Diagnosetechnik: Der Blick in den Körper

Weshalb liefern Röntgenstrahlen Bilder des Körperinneren?

Weil sie von den unterschiedlich dicken (und dichten) Geweben unterschiedlich stark absorbiert werden. Röntgenstrahlen durchdringen zwar organisches Gewebe, werden aber unterschiedlich stark geschwächt, abhängig von der Dichte des Gewebes. Befindet sich der Patient zwischen der Röntgenquelle und einem Röntgenfilm, dann treffen die Strahlen den Film mit unterschiedlicher Intensität, je nachdem, wie stark sie von den Organen des Patienten absorbiert wurden. Auf dem entwickelten Röntgenfilm zeigt sich das in unterschiedlicher Schwärzung: Knochen absorbieren mehr Strahlung als das umliegende Körpergewebe, daher sind sie auf den Aufnahmen als helle Schemen zu erkennen.

Nebeneinander liegende innere Organe sind auf einem Röntgenbild aber nur schlecht zu unterscheiden. Man kann den Kontrast künstlich verstärken. Hohlorgane lassen sich beispielsweise durch eingelassene Luft oder Kohlendioxid sichtbar machen, da diese Gase Röntgenstrahlung kaum absorbieren und daher dunkel auf dem Röntgenbild erscheinen. In Arterien, Magen oder Darm werden hingegen Kontrastmittel eingebracht, welche die Röntgenstrahlen gut absorbieren. Daher erscheinen solche Körperregionen als helle Flächen auf den Bildern.

Was ist Computertomographie?

Ein Diagnoseverfahren, das als Weiterentwicklung des Röntgens entstand. Bei der Computertomographie, auch kurz CT genannt, rotieren Röntgenquelle und Detektor um den Patienten und nehmen dabei mehrere hundert Schnittbilder auf. Daraus lässt sich im Computer ein kontrastreiches dreidimensionales Bild des Körperinneren errechnen. Der Vorteil dieses bildgebenden Verfahrens liegt in der geringeren Strahlenbelastung als beim klassischen Röntgen. Nachteil ist der hohe Geräte- und Rechenaufwand, mit dem die Messungen durchgeführt und ausgewertet werden müssen.

Warum sind Röntgenstrahlen schädlich?

Röntgenstrahlen gehören zu den ionisierenden Strahlen. Sie können also Gewebezellen nicht nur durchdringen, sondern auch beschädigen. Bei einer Überdosis besteht sogar die Gefahr, dass sie Tumore verursachen. Die Belastung durch medizinische Röntgenaufnahmen ist jedoch zu gering, als dass ein Zusammenhang mit Krebserkrankungen nachweisbar wäre.

Beispielsweise erhält der Körper bei einer Zahnaufnahme eine Strahlungsdosis von 0,01 Millisievert (mSv), bei einer Mammographie etwa 0,5 mSv und bei einer Aufnahme des Darms 17 mSv. Die mittlere Belastung eines Menschen durch die Röntgendiagnostik liegt bei einer effektiven Dosis von 1,5 mSv pro Jahr. Zum Vergleich: Die Belastung aus natürlichen Quellen beträgt im Mittel 2,4 mSv.

Wie funktioniert die Magnetresonanzspektroskopie?

Grundlage dieses Verfahrens sind die magnetischen Eigenschaften der Wasserstoff-Atomkerne im Körper. Vorteilhaft ist dabei, dass Wasserstoff in allen organischen Verbindungen – und damit in allen Teilen des Körpers – enthalten ist. Bei der Untersuchung wird der Patient zunächst in ein starkes Magnetfeld geschoben, das für den Körper unschädlich ist. Allerdings reagieren die Wasserstoffkerne nun wie kleine Magnete und richten sich teilweise parallel zur Feldrichtung aus.

Im nächsten Schritt wird der Patient kurzzeitig einer Radiowelle ausgesetzt. Hat diese Welle eine ganz bestimmte Frequenz, dann geraten die ausgerichteten Wasserstoffkerne in Resonanz und kippen dadurch teilweise in die entgegengesetzte Richtung um. Damit ändert sich die Nettomagnetisierung des Körpers. Wird die Radiowelle abgeschaltet, richten sich die Kerne nach und nach wieder am Magnetfeld aus. Dabei strahlen sie ihrerseits ein elektromagnetisches Signal ab. Die Stärke dieses Signals und die Zeit, bis es abgeebbt ist, werden nun gemessen. Je nachdem, welche der beiden Parameter man zur Darstellung wählt, gewinnt man differenzierte Bilder mit einem jeweils unterschiedlichen Informationsgehalt.

Welche Organe kann man mit Ultraschall untersuchen?

Nur solche, die nicht durch Knochen verdeckt werden, z. B. im Bauchraum, da Knochen den Schall schlecht leiten. Denn Ultraschall arbeitet mit Schallwellen. Diese mechanischen Wellen erstrecken sich über den Frequenzbereich von einem Hertz bis zu über 100 Megahertz. Für das menschliche Ohr hörbar ist nur der Bereich von einigen Hertz bis etwa 20 Kilohertz, die höheren Frequenzen bezeichnet man als Ultraschall. Die Ausbreitung von Schallwellen wird von dem Material, das die Wellen durchlaufen, beeinflusst, d. h., sie werden unterschiedlich reflektiert. Flüssigkeiten wie beispielsweise Blut lassen dabei einen höheren Anteil an Schallwellen passieren als feste Materialien. Liegt nun ein Organ hinter einem Knochen, kann der Ultraschall nicht bis zu ihm vordringen, da er bereits von der Knochenoberfläche zurückgestrahlt wird.

