Zum Hauptinhalt springen

Mit Computeraugen auf Entdeckerreise im Gehirn

Diagnose und Operationen von Krebserkrankungen sollen mit einem neuen Computerverfahren verbessert werden, das am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg entwickelt wurde. Dreidimensionale Abbildungen- erzeugt von einem schnellen Elektronenrechner – werden es dem behandelnden Arzt erlauben, Größe und Lage von Tumoren im Gehirn besser einzuschätzen.

Einer Arbeitsgruppe der Abteilung für Medizinische und Biologische Informatik unter Leitung des Physikers Hans-Peter Meinzer gelang es, diese „Entdeckerreise“ in das Innere der Organe lebender Menschen zu ermöglichen. Hiermit wird es möglich, Organe und deren Inhalt, die sich bisher nur unscharf im Bild abgrenzen lassen, genau darzustellen.

Heutzutage werden Schnittbilder des menschlichen Körpers, die mit Hilfe der Computer- und Kernspintomografie gewonnen werden, noch auf Filmmaterial kopiert und vom Arzt auf einer Leuchtwand analysiert. Vor einer Operation steht der Mediziner dann vor der schwierigen Aufgabe, sich aus einer Fülle von zweidimensionalen Fotos eine räumliche Vorstellung über den Sitz der Geschwulst zu machen. Diese Abschätzung verlangt große Erfahrung.

Computertomografische Aufnahme des menschlichen Körpers (2011)

Computertomografische Aufnahme des menschlichen Körpers (2011)

Bei dem neuen Verfahren hingegen werden die Schnittbilder in eine computerlesbare Form verwandelt (digitalisiert) und im Rechner „aufeinandergestapelt“. Aus den Aufnahmen – bei einer Tomographie des Kopfes sind es beispielsweise 128 Schnittbilder- wird das Organ im Rechenmodell wieder zusammengesetzt und erscheint ganz auf dem Computerbildschirm.

Ein von dem Heidelberger Team erarbeiteter Demonstrationsfilm zeigt einen solchen Kopf, der scheinbar im Raum schwebt und von einem – auch nur im Rechenmodell existierenden -Lichtstrahl angeleuchtet wird. Mit dem „ray-tracing“ genannten Verfahren kann der Lichtstrahl auch tieferliegende Schichten darstellen. So wird ein Tumor innerhalb des Gehirns sichtbar. Die Darstellung ist dabei so wirklichkeitsnah, als sehe sich der Betrachter selbst im Kopf des Patienten um.

Die dreidimensionale Darstellung von Knochenstrukturen ist schon vorher in Hamburg, Berlin und in den USA gelungen. Die Methode beruht auf der „Grauwertanalyse“, bei der verschiedene Helligkeitsstufen der Schnittbilder vom Computer mit Haut oder Knochen gleichgesetzt werden. Hüft- und Kniegelenke, auch gebrochene Kiefer- und Beckenknochen werden daher an einigen Kliniken in der Bundesrepublik und den USA bereits recht plastisch auf dem Bildschirm präsentiert.

Große Probleme entstanden aber bei der Abbildung „weicher“ Organe. So haben Gehirn, Nasenschleimhaut, Augen oder Tumorgewebe auf den Schnittbildern fast identische Grautöne, die der Computer kaum unterscheiden kann. Zudem sind Tumoren in der Regel nicht eindeutig von ihrer Umgebung abgegrenzt.

Das Team des Krebsforschungszentrums ergänzte nun das Programm um ein weiteres computerlesbares Merkmal: eine Beschreibung der unterschiedlichen Formen und Strukturen der Weichteile liefert dem Computer gewissermaßen anatomische Kenntnisse.

Auf dem Bildschirm des elektronischen Helfers können so auch Weichteile unterschieden werden, die sich in ihren Graustufen sehr ähnlich sind. Daraus ergibt sich dann die Möglichkeit, die definierten Strukturen durch Rechenoperationen an den einzelnen Bildpunkten zu löschen. Auf dem Computerfilm verschwinden so nach und nach Haut und Haare von dem sich drehenden Kopf, bis nur noch die Knochenoberfläche des Schädels zu sehen ist.

Im Demonstrationsfilm gelingt es auch, die Schädelknochen verschwinden zu lassen – das Gehirn liegt nun frei. Während das „Auge“ des Computers weiter ins Innere des Gehirns vordringt, wird ein heller Fleck sichtbar, der als Geschwulst erkannt wird. Millimetergenau sind Position, Größe und Form des Tumors zu sehen.

