13.10.2022

Tomographie und Co – die Macht der Bilder

Von Prof. Dr. med. Kathrin Reetz, stellvertretende Präsidentin der Deutschen Hirnstiftung und Geschäftsführende Oberärztin unseres Mitglieds Klinik für Neurologie, Universitätsklinikum RWTH Aachen

Lange war es ein Traum der Medizin, in den menschlichen Körper hineinschauen zu können. Vor über 100 Jahren wurde er mit der Röntgen-Untersuchung wahr. Heute bekommt die Neurologie mittels moderner Tomographie-, Ultraschall- und Röntgen-Verfahren noch genauere Einblicke und entsprechend zielgenauer ist die Behandlung.

Der Artikel im Überblick:

Neben den seit über 100 Jahren angewendeten Röntgenuntersuchungen haben sich seit den 1970-er Jahren die Computer-Tomographie (CT) und Magnetresonanz-Tomographie (MRT) als auch der Ultraschall (Sonographie) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) in der Neurologischen Diagnostik etabliert. Wir zeigen, wie diese und weitere Verfahren funktionieren und wo sie eingesetzt werden.

Computer-Tomographie

Funktionsweise

Abbildung 1: Computer-Tomographie eines normalen Gehirns

Die Computer-Tomographie ist das erste digitale Röntgenverfahren, das von Godfrey Hounsfield 1971 entwickelt wurde und das – wie auch die einfache Röntgenuntersuchung – beim Durchgang der Röntgenstrahlen (Photonenstrahlen) durch den Körper mehrere Schichtaufnahmen des Körpers liefert.

Im Gegensatz zur einfachen Röntgenaufnahme besteht der Vorteil der Computer-Tomographie in der Erzeugung überlagerungsfreier Schnittbilder quer zur Körperachse (transversal), indem die Schwächung von Röntgenstrahlen durch den Körper des Patienten aus verschiedenen Richtungen gemessen wird. Die durch die Computer-Tomographie gewonnenen Messwerte werden in Schnittbilder mit unterschiedlichen Grautönen umgewandelt. Die folgende Abbildung zeigt eine normale computertomographische Darstellung des Gehirns (Abbildung 1).

Einsatzfelder der Computer-Tomographie

Abbildung 2: Hirnmassenblutung bei Bluthochdruck

Die Computer-Tomographie ist in der Standardversorgung als auch in der Notfalldiagnostik vor allem zur Diagnostik von Verletzungen oder krankhaften Veränderungen mit hoher Dichte geeignet, wie sie beispielsweise bei Blutungen und den Knochenstrukturen gemessen wird. In der Neurologie wird die CT besonders bei der Diagnostik des ischämischen Schlaganfalles und zum Ausschluss oder Nachweis einer Hirnblutung angewendet.

Anwendungsbeispiel Schlaganfall

Der Schlaganfall ist ein akuter neurologischer Notfall und eine rasche bildgebende Diagnostik ist nötig. Zu den wichtigen Spezialuntersuchungen in der Notfalldiagnostik beim akuten Schlaganfall spielt die sogenannte CT-Perfusion. Beim akuten Schlaganfall kann mittels der CT-Perfusion gemessen werden, wie gut das Gehirngewebe (Gehirnparenchym) mit dem dazu verabreichten Kontrastmittel (verabreichte Lösung, die der besseren Erkennung in der Bildgebung dient) durchströmt (perfundiert) wird.

Hierzu erfolgen mehrere rasche Messungen nacheinander, so dass man die Anflutung und Abflutung des Kontrastmittels im Gehirngewebe messen kann. Bei einem Schlaganfall wird der betroffene Bereich nicht so gut mit dem Kontrastmittel durchströmt wie die nicht-betroffenen Gehirnregionen, so dass man den von dem Schlaganfall betroffenen Bereich gut sichtbar machen und vom gesunden Bereich abgrenzen kann.

