Digitales Röntgen

Erstes 3D-Farb-Röntgenbild menschlichen Gewebes mit CERN-Technologie

MARS bioimaging hat das weltweit erste 3D-Röntgengerät für vollfarbige 3D-Farb-Röntgenaufnahmen entwickelt.

Was wäre, wenn der Arzt eines Krebspatienten anstelle eines schwarz-weißen Röntgenbildes Zugang zu 3D-Farb-Röntgenbildern des Geschwürs hätte, auf denen die unterschiedlichen Gewebe eindeutig identifiziert werden können? Diese 3D-Farb-Röntgentechnik könnte klarere und genauere Bilder liefern und Ärzten damit helfen, genauere Diagnosen für ihre Patienten zu erstellen. Genau dies ist nun dank eines neuseeländischen Unternehmens, das zum ersten Mal einen menschlichen Körper mit einem bahnbrechenden medizinischen 3D-Farb-Röntgengerät auf der Grundlage der am CERN entwickelten Medipix3-Technologie untersucht hat, Realität geworden. Die Wissenschaftler und Professoren Phil und Anthony Butler von den Universitäten Canterbury und Otago sind Vater und Sohn und verbrachten ein Jahrzehnt damit, das Gerät zu entwickeln und zu verbessern. Medipix umfasst eine ganze Produktfamilie von Auslesechips für die Partikelabbildung und -detektion. Das zugrunde liegende Konzept von Medipix besteht in der Funktionsweise einer Kamera, die jedes einzelne Partikel, das auf das Pixel trifft, erkennt und zählt, wenn der elektronische Verschluss geöffnet ist. Dies ermöglicht hochauflösende, kontrastreiche und sehr zuverlässige Bilder und macht 3D-Farb-Röntgengeräte einzigartig für Bildgebungsanwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich. Die Hybrid-Pixel-Detektor-Technologie wurde ursprünglich entwickelt, um den Anforderungen der Partikelverfolgung am Large Hadron Collider gerecht zu werden, und die nachfolgenden Generationen der Medipix-Chips haben in den letzten 20 Jahren das große Potenzial dieser Technologie außerhalb der Hochenergiephysik unter Beweis gestellt. Die Firma MARS Bioimaging Ltd., die das 3D-Farb-Röntgengerät vermarktet, arbeitet mit den Universitäten Otago und Canterbury zusammen. Letztere bildet zusammen mit mehr als 20 Forschungseinrichtungen die dritte Generation der Medipix-Kooperationen. Der Medipix3-Chip ist der fortschrittlichste Chip, der heute erhältlich ist. Professor Phil Butler erklärt: "Die Technologie des Gerätes zeichnet sich unter diagnostischen Gesichtspunkten besonders aus, da durch kleine Pixel und die akkurate Energieauflösung Bilder aufgezeichnet werden, die kein anderes bildgebendes Verfahren erfassen kann."

3D-Farb-Röntgenbild eines Knöchels (Video: MARS Bioimaging Ltd)
Ausschnitt eines gescannten Sprunggelenks (Video: MARS Bioimaging Ltd)

MARS' Ansatz verbindet die spektroskopischen Informationen, die durch den Medipix3-fähigen Detektor erzeugt werden, mit leistungsstarken Algorithmen zur Erzeugung von 3D-Bildern. Die Farben repräsentieren unterschiedliche Energieniveaus der Röntgenphotonen, wie sie vom Detektor aufgezeichnet wurden, und identifizieren somit verschiedene Komponenten von Körperteilen wie Fett, Wasser, Kalzium und Krankheitsmarker.

3D-Farb-Röntgenbild eines Handgelenks mit einer Uhr, das einen Teil der Fingerknochen in Weiß und Weichgewebe in Rot darstellt (Bild: MARS Bioimaging Ltd.)