Noch handelt es sich hier um Grundlagenforschung. Die Trennung der Organweichteile ist noch nicht perfekt, der Rechner braucht zu viel Zeit zum Aufbau des Computermodells. Notwendig sei auch, so Meinzer, eine enge Zusammenarbeit mit Kliniken, um Bildmaterial und Hinweise für eine optimale Anpassung des Verfahrens an die Bedürfnisse der klinischen Praxis zu erhalten. Es müssen Rechner mit hoher Leistung entwickelt werden, die gleichwohl für eine Klinik noch bezahlbar sind. Meinzer glaubt aber dennoch, dass das Verfahren in einigen Jahren Routine sein wird.

(erschienen in der WELT am 21. November 1989)

Was ist daraus geworden? Meinzer sollte Recht behalten: Die Rechner sind schneller geworden und billiger. Computertomografen sind heute in jeder Klinik Standard. Das Verfahren wurde und wird ständig weiterentwickelt, die Auflösung ebenfalls verbessert. Laut Wikipedia erhielten im Jahr 2009 in Deutschland fast 5 Millionen Menschen eine Computertomografie.

Auch Fax-Geräte werden jetzt mobil

Ob Manager oder Vertreter, Bauleiter oder Servicemann, viele Menschen verbringen heutzutage einen großen Teil ihrer Arbeitszeit auf vier Rädern. Dabei sind sie allzu oft nur über das Autotelefon zu erreichen. Das kann in Zukunft jedoch ganz anders aussehen: Der Einsatz neuartiger, mobiler Telefaxgeräte ermöglicht es, dringende Nachrichten und Verträge, Schaltpläne und Grundrisse zu übermitteln. Dies spart nicht nur Zeit, sondern auch Geld.

Während die Kosten für den normalen Briefverkehr immer weiter steigen, sinken die Preise für die Übermittlung von Faksimiles. Grund hierfür ist die immer höhere Übertragungsgeschwindigkeit, die es erlaubt, immer mehr Text für den Preis einer Telefongebühreneinheit zu senden. Außerdem schreitet die Miniaturisierung der Geräte immer weiter fort, der Bedienungskomfort verbessert sich weiter. Ein Ende des Preisverfalls ist noch nicht abzusehen.

Was in Japan bereits eine Selbstverständlichkeit ist, wird auch hierzulande nicht mehr lange auf sich warten lassen: In Osaka hat kürzlich ein Taxiunternehmen in seinen Wagen mobile Faxgeräte installiert, die von den reisenden Kunden mühelos bedient werden können.

Portable Faxgeräte werden in Deutschland zu einem Preis von etwa 3500 Mark angeboten. Der mobile Manager, beschlagen im Gebrauch moderner Kommunikationsmittel, kann so von jedem Telefonanschluss die heimatliche Zentrale erreichen.

Die Stromversorgung der Geräte erfolgt entweder über ein Netzteil an 220 Volt, durch Akku oder durch einen Satz Batterien. Wird das Telefaxgerät direkt ans Netz gekoppelt, kann man eine ganze DIN-A4-Seite mit Text, Tabellen und Diagrammen in weniger als 30 Sekunden übermitteln. Akustikkoppler können da nicht mehr mithalten. Sie erreichen „nur“ ein Viertel dieser Geschwindigkeit. Außerdem haben Akustikkoppler den Nachteil, dass die Mithilfe des Empfängers beim Empfang der Nachricht nötig ist.

Diese eher umständliche Handhabung könnte beim Gebrauch im fahrenden Wagen die Verkehrssicherheit gefährden. Die direkte Kopplung erlaubt es dagegen, auch dann Nachrichten zu empfangen, wenn das Fahrzeug einmal unbesetzt ist – ein entscheidender Vorteil auch gegenüber dem C-Netz-Autotelefon. Das lästige Mitschreiben von Details entfällt, auch Übertragungsfehler lassen sich weitgehend vermeiden.

Die stark gesunkenen Preise der Autotelefone haben zu einem immensen Anstieg der Benutzerzahlen in der Bundesrepublik geführt. Bis zu 450 000 Teilnehmer sind in den geplanten Ausbaustufen für das C-Netz vorgesehen, etwa 170 000 sind bereits angeschlossen. Nach den jüngsten Zahlen lassen sich weiterhin neue Teilnehmer am Telefaxdienst in Scharen anschließen.

Mittlerweile sind über 350 000 Personen im Besitz eines Faxgerätes (plus Zehntausende, die ein Gerät ohne ITZ-Nummer gebrauchen). Innerhalb eines Jahres hat sich damit die Zahl der Anwender mehr als verdoppelt. Die Kombination der beiden Übertragungswege C-Netz und Telefax bietet sich damit geradezu an.

