine bahnbrechende Weiterentwicklung gelungen. Nicht zuletzt seit bekannt wurde, dass Röntgenstrahlen verschiedenen Körperfunktionen schaden können, wenn sie in großer Menge gebündelt auf den Körper treffen, wurden neue Techniken entwickelt. Wir stellen ihnen verschiedene Verfahren der Tomografie (das Wort stammt übrigens auf dem Altgriechischen und beinhaltet die Worte Schnitt und schreiben) kurz vor:

Die Magnetresonanztomografie (MRT oder Kernspintomografie) erlaubt seither den Blick in den Körper ohne schädliche Strahlung. Die Bilder sind jedoch nicht bei allen Erkrankungen aussagekräftig, sodass das Röntgenverfahren nach wie vor Einsatz findet. Es wurde jedoch ebenfalls weiterentwickelt.

Mittlerweile werden Röntgensignale in Verbindung mit Computersimulationen verwendet. Die Computertomografie (CT) erlaubt nicht nur eine Draufsicht auf das Skelett und die inneren Organe, vielmehr ist es möglich, einzelne Bereiche des Körpers in Schichten darzustellen. Auf diese Weise lassen sich kleinste Veränderungen viel besser erkennen und Probleme genauer lokalisieren.

Mit dem Ultraschall ist ein weiteres Verfahren hinzugekommen, mit dem ein Einblick in das Innere des Körpers gewährt werden kann. Der behandelnde Arzt hat demnach mehrere diagnostische Möglichkeiten, die er abhängig von den Symptomen einsetzen kann. Er braucht jedoch eine gute Portion Erfahrung, um die Bilder beurteilen zu können. Dabei wird ein Arzt in aller Regel von Fachärzten der Radiologie unterstützt, die nochmals eine detaillierte Auswertung der Bilder vornehmen. Gemeinsam wird dann eine Diagnose gestellt und die gezielte Therapie kann beginnen.

Patienten können der Diagnose trotz Bildern nicht folgen

Für den Patienten sind Diagnose und Tomografie-Bilder dagegen Böhmische Dörfer. Zwar bekommen Patienten ihre Bilder seit vielen Jahren zur Aufbewahrung in die Hand gedrückt, um Arztpraxen und Krankenhäuser bürokratisch zu entlasten. Sie bewahren sie Zuhause auf und haben jederzeit Zugriff darauf, doch mit dem Inhalt können sie häufig nichts anfangen.

Im Zuge der Digitalisierung werden die Bilder nicht mehr ausgedruckt, sondern auf einer CD in digitaler Form zur Verfügung gestellt. Damit potenziert sich das Problem des unmündigen Patienten noch, denn selbst wenn ein PC mit entsprechendem Laufwerk im heimischen Büro zur Verfügung steht, kann die CD nicht ausgelesen werden. Und selbst wenn das gelingen sollte, hat der medizinische Laie keine Möglichkeit, den Bildern relevante Informationen zu entnehmen. Die meisten Patienten werden einen Knochenbruch erkennen und auch einen Tumor, wenn dieser auf den Bildern deutlich dargestellt werden kann. Aber dennoch fällt es schwer, die Lage zu bestimmen oder weitere Einzelheiten aus dem Inneren des Körpers zu identifizieren.

Bildgebende Verfahren müssen verständlicher werden

Dabei ist der Blick in den Körper außerordentlich spannend. Einige erinnern sich vielleicht noch an die Zeichentrickserie „Es war einmal das Leben“ aus dem Jahr 1986. Sie ließ den Zuschauer teilhaben am Kreislauf des Lebens, der im Inneren des Körpers stattfindet. Die Idee hat eine besondere Faszination: Wie wäre es, wenn ein Patient im Fernsehen oder auf der Leinwand die Vorgänge in seinem Körpers klar und deutlich verfolgen könnte als würde es sich um einen Kinofilm handeln? Damit wären die Bilder, die von Ärzten beurteilt werden müssen, immer noch ein wichtiger Bestandteil der Diagnose. Doch der Patient wäre nicht mehr ausgeschlossen.

