Von einer durchleuchteten Hand zum Schnittbild: Wie die CT entstand

Ich habe gerade dieses Buch über Wissenschaftsgeschichte für einen Spottpreis antiquarisch erstanden. Es ist einfach unglaublich, wofür die Entdeckung der Röntgenstrahlen alles heute steht. Und eine ganz praktische Auswirkung in meinem persönlichen Leben hatte sie auch.

Im Herbst 1895 stand der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen in seinem Würzburger Labor und experimentierte mit Kathodenstrahlen. Am 8. November bemerkte er, dass ein Leuchtschirm in der Nähe fluoreszierte, obwohl die Röhre fest in schwarzen Karton gehüllt war. Eine unbekannte Strahlung musste den Karton durchdringen. Er nannte sie schlicht X-Strahlen.

Wochenlang arbeitete er fast ohne Pause und erzählte kaum jemandem davon. Am 22. Dezember 1895 bat er seine Frau Bertha, ihre Hand für eine Aufnahme stillzuhalten. Auf der Fotoplatte erschienen die Knochen ihrer Finger, und an einem Finger zeichnete sich der dunkle Ring ihres Eheringes ab. Überliefert ist, dass Bertha beim Anblick sagte, sie habe ihren Tod gesehen. Ob der Satz genau so fiel, lässt sich nicht belegen, aber er fängt das Staunen gut ein. Zum ersten Mal hatte ein Mensch ins Innere eines lebenden Körpers geblickt, ohne ihn zu öffnen.

Die Nachricht ging um die Welt. Schon 1896 wurden die ersten Knochenbrüche im Röntgenbild untersucht. Röntgen verzichtete auf ein Patent, 1901 bekam er den ersten Nobelpreis für Physik.

Das Röntgenbild hatte allerdings eine Schwäche. Es presst den ganzen Körper auf ein flaches Bild, alles liegt übereinander. Ein kleiner Herd hinter einer Rippe oder Weichteile mit ähnlicher Dichte verschwimmen. Die Frage war: Lässt sich ein Körper Schicht für Schicht darstellen?

Drei Männer, die nichts voneinander wussten

Die Mathematik dafür gab es im Grunde schon seit 1917, als der Österreicher Johann Radon beschrieb, wie sich ein Objekt aus seinen Projektionen berechnen lässt. Eine praktische Anwendung hatte er nicht im Sinn. In den 1920er und 1930er Jahren entstanden erste mechanische Schichtaufnahmen, die aber unscharf blieben.

Anfang der 1960er Jahre löste der Physiker Allan Cormack in Kapstadt das Problem ein zweites Mal, weil er die Strahlendosis in der Krebstherapie genauer berechnen wollte. Er veröffentlichte seine Ergebnisse 1963 und 1964. Die Arbeit von Radon kannte er nicht, und das Interesse der Krankenhausphysiker blieb aus. Cormack ließ das Thema liegen.

Auch bei Siemens in Erlangen arbeitete ab 1967 eine Gruppe um Friedrich Gudden an Schnittbildern aus Röntgenmessungen. Sie rechneten durch, was für ein gestochen scharfes Bild nötig wäre: Tausende Projektionen mit Tausenden Messpunkten. Das überstieg die Rechner jener Zeit bei Weitem, und das Projekt wurde abgebrochen.

Den Durchbruch schaffte ein Außenseiter: Godfrey Hounsfield, der beim Musik- und Elektronikkonzern EMI in Hayes bei London arbeitete. Er war weder Arzt noch Professor. Im Krieg hatte er am Radar gearbeitet, bei EMI baute er später den ersten volltransistorisierten Computer Großbritanniens. Im Herbst 1967 stellte er sich eine Frage: Könnte man den Text eines geschlossenen Buches lesen, wenn man es Seite für Seite aus vielen Richtungen durchleuchtet? Also gar kein medizinisches Einsatzgebiet.

Ein steiniger Weg

Leicht hatte er es nicht. Die ersten Monate arbeitete er unbezahlt. Sein erster Förderantrag beim britischen Gesundheitsministerium wurde abgelehnt, der zweite brachte nur die Hälfte der erbetenen Summe. Insgesamt flossen bis zum ersten Patientenscan knapp 69.000 Pfund, verteilt auf fast genau drei Jahre.

Seinen ersten Prototyp baute Hounsfield aus Teilen einer Drehbank. Ein einziger Scan dauerte neun Tage, später mit einer Röntgenröhre immer noch neun Stunden. Proben bekam er von befreundeten Radiologen, aber an Leichen ließ sich schlecht arbeiten, weil sie sich zersetzten. 1969 lernte er im Atkinson Morley’s Hospital den Neuroradiologen James Ambrose kennen. Der zeigte ihm seine Abteilung, Hounsfield sagte, er könne das viel besser. Ambrose forderte ihn auf, ein Hirnpräparat mit einer Läsion zu scannen. Fünf Wochen später kam Hounsfield mit einem Polaroid zurück, und Ambrose fragte ihn, ob er eigentlich wisse, was er da geschaffen habe.

Die Fachwelt war weniger begeistert. Als Hounsfield 1970 gemeinsam mit einem EMI-Kollegen leitende Radiologen an Lehrkrankenhäusern besuchte, fiel die Reaktion ernüchternd aus. Seit 1895 war es das Ziel gewesen, die Röntgenbilder schärfer zu machen. Die CT erreichte etwa drei Millimeter Auflösung, ein Röntgenbild dagegen rund 0,3. Dazu kamen Computer, mit denen Radiologen nicht vertraut waren, und ein Preis weit über dem gewohnten. Viele sahen in der CT eine teure Methode, schlechtere Bilder zu bekommen. Auch Hounsfields Vorträge stießen zunächst auf wenig Begeisterung.