MARS-Scanner gehen über die traditionelle Schwarz/Weiß-Computertomographie hinaus und erzeugen Farbbilder, bei denen unterschiedliche Strukturen unterschieden werden können. In den oben aufgeführten Bildern werden lediglich Metall, Weichgewebe, Fett und Knochen dargestellt. MARS entwickelt jedoch derzeit ein Gerät, das auch einen Menschen im Ganzen darstellen kann.

"Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die spektrale Bildgebung, wenn sie routinemäßig in Kliniken eingesetzt wird, eine genauere Diagnose und Personalisierung der Behandlung ermöglicht", sagt Professor Anthony Butler. Die Wissenstransfergruppe des CERN verfügt über eine langjährige Expertise in der Übertragung von CERN-Technologien auf medizinische Anwendungen. Für den MARS-Scanner wurde zwischen dem CERN im Auftrag der Medipix3-Kooperation und der MARS Bioimaging Ltd. ein Lizenzvertrag abgeschlossen. Wie Aurélie Pezous, CERN Knowledge Transfer Officer, erklärt: "Es ist immer wieder erfreulich zu sehen, wie unsere Arbeit den Patienten auf der ganzen Welt nutzt. Entwicklungen für den praktischen Einsatz wie diese verstärken unsere Bemühungen, noch weiter zu kommen." In den kommenden Monaten werden orthopädische und rheumatologische Patienten in Neuseeland mit dem revolutionären MARS-Scanner in einer weltweit ersten klinischen Studie untersucht und damit der Weg für einen möglichen Routineeinsatz dieser Geräte der neuen Generation geebnet.

So funktioniert Farb-Röntgen:

Farbröntgenstrahlen entstehen, wenn die Energie (oder Farbe) der Röntgenstrahlen, die das Objekt durchdringen, gemessen wird. Traditionelles Röntgen misst die Anzahl der durchgedrungenen Röntgenstrahlen, was Aufschluss über die Dichte des Objekts gibt. Sehr dichte Materialien lassen wenig Röntgenstrahlung hindurch, weniger dichte Objekte lassen mehr Strahlung hindurch. Farbröntgen kann nicht nur Auskunft darüber geben, wie dicht ein Material ist, sondern auch darüber, durch welches Material der Röntgenstrahl geleitet wurde. Das bedeutet, dass zwei Objekte mit ähnlicher Dichte, aber verschiedenen Materialien unterschieden werden können. Die Erzeugung von Farbröntgenbildern erfordert die Verwendung komplexer mathematischer Algorithmen, die die Energieinformationen aus der Farbe des Röntgenstrahls sammeln, um die vorhandenen Materialien zu identifizieren. Die verschiedenen Materialien werden anschließend durch separate Bildebenen dargestellt. Zum Beispiel eine Schicht, die nur Knochen enthält oder eine Schicht, die nur Fett enthält. Röntgenstrahlen haben keine Farben, die mit bloßem Auge sichtbar sind, daher ist es notwendig, jedem Material eine Farbe (oder einen Farbbereich) zuzuordnen. Es kann theoretisch jede beliebige Farbe gewählt werden, aber naheliegend ist die Verwendung von Farben, die ähnlich aussehen wie das, was jeweils erwartet werden würde. Der letzte Schritt besteht darin, alle diese Schichten zusammenzusetzen, indem alle Materialien zu einem einzigen Farbbild zusammengefügt werden. Farbröntgenstrahlen liefern neue diagnostische Informationen. Die traditionelle CT hat einen schlechten Weichteilkontrast, die MRT ist durch ihre Auflösung eingeschränkt. Darüber hinaus bietet Farbröntgen die Möglichkeit, Kontrastmittel der nächsten Generation wie Goldnanopartikel zur Krebserkennung einzusetzen. Das folgende Video zeigt, wie ein MARS-Bild aus mehreren Materialebenen entsteht, in diesem Fall Kalzium, Fett und Weichgewebe. Durch die Möglichkeit, die Energie der Photonen zu messen, können die Materialien unterschieden und quantifiziert werden.

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