Medizinische 3D-Welten
Mit Algorithmen dem Tumor auf der Spur

Auf Röntgen- und Ultraschallbildern erkennt der Laie nur verschwommene Grautöne. Und auch Ärzten fordert die Analyse viel Interpretationsgeschick ab. Schnelle Computer und fortgeschrittene Mathematik sollen Abhilfe schaffen.
  • 0

Das Bild hat Geschichte geschrieben: Im Dezember 1895 gelang Wilhelm Conrad Röntgen – wenige Wochen nach der Entdeckung der von ihm so genannten X-Strahlen – eine Aufnahme der Hand seiner Frau, nach 20-minütiger Bestrahlungszeit. „Ich habe meinen Tod gesehen“, soll Anna Bertha Röntgen beim Betrachten der Aufnahme ihres Handskeletts mit Ehering gesagt haben.

In den seitdem vergangenen Jahrzehnten haben aus Röntgenbildern gewonnene Diagnosen viele Menschenleben gerettet. Spätestens seit Ende der siebziger Jahre die Computertomographie (CT) entwickelt wurde, ist bei der Bilddiagnostik auch Mathematik im Spiel: Denn die Rohdaten müssen erst in Bilder umgerechnet werden. Doch all diese Techniken, auch die jüngere Magnetresonanztomographie (MRT), haben bis heute den Nachteil, dass die Bilder nur zweidimensional vorliegen – wer als Arzt hier möglichst zuverlässige Diagnosen liefern will, braucht ein geübtes Auge.

Experten wie Hans-Christian Hege wollen den Medizinern die Arbeit erleichtern, indem sie das Schwarzgrau der Röntgentechnik und die Schichtaufnahmen aus CT und MRT in eine dreidimensionale Welt überführen. Im Rahmen mehrerer Projekte am Zuse-Institut Berlin tüfteln der Physiker und seine Kollegen an Algorithmen, die aus Röntgenaufnahmen – etwa eines Hüft- oder Beckenknochens – eine 3D-Rekonstruktion errechnen. Dabei sind einige Hürden zu überwinden: Wie kann der Computer lernen, anhand von Grauwerten zu unterscheiden, ob es sich um Knochen, Gewebe oder einen Tumor handelt? Wie können verschiedene zweidimensionale Datensätze eines Patienten passgenau zusammengeführt werden?

Die 3D-Rekonstruktion aus einem Röntgenbilds ist für Hege und seine Kollegen eine Aufgabe aus der mathematischen Optimierung. „Im Röntgenbild ist die Tiefeninformation verloren, die bekommt man eigentlich auch nicht wieder - es sei denn, man bezieht Vorwissen mit ein“, erläutert Hege den Ansatz der Experten vom ZIB. Er und seine Kollegen haben beispielsweise aus hunderten CT- und Röntgenaufnahmen von Beckenknochen ein statistisches Formmodell entworfen. Davon ausgehend errechnet ihr Algorithmus aus einer – oder mehreren – einzelnen Röntgenaufnahmen die am besten passende 3D-Darstellung.

Die dreidimensionale Rekonstruktion soll zum Beispiel helfen, beim Einsetzen künstlicher Hüftgelenke individuell genauer zu arbeiten, um Komplikationen zu vermeiden und dem Patienten Beschwerden zu ersparen. Einige der Projekte von Heges Arbeitsgruppe, die mit vielen Kliniken weltweit zusammenarbeitet, haben es in die Anwendung geschafft. Künftig wollen sich die Berliner dem Problem der Strahlung widmen – Studien zufolge sind 1,5 Prozent aller Krebserkrankungen auf medizinische Röntgenuntersuchungen zurückzuführen. „Viele Ärzte vermeiden daher CT-Untersuchungen. Eine einzige kann eine Strahlenbelastung von zwischen 250 und 500 Röntgenuntersuchungen verursachen“, sagt Hege. Dieser vernünftige Schritt macht das Beschaffen von Datengrundlagen für die 3D-Modelle allerdings schwieriger.

In einem im Sommer startenden Projekt im Rahmen des neuen Berliner Einstein-Zentrums für Mathematik wollen sich die Mathematiker deshalb künftig mit der Frage beschäftigen, wieviele Röntgenaufnahmen aus welchem Winkel und welcher Intensität nötig sind, um eine realitätsnahe Rekonstruktion eines Körperteils zu bekommen. Das Fernziel: eine Software, die noch während der Patient im Röntgensaal liegt, Anweisungen für die optimalen Aufnahmen gibt.