Abbildung 3: Dreidimensionale Schädelrekonstruktion mit Frakturlinien

In der Computer-Tomographie ist die Blutung ist auch bei geringem Ausmaß aufgrund der höheren Dichte gegenüber dem Hirngewebe gut sichtbar (Abbildung 2, die weißen Areale entsprechen einer ausgedehnten Blutung)). Auch bei Schädeltraumata wird die Computer-Tomographie zur Darstellung der knöchernen Strukturen eingesetzt (Abbildung 3).

Strahlenbelastung durch Computer-Tomographie

Die Strahlenbelastung einer Computer-Tomographie des Schädels liegt bei ungefähr 2 Millisievert. Das entspricht ungefähr der natürlichen Strahlenbelastung von 2,1 Millisievert, die man pro Jahr ausgesetzt ist.

Magnetresonanz-Tomographie (MRT)

Funktionsweise

Abbildung 4: Normale MRT des Gehirns

Bei der Magnetresonanz-Tomographie (MRT, auch Kernspin-Tomographie genannt) werden wie bei der Computer-Tomographie Schnittbilder erstellt. Hierfür werden aber keine Röntgenstrahlen benötigt. Die MRT nutzt Magnetfelder und Radiowellen.

Der menschliche Körper besteht zu über 60 Prozent aus Wasser, so dass für die MRT-Bildgebung reichlich Wasserstoffatome vorhanden sind, die auf das Magnetfeld reagieren können (auch als Resonanz bezeichnet). Je nach unterschiedlichem Gehalt von Wasserstoffkernen in den verschiedenen Geweben sendet der Körper unterschiedliche Signale aus (Abbildung 4). Diese unterschiedlichen Signale werden dann in Schwarz-Weiß-Bilder umgerechnet. Dadurch lassen sich auf den Bildern die verschiedenen Gewebetypen voneinander abgrenzen, zum Beispiel gesundes von krankem Gewebe.

Ein weiterer Vorteil der MRT gegenüber den röntgenographischen Verfahren ist zudem die echte dreidimensionale Darstellung. Das bedeutet, die Schnittbilder können in verschiedenen Ebenen dargestellt werden (Abbildung 4).

Einsatzfelder der Magnetresonanz-Tomographie

Abbildung 5: Links CT, rechts MRT

Krankhafte Veränderungen sind häufig mit Wassereinlagerungen verbunden und mit der MRT somit gut darstellbar. Daraus resultiert der höhere Weichteilkontrast gegenüber anderen bildgebenden Verfahren wie dem Röntgen und der Computer-Tomographie.

Die unterschiedliche Darstellung der Hirnstrukturen mit der Computer-Tomographie und MRT wird am Beispiel der Schädelbasis deutlich (Abbildung 5). In der Computer-Tomographie sind die knöchernen Strukturen gut beurteilbar, im MRT sind die Weichteilstrukturen besser erkennbar. Der große Vorteil der MRT in der Schlaganfalldiagnostik besteht in der exakten Darstellung der Hirninfarktareale unmittelbar nach Eintritt eines Schlaganfalles mithilfe spezieller Aufnahmen.

Anwendungsbeispiel Gehirnaktivität und -stoffwechsel

Doch damit ist noch nicht Schluss, denn die MRT kann noch viel mehr. Man kann nicht nur die anatomischen Strukturen anschauen, sondern auch Informationen über die Funktion, also die Gehirnaktivität (funktionelle Kernspin-Tomographie) und verschiedene Messparameter über den Gehirnstoffwechsel gewinnen.

Das bedeutet zum Beispiel, wenn wir unsere Finger bewegen, können wir im Gehirn in der für die Bewegung der Finger zuständigen Gehirnregion über den Blutfluss eine Zunahme der Gehirnaktivität ansehen. Das gilt auch für andere Aufgaben, wie Rechenaufgaben lösen oder Emotionen in Gesichtern zu erkennen.

Aber unser Gehirn ist immer aktiv, auch wenn wir meinen „wir würden nichts tun“. In der Neurowissenschaft nennt man das Ruheaktivität und spricht von sogenannten Ruhenetzwerken im Gehirn. Diese können sich teils bei bestimmten neurologischen Erkrankungen zum Beispiel der Alzheimer-Krankheit ändern und im MRT sichtbar gemacht werden können.

