Diagnoseverfahren
Immer bessere Bilder für die medizinische Diagnostik
Bei einer PET-Aufnahme wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz injiziert. Diese Radiotracer nehmen am Stoffwechsel im Körper teil, zerfallen nach einiger Zeit und senden dabei Strahlung aus. Bild: HZDR / Artificial Illusions Film OHG
Ob Röntgen, Ultraschall oder Magnetresonanz-Tomographie (MRT) – der Blick in den Körper ist medizinische Routine. Aufnahmen helfen dabei, Diagnosen abzusichern sowie Krankheitsverlauf und Therapie zu verfolgen. Die neueste Entwicklung sind Geräte, die mehrere bildgebende Verfahren kombinieren. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) arbeitet ein Forscherteam an einem Algorithmus, der noch detailliertere Einblicke in den Körper erlaubt
Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist bereits seit 2010 ein solches Ganzkörper-PET-MRT-Gerät installiert. Es erlaubt sehr detaillierte Einblicke ins Körperinnere: Während die PET-Einheit funktionelle Informationen liefert etwa über den Stoffwechsel, fertigt das MRT-System Aufnahmen von den anatomischen Gegebenheiten. Eine PET-MRT-Untersuchung erzeugt somit Bilder, in denen die komplementäre Information beider Untersuchungsmethoden kombiniert vorliegt, was wesentlich beispielsweise für die Diagnostik von Tumoren ist.
Mit dem PET-MRT-Gerät lassen sich beide Verfahren hinterinander durchführen. Der Patient wird auf der sich drehenden Liege erst in das eine und dann in das andere Gerät geschoben. Foto: HZDR/Frank Bierstedt
Allerdings bringt die Kombination von so unterschiedlichen Verfahren wie PET und MRT auch neue Herausforderungen mit sich. Eine wesentliche ist dabei die so genannte Schwächungskorrektur. „Ohne Schwächungskorrektur sind die Informationen über die Stoffwechselvorgänge verfälscht“, erklärt Jens Maus. Das am HZDR installierte Gerät besitzt eine Software, die diese Korrektur übernimmt. Die Ergebnisse sind allerdings nicht immer zufriedenstellend. Deshalb arbeiten die HZDR-Forscher in Kooperation mit dem Gerätehersteller Philips daran, ein verbessertes Verfahren für die Schwächungskorrektur für PET-MRT-Aufnahmen zu entwickeln.
Bei einer PET-Aufnahme wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz injiziert. Die Moleküle dieses Radiotracers nehmen am Stoffwechsel im Körper teil, zerfallen nach einiger Zeit und senden dabei Strahlung aus. Es entsteht ein Paar von Lichtteilchen, die in entgegen gesetzte Richtungen davonfliegen. Detektoren, die ringförmig den Körper des Patienten umfassen, registrieren die Photonen; ein Computer setzt schließlich die Signale zu einem dreidimensionalen Bild zusammen. Weil Krebszellen im Vergleich zu gesunden Zellen einen erhöhten Stoffwechsel aufweisen, reichern sich bestimmte Tracer in ihnen an. Eine PET-Aufnahme kann diese erhöhten Anreicherungen - und damit Tumore oder Metastasen - sichtbar machen.
„Auf ihrem Weg vom Emissionsort zum Detektor passieren die Photonen Gewebe, mit dem sie wechselwirken. Dadurch wird ein Teil von ihnen gestreut oder absorbiert“, erklärt Georg Schramm, der als Doktorand an dem Forschungsprojekt beteiligt ist. „Abhängig vom Weg der Photonen fällt diese Schwächung sehr unterschiedlich aus.“ Denn der Anteil, der abgeschwächt wird, hängt dabei von der Art und Menge des Gewebes zwischen Emissionsort und Detektor ab. So werden beispielsweise bei einer Hirnaufnahme rund 75 Prozent der Photonenpaare und bei einer Aufnahme des Körperstamms bis zu 95 Prozent der Photonenpaare vor der Detektion gestreut oder absorbiert. Erst wenn man die Schwächungskorrektur anwendet, erhält man zutreffende Bilder. Aus diesen Aufnahmen kann der Arzt ablesen, wo sich der Radiotracer im Körper angereichert hat und vor allem wie stark.
Bei gewöhnlichen PET-Geräten gibt es einen einfachen und bewährten Weg, um die Schwächungskorrektur zu ermitteln. Eine zusätzliche Strahlenquelle mit einem radioaktiven Isotop rotiert um den Körper. So wird direkt das Abschwächungsverhalten des Patientenkörpers gemessen und für die Schwächungskorrektur herangezogen. Bei einem kombinierten PET-MRT-Gerät ist dies jedoch nicht möglich – die empfindliche Anlage würde durch die rotierende Einheit gestört.