Der bildgeschützten Früherkennung, Diagnose und Therapie haben sich auch die mehr als 70 Wissenschaftler des Bremer Instituts Fraunhofer MEVIS verschrieben: Mathematiker, Physiker, Informatiker und einige Mediziner entwickeln Software-Assistenten für Krebserkrankungen, Gehirn- und Organuntersuchungen. Der Ruhm des aus einer gemeinnützigen, außeruniversitären GmbH hervorgegangenen Instituts gründet sich neben Erfolgen bei Brustkrebsbehandlungen auf die Expertise bei Leber-Behandlungen: Bis in die neunziger Jahre seien Chirurgen mit einer vereinfachten Vorstellung der Leberanatomie ausgebildet worden, „die stark revidierungsbedürftig war“, berichtet der kommissarische Direktor des Instituts, Horst Karl Hahn. Dabei sei die Leber mit ihren vier Gefäßsystemen, die bei Operationsvorbereitungen allesamt berücksichtigt werden müssen, ein Organ „von besonderer Komplexität“.

„Wir haben durch unsere quantitative dreidimensionale Analyse die Gebiete in der Leber, die von den Gefäßsystemen versorgt werden, so ausgewertet, dass wir verschiedene Schnittführungen bewerten konnten“, beschreibt Hahn die Methode der Leber-Rekonstruktion.

Besondere Expertise hat MEVIS bei der Planung von Leber-Lebendspenden entwickelt - insbesondere in Zusammenarbeit mit asiatischen Kliniken: Denn aus kulturellen Gründen gab es in Japan bis vor kurzem nur sehr wenige Organentnahmen bei Toten. Patienten mit bedrohlicher Leberschädigung können oftmals nur auf eine Lebendspende hoffen. „Es stellt sich die Frage, wie ein Leberteil so entnommen werden kann, dass ein Überleben beider Menschen sicher gewährleistet werden kann“, erläutert Hahn. Seit einigen Jahren wird das von MEVIS entwickelte Verfahren sogar von dem Chirurgen Koichi Tanaka aus Kobe angewendet, der als Koryphäe das Gebiet geprägt hat und die schwierigen Eingriffe früher nur manuell basierend auf Schichtaufnahmen plante.

Auch bei großen und schwer zugänglichen Tumoren bekommen die Chirurgen von den – aus MRT- und CT-Aufnahmen abgeleiteten – 3D-Rekonstruktionen Anhaltspunkte für die Schnittführung im OP. Errechnet wird das alles in Bremen: Über 7000 Datensätze für verschiedene Eingriffe wurden inzwischen in Forschungsprojekten und bei der aus der früheren Mevis gGmbH ausgegründeten Firma Mevis Medical Solutions bearbeitet.

Ihr Knowhow in Sachen Leber wollen die Bremer ausbauen: In Kliniken in Hamburg und Yokohama wird eine im Fraunhofer MEVIS entwickelte Tablet-App getestet, die dem Chirurgen alle relevanten Bilder, Daten und die geplanten Schnitte bereitstellt. In Entwicklung ist auch eine Software für die gezielte Tumorbehandlung per Ultraschall, ohne Skalpell: Diese berechnet, wie sich die Leber mit der Atmung bewegt und soll damit helfen, den Ultraschallstrahl exakt auf den Tumor zu lenken und das benachbarte Gewebe zu schonen.

Eine große Herausforderung ist nach wie vor die Detailarbeit, die nötig ist, um die für jeden Patienten individuellen Operationspläne am Rechner in 3D erstehen zu lassen. „Wir versuchen, Arbeitsschritte zu automatisieren und die Bildanalyse weiter zu verbessern“, sagt Hahn. Manchen Ärzten ist der Aufwand mit den 3D-Simulationen noch zu hoch - „sie sind pragmatisch und gucken dann doch lieber nur schnell aufs Röntgenbild“, wie Hege sagt.

Aber wenn es um komplexe Operationen gehe, „dann sind die Ärzte geradezu begeistert, wenn sie sich das vorher genauer ansehen können oder gar am virtuellen Modell Alternativen durchspielen können“. Aus den Krankenhäusern der Zukunft, da sind beide Experten überzeugt, werden die medizinischen 3D-Welten nicht mehr wegzudenken sein.

Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%