Mit der sogenannten MR-Spektroskopie (MRS) können wir zudem bestimmte Stoffwechselvorgänge (Ausgangs- und Abbauprodukte) messen. So können verschiedene biochemische Informationen (Metaboliten) in ausgewählten Gehirnregionen gemessen werden. Dies kann bei bestimmten Erkrankungen zum Beispiel bei Gehirntumoren wichtig im Rahmen der Diagnostik sein.

Ultraschall

Funktionsweise

Abbildung 6: Ultraschall der Halsgefäße © Uniklinik RWTH Aachen

Der Ultraschall (Sonographie) ist aus der heutigen Neurologie nicht mehr wegzudenken und nimmt einen festen Platz zur Diagnostik der Hals- und Hirngefäße (Abbildung 6) sowie Muskeln (Abbildung 7) und Nerven ein.

Bis Mitte der 1970er Jahre gab es in der Diagnostik von gefäßbedingten (vaskulären) Erkrankungen in der Neurologie die Computer-Tomographie mit damals nur geringer Auflösung. Durch sie ließen sich aber bereits Blutungen ausschließen. Seitdem fand eine stetige technische Weiterentwicklung der neurologischen Ultraschalldiagnostik statt, so dass der Ultraschall heute fester und unabdingbarer Bestandteil der neurologischen Ausbildung und zum Handwerkszeug eines jeden Neurologen gehört.

Exkurs Doppler-Effekt

Abbildung 7: Ultraschall eines normalen Muskels © Uniklinik RWTH Aachen

Beim Ultraschall genutzt wird der vom Physiker und Mathematiker Christian Doppler im 19. Jahrhundert entdeckte Doppler-Effekt. Im Alltag kennt man ihn von einem vorbeifahrenden Krankenwagen mit Martinshorn. Bewegt dieser sich auf einen zu, nimmt man den Ton höher wahr. Sobald er vorbei ist, hört sich der Ton tiefer an. Doppler stellte fest, dass die von einem Beobachter wahrgenommene Tonfrequenz mit der Bewegungsänderung der Schallquelle zusammenhängt (akustischer Dopplereffekt). Ein ganz ähnliches Phänomen ist auch bei Licht zu beobachten.

Einsatzfeld Neurologische Gefäßultraschalldiagnostik

Dank dem Ultraschall können wir uns nicht nur den Blutfluss anhören, sondern auch das Gewebe und die Gefäße sehr gut anschauen (visualisieren). Damit lassen sich Verengungen (Stenosen) und Verschlüsse, aber auch Umgehungskreisläufe der Hals- und Kopfgefäße des Hirnkreislaufs erkennen. Wichtig als Hinweis ist dabei die Blutflussgeschwindigkeit.

Bei der Ultraschalldiagnostik werden farbig kodierte Geschwindigkeits- und Richtungsinformationen auf das graue Schnittbild projiziert, das man durch Computer-Tomographie (CT) und Magnetresonanz-Tomographie (MRT) erhält (Duplexsonographie). So werden anatomische und funktionelle Informationen vereint.

Anwendungsbeispiel Schlaganfall

Die neurologische Gefäßultraschalldiagnostik ist heutzutage eine Standardmethode in der Ursachenklärung von Schlaganfällen. Man kann mit der Methode nicht nur Verengungen und Verschlüsse, sondern auch Erweiterungen (Dilatationen), arteriosklerotische Ablagerungen in den Gefäßen (Arterienverkalkung), die Gefäßwanddicke, plötzliche krampfartige Verengung der Gefäße (Gefäßspasmen) oder Einblutungen in die Gefäßwand (Dissektion) darstellen. Dies dient nicht nur der Ursachenabklärungen, sondern kann auch zur Verlaufskontrolle herangezogen werden.

Einsatzfeld Neurologische Nerv- und Muskelultraschalldiagnostik

Dank der technischen Weiterentwicklung der Ultraschallsonden und Ultraschallgeräte wird auch die Anwendung zur Untersuchung des peripheren Nervensystems immer besser. Die peripheren Nerven des Arms und des Beines können an zahlreichen Stellen mittels Ultraschalls untersucht werden. Vor allem bei sogenannten Engpasssyndromen wie zum Beispiel dem Karpaltunnelsyndrom des Nervus medianus.