Bei einer PET-Aufnahme wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz injiziert. Die Moleküle dieses Radiotracers nehmen am Stoffwechsel im Körper teil, zerfallen nach einiger Zeit und senden dabei Strahlung aus. Es entsteht ein Paar von Lichtteilchen, die in entgegen gesetzte Richtungen davonfliegen. Detektoren, die ringförmig den Körper des Patienten umfassen, registrieren die Photonen; ein Computer setzt schließlich die Signale zu einem dreidimensionalen Bild zusammen. Weil Krebszellen im Vergleich zu gesunden Zellen einen erhöhten Stoffwechsel aufweisen, reichern sich bestimmte Tracer in ihnen an. Eine PET-Aufnahme kann diese erhöhten Anreicherungen - und damit Tumore oder Metastasen - sichtbar machen.
„Auf ihrem Weg vom Emissionsort zum Detektor passieren die Photonen Gewebe, mit dem sie wechselwirken. Dadurch wird ein Teil von ihnen gestreut oder absorbiert“, erklärt Georg Schramm, der als Doktorand an dem Forschungsprojekt beteiligt ist. „Abhängig vom Weg der Photonen fällt diese Schwächung sehr unterschiedlich aus.“ Denn der Anteil, der abgeschwächt wird, hängt dabei von der Art und Menge des Gewebes zwischen Emissionsort und Detektor ab. So werden beispielsweise bei einer Hirnaufnahme rund 75 Prozent der Photonenpaare und bei einer Aufnahme des Körperstamms bis zu 95 Prozent der Photonenpaare vor der Detektion gestreut oder absorbiert. Erst wenn man die Schwächungskorrektur anwendet, erhält man zutreffende Bilder. Aus diesen Aufnahmen kann der Arzt ablesen, wo sich der Radiotracer im Körper angereichert hat und vor allem wie stark.
Bei gewöhnlichen PET-Geräten gibt es einen einfachen und bewährten Weg, um die Schwächungskorrektur zu ermitteln. Eine zusätzliche Strahlenquelle mit einem radioaktiven Isotop rotiert um den Körper. So wird direkt das Abschwächungsverhalten des Patientenkörpers gemessen und für die Schwächungskorrektur herangezogen. Bei einem kombinierten PET-MRT-Gerät ist dies jedoch nicht möglich – die empfindliche Anlage würde durch die rotierende Einheit gestört.
Während die PET Stoffwechselprozesse im Körper darstellt, liefert die MRT strukturelle Bilder von Geweben. Bild: Artificial Illusions Film OHG
Deshalb nutzt man einen Kunstgriff. „Aus dem MRT-Bild wird mit Algorithmen abgeleitet, wie groß die Dichte und somit die Photonenabschwächung des Körpers an verschiedenen Stellen ist“, erläutert Jens Maus. Diese indirekte Methode ist jedoch keineswegs trivial, da die Bildintensität in MRT-Aufnahmen nicht direkt im Verhältnis zur Gewebedichte steht, welche für das Schwächungsverhalten maßgebend ist. Deshalb wird in der MRT-basierten Schwächungskorrektur ein anatomisches MRT-Bild in Luft, Lungen- und Weichteilgewebe segmentiert. Jede Gewebeklasse bekommt einen bestimmten Schwächungswert zugeordnet, der in der Schwächungskorrektur der PET-Aufnahme angewendet wird.
Für die meisten Patienten liefert dieses Verfahren ganz gute Werte, wie die HZDR-Forscher herausgefunden haben. In einer Untersuchung, die sie gemeinsam mit der Uniklinik Dresden durchgeführt haben, wurden Patienten mit zwei verschiedenen PET-Geräten untersucht. Zunächst erstellten die Wissenschafter Aufnahmen mit einem gewöhnlichen PET-Gerät, das die Schwächungskorrektur mithilfe einer rotierenden externen Quelle berechnet. Danach kam das kombinierte PET-MRT-Gerät zum Einsatz, das die Korrektur aus den MRT-Aufnahmen ableitet. Beim Vergleich der verschiedenen Bilder zeigte sich, dass die Abweichungen bei den meisten Patienten sehr klein sind. „Bei 90 Prozent unserer Patienten hat diese MRT-basierte Schwächungskorrektur gut funktioniert“, berichtet Jens Maus. Bei jedem Zehnten allerdings gab es Probleme und Abweichungen von bis zu 50 Prozent in der rekonstruierten Tracer-Verteilung. „Wenn im MRT-Bild irgendwelche Fehler auftauchen, kann die Software diese Fehler nicht eliminieren, sondern sie werden immer in die Schwächungsinformation übersetzt“, so Jens Maus. Die möglichen Fehlerquellen sind vielfältig: Künstliche Hüftgelenke zählen dazu oder chirurgische Schrauben und Drähte im Körper.
