© Schoepal, Edgar/F.A.Z.
Das andere Porträt: Strukturelle Aufnahme einer Kernspintomographie
Wie beim Radischneiden, sagt Walter Märzendorfer, habe man sich die Aufnahmetechnik eines Computertomographen vorzustellen: Die ringförmige Röntgeneinheit mit Strahler und gegenüberliegendem Detektor dreht sich, während der Patient auf einer Liege durch den gedachten Mittelpunkt hindurchgleitet. "Einen Zwei-Meter-Mann schaffen wir in weniger als fünf Sekunden - vom Scheitel bis zur Sohle", weiß Märzendorfer, der bei Siemens in Forchheim den Bereich "Computertomographie" (CT) leitet. Das klingt nach jenem "Märchen", an das schon der Physiker Otto Lummer dachte, als er von einer neuen Art von Strahlen hörte, mit denen sein Kollege Wilhelm Conrad Röntgen durch Türen, Wände und selbst durch Haut und Fleisch blickte: Am 22. Dezember 1895 fixierte er ein Röntgenbild der Handknochen seiner Frau auf Fotopapier.
Dieses Geisterbild wie aus einer Séance scheint ebenso unwirklich wie die detaillierte dreidimensionale Abbildung eines Herzens mit seinen Kranzgefäßen, das Märzendorfer mit der Maus auf einem Display dreht. Synchronisiert durch ein Elektrokardiogramm, nahm das CT den Muskel verwackelungsfrei zwischen zwei Herzschlägen auf. Ein Bild als Ergebnis einer Kombination aus Elektronik, Software und Mechanik, wie modernste Röntgentechnik sie 116 Jahre nach ihren Uraufnahmen bietet.
Die Rohdaten ähneln normalen Röntgenbildern
Bis heute ist das Prinzip gleich geblieben. Eine Röntgenröhre erzeugt eine energiereiche Strahlung, die unterschiedlich dichtes Gewebe unterschiedlich stark dämpft. Dieses dem menschlichen Auge noch nicht sichtbare Schattenbild wandelt ein Keramik-Detektor erst in entsprechend starke oder schwache Lichtblitze, die nachfolgende Sensoren dann wie bei einer Digitalkamera in entsprechend starken oder schwachen Strom umsetzen. Während der Aufnahme rotiert diese "Gantry" genannte Einheit und erfasst damit den Körper aus vielen unterschiedlichen Richtungen. Die digitalisierten Rohdaten, wiederum, ähneln normalen Röntgenbildern, erscheinen als "Sinogramme" dem Laien jedoch zunächst abstrakt wie ein Schleiertanz. Erst Software errechnet daraus jene Schichtbilder, die der Tomographie ihren Namen eintrugen - "Schnittmaler", so ließe sich das Wort aus dem Griechischen übersetzen.
Das ist das Prinzip, nach dem auch Siemens' Spitzengerät "Somatom Definition Flash" den menschlichen Körper virtuell in bis zu 0,6 Millimeter dünne Scheiben schneidet. Die Aufnahme- und Auswerteelektronik befindet sich in einem 1,6 Tonnen schweren Ring, Gantry genannt. Dieser rotiert mit einem Tempo von mehr als 200 Umdrehungen je Minute. "Am Rand der Gantry entstehen Kräfte vom 40-Fachen der Erdbeschleunigung", erläutert Märzendorfer und zeigt im Testlabor auf ein mit maximaler Geschwindigkeit rotierendes Gerät. Hier wird jedes CT vier Tage lang auf Herz und Nieren geprüft. Beispielsweise, ob die mit 3D-Laser kontrollierte Unwucht wirklich unter der 100-Gramm-Grenze liegt sowie die Mechanik von Röntgenstrahlern und Detektor tatsächlich um weniger als einen Zehntelmillimeter von der vorgesehenen Position abweichen. Nur dann lassen sich Bilder von der Auflösung eines Würfels von 0,33 Millimeter Kantenlänge innerhalb von nur 75 Millisekunden schießen.