Bei der Beurteilung der Muskulatur (Abbildung 7) wird auf die Lage, Form, Größe und Echogenität (das heißt die Reflexions- und Streuungseigenschaften) geachtet. Insbesondere die Messung der Muskelmasse zur Bestimmung einer Muskelabnahme oder -zunahme ist heutzutage hilfreich bei zahlreichen Nerv- und Muskelerkrankungen. Das gilt auch für die Messung bestimmter Bewegungsmuster wie etwa feine Zuckungen von Muskelfaserbündeln (Faszikulationen).

Angiographie

Funktionsweise

Bei der Angiographie (auch Arteriographie genannt) wird in der Regel nach einer örtlichen Betäubungsspritze in der Leiste das Kontrastmittel mit einer feinen dünnen Nadel direkt in die Leistenarterie gespritzt. Mit einer gleichzeitig durchgeführten Röntgenaufnahme lässt sich die Ader dann sichtbar machen. Über die Schlagader kann dann ein ganz dünner Schlauch (Katheter) bis in die hirnversorgenden Gefäße vorgeschoben werden. Unter Kontrastmittelgabe durch den Katheter werden die Gefäße durch die Röntgenaufnahme dargestellt.

Einsatzfelder der Angiographie

Mit der Angiographie können die Gefäße mit Hilfe eines Kontrastmittels dargestellt werden. Zudem kann sie von der Neuroradiologie auch therapeutisch eingesetzt werden, zum Beispiel um Blutgerinnsel zu entfernen oder bei Blutgefäß-Aussackungen (Aneurysma) kleine Mikrospiralen (Coils) einzusetzen.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Funktionsweise

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nuklearmedizinisches bildgebendes Verfahren, um Informationen über den Stoffwechsel des Körpers zu gewinnen. Um die Stoffwechselprozesse sichtbar zu machen, werden sehr schwach radioaktive Substanzen (Tracer) eingesetzt. Diese werden dann nach Injektion im Körper weiter verstoffwechselt. Diese Stoffwechselvorgänge bzw. das Vorhandensein dieser kann dann über die radioaktive Markierung bildlich dargestellt werden.

Einsatzfelder der Positronen-Emissions-Tomographie

Abbildung 8: Fluordeoxyglukose, FDG Positronen-Emissions-Tomographie (PET) des Gehirns eines Patienten mit einer Alzheimer-Krankheit © Uniklinik RWTH Aachen

Der am meisten eingesetzte molekulare Baustein ist ein Stoff, der dem Traubenzucker ähnelt (Fluordeoxyglukose, FDG). Da unser Gehirn einen unheimlich hohen Zuckerbedarf hat, können wir bei bestimmten Erkrankungen wie zum Beispiel der Alzheimer Krankheit hier bestimmte Veränderungen sehen (Abbildung 8, man erkennt einen verminderten Stoffwechsel (Hypometabolimus) insbesondere in den Scheitellappen (Parietallappen) des Gehirns). Aber bei Tumorerkrankungen sehen wir einen ganz hohen Zuckerstoffwechsel im Vergleich zu normalem gesundem Gewebe. Bei der Parkinson-Krankheit kann man den für die Erkrankung wichtigen Dopamin-Stoffwechsel bildlich darstellen und messen.

Tomographie und Co: Tiefere Einblicke, genauere Behandlung

Die Neurologie bekommt heute mittels der modernen Verfahren noch genauere Einblicke und entsprechend zielgenauer ist die Behandlung. Der Vorteil der Schnittbildverfahren Computer-Tomographie (CT) und Magnetresonanz-Tomographie (MRT) besteht in einer überlagerungsfreien Darstellung des menschlichen Körpers in mehreren Ebenen. Insbesondere die nicht-invasive MRT ist zur strukturellen Darstellung des zentralen Nervensystems mit anatomisch detail-getreuen Bildern geeignet. In Ergänzung dazu liefern nuklearmedizinische Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wichtige Hinweise auf den Hirnstoffwechsel.


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Titelbild: iStock / peakSTOCK (1137059082)

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