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)

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.