Ein deutsches Konsortium hat schon im letzten Jahr die ersten Exemplare ausgeliefert. Mittels einer speziell konzipierten Adapterbox wird das Faxgerät dabei direkt an das Autotelefon angeschlossen. Dieser Adapter ist in der Lage, einkommende Signale zu unterscheiden und dann auf die entsprechenden Ausga¬beeinheiten umzuleiten. Die Nachricht, dass zum Beispiel ein Faksimile gerade gefunkt wird, erscheint dann im Bedienfeld des Telefons; die Funktionen des Telefons bleiben dabei voll erhalten.

Doch nicht nur im Geschäftsleben bringt die Faxtechnologie Erleichterung, auch bei der Unfallbekämpfung spielen die mobilen Helfer eine immer größere Rolle. Als Beispiel wird in der jüngsten Ausgabe des „postmagazin“ die Düsseldorfer Feuerwehr erwähnt, die nun schon seit einem Jahr ein mobiles Faxgerät im Einsatz hat.

Dabei hat das Gerät seine „Feuerprobe“ längst bestanden: Beim Brand einer Chemiefirma genügte eine kurze Anfrage per Fax bei der Betriebsleitung. Schon kurze Zeit später hatte die Einsatzleitung die wichtigsten Informationen schwarz auf weiß an Ort und Stelle zur Verfügung. Besonders in solchen Fällen ist es wichtig, dass es zu keinen Übertragungsfehlern kommt, die bei mündlicher Kommunikation nie ganz auszuschließen sind.

Gerade in Sachen Umweltschutz wurde in den letzten Jahren eine Zunahme der Einsätze beobachtet. Dies, so Feuerwehr-Pressesprecher Stefan Boddem, „stellt unsere Leute vor Ort und Stelle oft vor Probleme“. Denn niemand kann von einem Feuerwehrmann erwarten, alle in Frage kommenden Schadstoffe zu kennen und die Methoden zu deren Bekämpfung parat zu haben.

Per Telefax aber kann das Transport-Unfall-Informations-System (TUIS) befragt werden. TUIS ist eine Datenbank, die vom Verband der Chemischen Industrie eingerichtet wurde.

Nicht nur die Produkte aller wichtigen Hersteller sind dort gespeichert, auch Maßnahmen, um den Schaden bei Unfällen in Grenzen zu halten, finden sich auf den Datenblättern des TUIS: Gefahren für die Umwelt, Löschmittel, Atemschutzmaßnahmen und andere wichtige Informationen für die Katastrophenhelfer sind hier zu finden.

So kann das mobile Telefax sogar einen Beitrag zum Umweltschutz leisten, eine Anwendung, an die vor kurzem noch niemand gedacht hat.

Ein Computer in der bunten Plastikkarte

Hi-Tech im Jahre 1989: Der Chiip auf dieser Karte hatte einen 8-Bit-Rechner mit 128 Zeichen Arbeitsspeicher.

Hi-Tech im Jahre 1989: Der Chip auf dieser Karte hatte einen 8-Bit-Rechner mit 128 Zeichen Arbeitsspeicher.

Schon wieder eine neue Kreditkarte? Ein zweiter Blick auf das bunte Plastikstückchen lässt das vertraute Posthorn erkennen – eine Telefonkarte also. Aber eine, die es buchstäblich „in sich“ hat. Diese Berechtigungskarte für das C-Netz der Deutschen Bundespost enthält nämlich einen eingebetteten Halbleiterchip und hat damit gegenüber herkömmlichen Magnetstreifenkarten zahlreiche Vorteile. Hier lassen sich wesentlich mehr Daten speichern als auf den Plastikblättchen der ersten Generation. Wird gar noch ein Mikroprozessor hinzugefügt, hält man einen „richtigen“ Computer in der Hand.

Das Format ist kaum dazu angetan, allzu große Erwartungen zu wecken, doch für die Teilnehmer am C-Netz wird diese Karte bald die Möglichkeit bieten, fast 200 Rufnummern zu speichern, jede bis zu 16 Stellen lang. Diese Verzeichnisse sollen dann auch an öffentlichen Kartentelefonen und an Btx-Geräten genutzt werden können. Auch ein Gebührenzähler ist eingebaut, mit dem sich die Kosten aufsummieren lassen, die beim Benutzen verschiedener Geräte anfallen.

Die Speicherchipkarte kann – wie ihre abgemagerte Version – heute auch an den öffentlichen Kartentelefonen der Deutschen Bundespost genutzt werden – eine nützliche Eigenschaft, da bis 1995 jede zweite Telefonzelle nur noch per Karte zu bedienen sein wird. Technisch wäre es auch möglich, die Berechtigungskarten (wenn sie einen Prozessor tragen) um eine Zugangsberechtigung zum Btx-Dienst zu erweitern.