Frauen haben in der Schwangerschaft bereits die Möglichkeit, bei einer Ultraschalluntersuchung mit einem modernen Gerät die Gesichtszüge ihres Babys zu erkennen oder zu erfahren, ob es ein Junge oder ein Mädchen wird. Dieser detaillierte Einblick in den Körper bleibt jedoch vielen Erkrankten verwehrt. Dabei sollte es der technische Fortschritt doch mittlerweile erlauben, eine Kamera so zu positionieren, dass auch medizinische Laien klar und deutlich erkennen können, was in ihrem Körper passiert und welche Funktionen eventuell nicht richtig arbeiten. Das würde das Verständnis für die eigene Krankheit fördern und gleichzeitig spannende Einblicke in das geben, was in unserem Inneren unsichtbar geschieht.

Einem Team aus Ärzten und Forschern ist es nun gelungen, ein entsprechendes System zu entwickeln. Die Idee kam auch in Fachkreisen so gut an, dass sie mittlerweile für den Deutschen Zukunftspreis 2017 nominiert wurde. In unserer Bildergalerie können Sie sich die Ergebnisse des Cinematic Rendering ansehen.

Cinematic Rendering erlaubt filmgleiche Einblicke in den menschlichen Körper

Die Visualisierungsexperten Klaus Dieter Engel und Robert Schneider von Siemens Healthineers haben in Zusammenarbeit mit Franz Fellner, Professor an der Kepler Universitätsklinikum in Linz, eine Möglichkeit entwickelt, mit der die Vorgänge, die sich im Inneren des menschlichen Körpers abspielen, als klassischer Film dargestellt werden können. Dabei bedienten sich die Siemens-Forscher Engel und Schneider

Verfahren, wie sie in modernen Animationsfilmen angewendet werden. Die bildbasierte Beleuchtungsberechnung kam beispielsweise bei „Der Herr der Ringe“ zum Einsatz und wurde von den Forschern nun auf die Medizintechnik übertragen.

Das neue Visualisierungsverfahren Cinematic Rendering nutzt die besonderen Eigenschaften des Lichts, das in Wechselwirkung zu seiner Umwelt steht. Basis des Verfahrens sind CT- und MRT-Rohdaten, aus denen die Reflektion und Streuung der Photonen herausgelesen und mittels eines Algorithmus simuliert wird. Damit werden die Oberflächenstrukturen sichtbar gemacht. Aber nicht nur das, auch wie die Lichtelemente in Gewebe eindringen und sich dort verhalten, kann Cinematic Rendering darstellen. Pro Pixel, so die Forscher, müssen dafür Tausende Photonen-Wechselwirkungen berechnet werden – ein gigantischer Rechenaufwand. Schließlich können die unterschiedlichen Strukturen farblich eingefärbt werden und heraus kommen fotorealistische, dreidimensionale Bilder, die uns staunen lassen.

Seit 2017 wird Cinematic Rendering in der Radiologie eingesetzt. Experten gehen davon aus, dass Patienten und Ärzte gleichermaßen von der neuen Bildgebung profitieren. Behandelnde Ärzte und Chirurgen erlauben die neuen Bilder eine bessere Diagnose, was wiederum zu einer präziseren Vorbereitung etwa bei einem chirurgischen Eingriff führt. Die stärkere Einbeziehung des Patienten in das Diagnoseverfahren hingegen fördert nicht nur das Verständnis zwischen Arzt und Patient, sondern könnte sich auch positiv auf den Genesungsprozess auswirken.

125 Jahre Röntgenstrahlung

2020 jährt sich die Entdeckung der „X-Strahlen“ durch Wilhelm Conrad Röntgen zum 125. Mal. Wenige Monate nach seiner Entdeckung, am 23. Januar 1896, fiel zum ersten Mal der gebräuchliche Begriff Röntgenstrahlen. Das Fraunhofer IIS feiert unter dem Motto #125JahreNeueEinsichten das Röntgenjahr.

Von ingenieur.de und Sarah Janczura

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