Wie wird ein Ultraschallbild erzeugt?

Bei einer Ultraschalluntersuchung sendet der Ultraschallkopf Schallwellen in den Körper und misst die Zeit, bis das an einer Oberfläche reflektierte Signal zurückkommt. Da die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Gewebe bekannt ist, kann das Gerät berechnen, wo sich ein Organ oder Tumor befindet.

Jede eingestrahlte Ultraschallwelle erzeugt dabei mehrere reflektierte Wellen beim Ultraschallempfänger. Diese Signale werden nebeneinander als Bildpunkte dargestellt, entsprechend ihrer Intensität mehr oder weniger hell. Indem der Arzt die Messung etwas versetzt zur ersten wiederholt, entsteht ein Schnittbild durch ein Organ oder einen Tumor. Verschiebt er den Ultraschallkopf schnell genug, ist es sogar möglich, Bewegungen zu sehen – beispielsweise das Schlagen des Herzens. Parallele Aufnahmen von solchen Schnittbildern liefern ein dreidimensionales Bild eines Organs.

Welche Diagnosemethoden arbeiten ebenfalls mit Strahlung?

Beispielsweise die nuklearmedizinischen Diagnoseverfahren, bei denen die Strahlenquelle in das Körperinnere gebracht wird. Dabei werden dem Patienten Radiopharmaka verabreicht, also Stoffe, die im Stoffwechsel bestimmter Organe eine Rolle spielen, aber so verändert wurden, dass sie ein kurzlebiges radioaktives Element enthalten. Die Strahlung, die dieses Element aussendet, wird außerhalb des Körpers gemessen. Mit den Ergebnissen lassen sich Aussagen treffen über Ablauf oder Störungen des Stoffwechsels und damit über die Funktionsfähigkeit des Organs.

Eingesetzt wird diese Untersuchungsmethode beispielsweise bei Schilddrüsenerkrankungen. Der Patient erhält ein mit Technetium markiertes Medikament, das vom Körper ähnlich verarbeitet wird wie Iod, ein Element, das für die Funktion der Schilddrüse wichtig ist. Nur die funktionierenden Teile der Schilddrüse nehmen Iod auf – und damit auch das Medikament. Misst man die abgegebene Strahlung, lassen sich kranke Bereiche der Schilddrüse eindeutig identifizieren.

Was sind »künstliche« Antikörper?

Es sind Antikörper, die unter Zuhilfenahme von Krebszellen im Labor gezüchtet werden. Im Unterschied zu »natürlichen«, vom Immunsystem erzeugten Antikörpern reagieren sie nur auf eine einzige körperfremde Substanz (Antigen) und werden deshalb auch als monoklonale Antikörper bezeichnet. Entwickelt wurde das Herstellungsverfahren von dem Deutschen Georges Köhler (1946–1995) und dem aus Argentinien stammenden Briten César Milstein (1927–2002); beide wurden für diese bahnbrechende Leistung 1984 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.

Kernidee des Verfahrens ist, B-Zellen (die natürliche Antikörper produzieren) mit Tumorzellen zu sog. Hybridomzellen zu verschmelzen (lat. hybrida, »Mischling«). Diese sind einerseits unbegrenzt teilungsfähig, andererseits produzieren sie wie normale B-Zellen Antikörper. Man muss nun lediglich die Kulturflüssigkeit der Hybridomzellen so stark verdünnen, dass auf jede kultivierte Schale nur eine einzige Zelle kommt. Deren Nachkommen sind erbgleich (also »geklont«) und stellen damit bei geeigneten Wachstumsbedingungen beliebige Mengen des gewünschten Antikörpers her.

Wo werden monoklonale Antikörper eingesetzt?

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die medizinische Diagnostik, also der Nachweis von Krankheitserregern wie Röteln- oder Herpes-Viren oder auch des Aids-Erregers HIV. Für die Wissenschaft vielleicht am interessantesten sind monoklonale Antikörper als sog. Leuchtmarker: Stattet man sie nämlich mit radioaktiven Atomen oder fluoreszierenden Gruppen aus, so lassen sich ihre Antigene in einer Gewebeprobe unmittelbar sichtbar machen – ein Hilfsmittel, das für den untersuchenden Mediziner von unschätzbarem Wert ist.

Ein vielversprechender Ansatz ist auch der Einsatz monoklonaler Antikörper in der Krebstherapie, der allerdings noch in den Kinderschuhen steckt. Ziel ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Antikörpern, die Tumorzellen entweder selbst zerstören (indem sie mit einem Zellgift gekoppelt werden) oder aber die Zerstörung durch andere Moleküle befördern (ähnlich wie im natürlichen Immunsystem). Das Hauptproblem besteht darin, dass die meisten Antigene, die Krebszellen tragen, auch auf gesunden Zellen vorkommen, die damit ebenfalls angegriffen würden.