Deshalb arbeiten die HZDR-Forscher an einer verbesserten, segmentierten MRT-basierten Schwächungskorrektur, wie Georg Schramm beschreibt: „Dabei fließen nicht nur Informationen aus dem MRT-Bild, sondern auch aus dem PET-Bild in die Gewebeklassifizierung ein. Die Gewebearten werden dann besser erkannt, und Artefakte lassen sich kompensieren. Wir erhalten damit ein verbessertes Schwächungsbild.“ Ihren neuen Algorithmus haben die Forscher bereits an Patienten mit Endoprothesen untersucht. Auf einem MRT-Bild sind künstliche Knie- oder Hüftgelenke wie ein blinder Fleck. Die Bereiche liefern kein Signal, und führen so zu falschen Werten bei der Abschwächungskorrektur. Die kombinierte PET-MRT-Ganzkörper-Aufnahme liefert daher keine verlässlichen quantitativen Werte in diesen Regionen. Die falsche Schwächungsinformation im Bereich von Hüft- und Knie-Endoprothesen führt zu einer deutlichen Unterschätzung der Tracer-Anreicherung in diesen Bereichen. „Die Aufnahmen, die wir mit unserem Algorithmus und der verbesserten Segmentierung erhalten, können diese Artefakte kompensieren“, so Georg Schramm, „die Bilder liegen näher an der Wahrheit dran!“
Die Forschungsergebnisse aus dem HZDR kommen bereits einzelnen Patienten zugute. „Die Ärzte informieren uns über Patientenaufnahmen, bei denen es offensichtlich Schwierigkeiten mit der Schwächungskorrektur gibt. Wir erstellen dann zusätzliche Aufnahmen mit unserer verbesserten Schwächungskorrektur, die die Mediziner bei der Diagnose unterstützen“, sagt Jens Maus. Zusätzlich gibt es alle zwei Wochen eine Telefonkonferenz mit dem Gerätehersteller Philips, mit dem man im engen Austausch steht. „Wir arbeiten daran, unsere Methode zeitnah in die klinische Routine zu überführen.“
Für die meisten Patienten liefert dieses Verfahren ganz gute Werte, wie die HZDR-Forscher herausgefunden haben. In einer Untersuchung, die sie gemeinsam mit der Uniklinik Dresden durchgeführt haben, wurden Patienten mit zwei verschiedenen PET-Geräten untersucht. Zunächst erstellten die Wissenschafter Aufnahmen mit einem gewöhnlichen PET-Gerät, das die Schwächungskorrektur mithilfe einer rotierenden externen Quelle berechnet. Danach kam das kombinierte PET-MRT-Gerät zum Einsatz, das die Korrektur aus den MRT-Aufnahmen ableitet. Beim Vergleich der verschiedenen Bilder zeigte sich, dass die Abweichungen bei den meisten Patienten sehr klein sind. „Bei 90 Prozent unserer Patienten hat diese MRT-basierte Schwächungskorrektur gut funktioniert“, berichtet Jens Maus. Bei jedem Zehnten allerdings gab es Probleme und Abweichungen von bis zu 50 Prozent in der rekonstruierten Tracer-Verteilung. „Wenn im MRT-Bild irgendwelche Fehler auftauchen, kann die Software diese Fehler nicht eliminieren, sondern sie werden immer in die Schwächungsinformation übersetzt“, so Jens Maus. Die möglichen Fehlerquellen sind vielfältig: Künstliche Hüftgelenke zählen dazu oder chirurgische Schrauben und Drähte im Körper.
Deshalb arbeiten die HZDR-Forscher an einer verbesserten, segmentierten MRT-basierten Schwächungskorrektur, wie Georg Schramm beschreibt: „Dabei fließen nicht nur Informationen aus dem MRT-Bild, sondern auch aus dem PET-Bild in die Gewebeklassifizierung ein. Die Gewebearten werden dann besser erkannt, und Artefakte lassen sich kompensieren. Wir erhalten damit ein verbessertes Schwächungsbild.“ Ihren neuen Algorithmus haben die Forscher bereits an Patienten mit Endoprothesen untersucht. Auf einem MRT-Bild sind künstliche Knie- oder Hüftgelenke wie ein blinder Fleck. Die Bereiche liefern kein Signal, und führen so zu falschen Werten bei der Abschwächungskorrektur. Die kombinierte PET-MRT-Ganzkörper-Aufnahme liefert daher keine verlässlichen quantitativen Werte in diesen Regionen. Die falsche Schwächungsinformation im Bereich von Hüft- und Knie-Endoprothesen führt zu einer deutlichen Unterschätzung der Tracer-Anreicherung in diesen Bereichen. „Die Aufnahmen, die wir mit unserem Algorithmus und der verbesserten Segmentierung erhalten, können diese Artefakte kompensieren“, so Georg Schramm, „die Bilder liegen näher an der Wahrheit dran!“
Die Forschungsergebnisse aus dem HZDR kommen bereits einzelnen Patienten zugute. „Die Ärzte informieren uns über Patientenaufnahmen, bei denen es offensichtlich Schwierigkeiten mit der Schwächungskorrektur gibt. Wir erstellen dann zusätzliche Aufnahmen mit unserer verbesserten Schwächungskorrektur, die die Mediziner bei der Diagnose unterstützen“, sagt Jens Maus. Zusätzlich gibt es alle zwei Wochen eine Telefonkonferenz mit dem Gerätehersteller Philips, mit dem man im engen Austausch steht. „Wir arbeiten daran, unsere Methode zeitnah in die klinische Routine zu überführen.“
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