Möglichst wenig Strahlung, möglichst viel Information
Das erfordert die Leistung von bis zu 200 Kilowatt, von denen die beiden in kühlendem Öl und mit speziellen Kugellagern rotierenden Röntgenstrahler jede Menge über Schleifringe zugeführt bekommen. "Unser Ziel jedoch ist es", erläutert Märzendorfer, "mit möglichst geringer Strahlung ein Maximum an Informationen herauszuholen." Röntgenstrahlung ist derart energiereich, dass sie aus Atomen und Molekülen Elektronen herausschlagen kann. Diese Energie ist beim medizinischen Röntgen so zu bemessen, dass sie menschliches Gewebe nicht nachhaltig schädigt. Schnelle Untersuchungen mit geringer Energie belasten den Körper daher wenig, erfordern jedoch eine hohe Empfindlichkeit der Detektoren sowie ausgefeilte Software, die unter anderem durch vielfach wiederholte Berechnungen ("Iterative Rekonstruktion") klare Bilder aus dem Rauschen herausliest.
Ein detailliertes Bild vom Herzen, etwa, zieht mittlerweile nur eine Belastung von weniger als einem Millisievert nach sich; zwei Untersuchungen im Jahr erreichen nicht einmal die durchschnittliche natürliche Umweltstrahlung in Deutschland. Gezielte Steuerung der Strahlung während eines Durchlaufes sowie ihre Reduzierung bei leichten Patienten haben zur Verringerung der Belastung beigetragen. Siemens veranstaltet sogar Wettbewerbe unter Ärzten, wobei Sieger derjenige ist, der mit geringster Röntgenstrahlung das Ziel seiner Diagnostik erreichte.
Doch, Herr Märzendorfer, nach wie vor ist ja allerhand rotierende Mechanik nötig, um diese Schnittbilder zu erzielen - was ein wenig an die mechanische Bildzerlegung mit der Nipkowscheibe in den Kindertagen des Fernsehens erinnert: Rotiert in Zukunft womöglich nur noch der Elektronenstrahl? Das habe man schon ausprobiert, heißt es etwas schmallippig, aber in absehbarer Zeit sei dazu nichts zu erwarten. Eher konzentriere man sich auf eine bessere spektrale Auflösung für noch differenziertere Bilder. Mit zwei Wellenbereichen sei man schon auf dem Weg dorthin. Doch schon so sind die Bilder aus dem Innern des Körpers, der sich virtuell fast besser als in der Pathologie sezieren lässt, faszinierend genug. Und das ist erst die materielle Seite des Menschen, in dessen Denkmuskel ein äußerlich ähnliches, aber von seiner Funktion her gänzlich anderes Prinzip schaut - die Magnetresonanztomographie, MRT.
"Ihre IWC müssen Sie auch abnehmen", warnt vor einem solchen mehr als fünf Tonnen schweren Koloss Bernd Ohnesorge, Leiter des Geschäftsgebietes Magnetresonanz. Der promovierte Medizintechniker drückt eine Stahlkette in die Hand, an der ein Schraubenschlüssel noch baumelt, den jedoch bei Annäherung ein drei Tesla starkes Magnetfeld mit der 60 000-fachen Kraft des Erdmagnetfeldes stramm anzieht.
Hochwertige Handarbeit
Dieses starke Feld ist notwendig, um einen speziellen quantenmechanischen Effekt von Atomkernen zu nutzen - ihren sogenannten "Kernspin", der sie zu kreiselnden Mini-Magneten macht. Im MRT richten sie sich nach dem kräftigen homogenen Magnetfeld aus. Diesem wird ein mit etwa 30 Millitesla viel schwächeres Magnetfeld so überlagert, das die atomaren Magneten anregt, sie also etwas Energie aufnehmen. Schaltet man das schwache Magnetfeld ab, so geben sie wiederum Energie in einer charakteristischen Form ab. Eine Antenne empfängt diese Signale und setzt sie in elektrische Signale um, die daraufhin Software zu Bildern verrechnet. Die Atome unterschiedlicher Elemente haben unterschiedliche magnetische Resonanzfrequenzen, so dass auch über deren Einstellung beispielsweise Wasserstoff, Kohlenstoff, Natrium und Phosphor gezielt "aufleuchten".