Der wichtigste Pluspunkt ist jedoch die zusätzliche Sicherheit im Vergleich zu den Magnetkarten. Die wenigen Daten auf den heute noch üblichen Magnetstreifen sind relativ leicht mit speziellen Geräten zu lesen. Der kleine Chip auf der Karte dagegen ist weder zu kopieren noch zu manipulieren. Der Versuch eines Eingriffes würde ihn zerstören und die Karte unbrauchbar machen.

Die Überprüfung einer persönlichen Identifikationsnummer (PIN), die der Kunde in das Terminal eintippen muss, verhindert die Benutzung gestohlener oder verlorener Karten. Dieser eingebaute Schutz ist schon von der Eurocheckkarte und von Kreditkarten bekannt, neu ist allerdings, dass die C-Netz-Karte gleich drei PINs erlaubt. Die vier bis achtstelligen Zahlen können vom Benutzer selbst festgelegt werden.

Eine PIN ist für die Benutzung öffentlicher Kartentelefone, eine für das C-Netz vorgesehen. Zusätzlich können die gespeicherten Rufnummern mitsamt dem Zugriff auf den Gebührenzähler gesperrt werden. Da eine Manipulation des Gebührenzählers so unterbunden wird, kann die Karte auch ausgeliehen werden. Nach Rückgabe kann der Besitzer dann feststellen, in welchem Umfang mit seiner Karte telefoniert wurde.

Gibt ein Benutzer nach Aufforderung die falsche PIN an, wird ein Zählwerk aktiviert; nach drei falschen Versuchen ist der jeweilige Bereich gesperrt. Will man die Karte wieder zum Leben erwecken, muss ein spezielles Postservice-Terminal zur Entsperrung aufgesucht werden.

Ein Acht-Bit-Rechner bildet das elektronische Herz der neuen Prozessorkarte. Zusammen mit einem Arbeitsspeicher von 128 Byte (Zeichen), 3000 Byte festem und nochmals 2000 Byte löschbarem Datenspeicher passt dieser Prozessor in einen einzigen Chip, etwa einen halben Zentimeter breit und lang, der in das Plastikmaterial der Karte eingegossen wird. Diese Zentraleinheit bezieht ihre Betriebsspannung von fünf Volt direkt aus dem C-Funk-Mobiltelefon und wird mit 4,9 Megahertz (1000000 Schwingungen pro Sekunde) getaktet.

Der löschbare Datenspeicher (EPROM) ist praktisch unbegrenzt überschreibbar (mindestens 10000 Schreibvorgänge werden garantiert). Dies ermöglicht der Karte eine Lebenszeit von zwei bis fünf Jahren, je nachdem wie oft und zu welchem Zweck sie eingesetzt wird. Der Arbeitsspeicher ist mit seinen mageren 128 Zeichen allerdings in seinen Möglichkeiten stark beschränkt.

Viele fortgeschrittene Möglichkeiten der Datensicherung lassen sich aufgrund dieses Mangels nicht realisieren. Trotzdem sind viele weitere Einsatzmöglichkeiten der von Siemens entwickelten Chipkarte denkbar. Ob verbesserte Scheckkarte, als Kreditkarte beim Einkauf, als Legitimation zum Abruf geschützter Informationen aus Datenbank- oder Btx-Systemen, sogar um persönliche medizinische Daten im Gesundheitsdienst zu sichern. Der Einsatz dieser Technologie zum Beispiel als Kreditkarte macht die direkte Daten- oder Telefonverbindung zur Rechnerzentrale der Kreditorganisation überflüssig.

Im Terminal an der Kasse kann sich nämlich der Chip auf der Karte mit einem Chip auf der vom Händler eingesteckten Referenzkarte „unterhalten“, und zwar in einer verschlüsselten Form, deren Code nicht bekannt und nicht zu fälschen ist, wie der Hersteller versichert.

So überprüfen sich zunächst Chipkarte und Referenzkarte, ob sie „echt“ sind; Der Chip prüft außerdem die PIN, die der Kunde zum Nachweis dafür, dass er der rechtmäßige Karteninhaber ist, in das Terminal eintippen muss.

Das Verbuchen und Quittieren des Kaufbetrages geschieht auf zweierlei Weise: Zum einen wird im Speicher der Chipkarte die Abbuchung eingetragen und entsprechend das verbleibende Guthaben (oder der noch auszuschöpfende Kreditrahmen) geändert. Der Kunde erhält also eine Art Quittung auf seiner Karte.

Die Buchung wird im Terminal des Händlers in verschlüsselter Form gespeichert und kann dann zu einem späteren Zeitpunkt, in einem ganzen Bündel weiterer Buchungen, zur Zentrale .der Kreditkartenorganisation übertragen werden. Die Akzeptanz der komfortablen Plastikkarten könnte so durch ein kostengünstiges Sicherheitssystem weiter zunehmen.

(erschienen in der WELT vom 16. November 1989)