Der Aufwand für diese Kernspinresonanzmethode, erstmals 1946 erfolgreich ausprobiert und 1974 patentiert, ist enorm. Das Hauptmagnetfeld erzeugt eine Spule aus supraleitendem Niobtitan, das mehrere hundert Liter flüssiges Helium bei minus 269 Grad Celsius kühlen. "Der Strom von bis zu 650 Ampère in dieser Spule", sagt Ohnesorge, "erhält dank Supraleitung das Magnetfeld ohne weitere Energie über mehrere Jahrzehnte lang aufrecht." Die schwächeren Resonanz-Impulse koppelt die sogenannte Gradientenspule auf der gewünschten Frequenz ein, beispielsweise 42,577 Megahertz für Wasserstoff, so dass die späteren Bilder den Wassergehalt im Gewebe zeigen. Dieses Feld wandert zudem durch den Körper und ermöglicht somit ähnliche virtuelle Schnitte wie beim CT. "Alle Spulen", erklärt Ohnesorge, "werden bei uns in hochwertiger Handarbeit hergestellt und dann im Vakuum vergossen. Ihre sehr komplexen Formen lassen keine vollständige Automatisierung zu." Eine Tätigkeit, die hochspezialisierte Facharbeiter erfordert.
Tiefe Einblicke in Gehirnaktivitäten
In der klinischen Praxis werden MRTs bis zu etwa drei Tesla eingesetzt. Diese Energie entspricht der eines 40-Tonners, der mit Tempo 90 über die Autobahn fegt. Gehört diese Geräteklasse zum Alltag bei der Untersuchung von Leber und Niere, Galle und Magen beispielsweise auf Blutungen und Tumoren, so bieten noch stärkere Magnetfelder tiefe Einblicke in Gehirnaktivitäten. Bei Kräften zwischen sieben und annähernd zwölf Tesla konzentrieren sich die Forscher nicht so sehr auf die Abbildung von Gewebestrukturen, sondern sie zeigen den unterschiedlichen Sauerstoffgehalt von Blut im Gehirn. Denn Denken ist nichts anderes als biologische Aktivität in bestimmten Hirnregionen: "Der Geist der Lebewesen entsteht durch die Aktivität bestimmter Zellen", sagt etwa der Hirnforscher Antonio Damasio.
Ein Indikator für diese Aktivierung ist der Sauerstoffgehalt des Blutes an jener Stelle. Mit Sauerstoff angereichertes Blut aber hat andere magnetische Eigenschaften als sauerstoffarmes Blut. Über diese erst vor zehn Jahren formulierte Indizienkette lokalisieren Neurowissenschaftler mit MRT-Bildern jene Hirnregionen, die beim Denken, Fühlen und Handeln aktiv sind. Die nach Ort und Zeit unterschiedlichen Muster wiederum versuchen sie, beobachteten Handlungen und Äußerungen zuzuordnen. So führt eine mit 120 Kilometer Draht gewickelte Spule eines Sieben-Tesla-Magneten zusammen mit komplexer Software und überlegten Experimenten etwa im Max-Planck-Institut Magdeburg zu weitreichenden Schlussfolgerung darüber, wie sich menschliches Bewusstsein und Verantwortung bilden.
Tückische Dateninterpretation
Diese Art bildgebender Verfahren stellen dem Kantsche Staunen über den Himmel über uns das Staunen über die noch nicht kartierte Welt in uns zur Seite: Hic sunt leones. Aber nicht nur wilde Tiere lauern in diesen "Momentaufnahmen des Geistes" (Damasio), sondern auch mancher Waldschrat, denn die Interpretation der Daten ist tückisch. Was schon als "Aktivität" gilt, setzen die Forscher mit Schwellenwerten fest. Liegen sie mit denen zu tief, können sie via MRT bisweilen einem toten Lachs beim Rechnen zuschauen, wie der nordamerikanische Neuropsychologe Craig Bennett im Frühjahr zeigte, um vor einer Überinterpretation einer scheinbar eingängigen Beweisführung durch derartige Bilder zu warnen.
Mit in sorgfältigsten Experimenten herausgerechneten Bildern hingegen förderte Antonio Damasio eine Theorie von Denken und Bewusstsein zutage ("Selbst ist der Mensch"), die auf der Verarbeitung von Bildern im Hirn basiert. Was ihn wiederum mit dem Philosophen Walter Benjamin verbindet, dem als Analphabet jener Fotograf gilt, der seine eigenen Bilder nicht lesen kann. Auf die Neurowissenschaften übertragen, bieten bildgebende MRT-Verfahren somit das Potential, nicht weniger als Ausblicke auf eine Grammatik des Mensch-Seins zu zeigen.