Dabei war die Not groß. Wollte man damals ins Innere eines lebenden Kopfes sehen, pumpte man Luft in die Hirnwasserräume, damit sie sich auf dem Röntgenbild abzeichneten, oder spritzte Kontrastmittel in die Arterien. Beides war schmerzhaft und nicht ungefährlich.

Der 1. Oktober 1971

Am 1. Oktober 1971 war es so weit. Im Atkinson Morley’s Hospital in Wimbledon wurde der erste Patient mit dem EMI Mark I untersucht: eine Frau mittleren Alters mit Verdacht auf einen Tumor im linken Stirnlappen. Das Gerät konnte nur den Kopf scannen. Der steckte in einem wassergefüllten Beutel, und der Scanner tastete ihn über viele Minuten Schicht für Schicht ab.

Das Bild konnte das Gerät nicht selbst berechnen. Die Messwerte wurden auf Magnetband gespeichert und zu einem Großrechner an anderer Stelle gebracht. Zwei Tage vergingen, bis Ambrose die Bilder sah. Es war ein grobes Raster aus 80 × 80 Feldern, wie aus Bauklötzen zusammengesetzt. Aber es zeigte mehr Details, als er erwartet hatte, und in dem Raster war ein dunkler Kreis. Ambrose und Hounsfield sollen vor Freude gesprungen sein. Es war ein zystischer Tumor, und als die Chirurgen operierten, bestätigte sich der Befund. Die Medizin hatte ein neues Fenster bekommen.

Im Mai 1972 sprach Hounsfield in New York vor rund 400 Ärzten, am Tag darauf berichteten die drei großen US-Fernsehsender. Die Mayo Clinic rechnete bald mit 30 Patienten täglich, so viele wie das Krankenhaus in Wimbledon im ganzen Jahr untersucht hatte. Auf der Fachmesse in Chicago im Dezember 1972 nahm EMI zahlreiche Bestellungen an, jede mit einer Anzahlung von 100.000 Dollar.

Und dann die Politik

Die Skeptiker waren damit nicht verstummt, nur kamen sie jetzt aus einer anderen Richtung. In den USA fürchtete man die Kosten. 1977 erklärte der Gesundheitsminister vor einem Senatsausschuss, nicht jedes Krankenhaus brauche einen CT-Scanner, so wenig wie jedes Kind einen Rolls-Royce. 1978 folgten Richtlinien, die den Kauf neuer Geräte begrenzten. Die Folgen waren lange Wartezeiten für Patienten und ein schrumpfender Markt, in dem von ursprünglich etwa 20 Herstellern nur vier übrig blieben.

Selbst EMI, der Erfinder des Verfahrens, verkaufte sein CT-Geschäft im April 1980. Die Patente brachten dem Konzern später noch viele Millionen Pfund ein, weil alle Hersteller Lizenzen brauchten.

Für Hounsfield und Cormack kam die Anerkennung trotzdem. Am 11. Oktober 1979 wurde bekannt, dass beide gemeinsam den Nobelpreis für Medizin erhalten. Beide waren keine Mediziner: Hounsfield war Ingenieur, Cormack Physiker. Cormack erfuhr erst 1972 von Hounsfields Arbeit.

Die Entwicklung ging rasant weiter:

• 1974: die ersten Ganzkörperscanner und der erste Siemens-Kopfscanner in Frankfurt
• 1989: die Spiral-CT, bei der der Patient kontinuierlich durch den Ring gefahren wird
• 1998: die Mehrzeilen-CT, die den Körper in Sekunden erfasst
• 2005/06: die Dual-Source-CT mit zwei Röhren, auch für das schlagende Herz
• 2021: die Photon-Counting-CT, die einzelne Röntgenquanten zählt und bei geringerer Dosis schärfere Bilder liefert

Aus Minuten wurden Sekunden, aus 80 × 80 Pixeln wurden hochaufgelöste 3D-Bilder. Allein in den USA gab es 2020 rund 65 Millionen CT-Untersuchungen.

Warum die CT bei einem Schlaganfall so wichtig ist

Den Einsatz eines CT habe ich 2020 selbst am eigenen Leib erlebt. Als ich einen Schlaganfall erlitt, kam ich in der MHH sofort ins CT. Dort wurde ein ischämischer Schlaganfall festgestellt: Ein Gefäß im Gehirn war verschlossen.

Warum wird das so gemacht? Ein Schlaganfall hat zwei mögliche Ursachen. Entweder ist ein Gefäß verstopft, oder es blutet ins Gehirn. Die Behandlung ist in beiden Fällen gegensätzlich. Was bei einem Verschluss hilft, kann bei einer Blutung lebensgefährlich sein. Die CT zeigt in wenigen Minuten, ob es blutet. Mit Kontrastmittel macht sie außerdem sichtbar, wo ein Gefäß verschlossen ist.

Und Zeit ist im Gehirn kostbar. Mit jeder Minute sterben Nervenzellen ab. Deshalb ist es ein Segen, dass es Geräte gibt, die in Sekunden ein Schnittbild des Kopfes liefern, so wie es Godfrey Hounsfield 1971 mit seinem Kopfscanner begann.

Ohne Röntgens Entdeckung, Cormacks Mathematik und Hounsfields Beharrlichkeit wäre das nicht möglich. Für mich ist diese Technik aus meiner Betroffenheit nicht nur eine Geschichte aus Lehrbüchern.

Die Geschichte der Schnittbilder beginnt mit der Hand einer Frau, 1895. Und die Geschichte der CT beginnt mit dem Kopf einer anderen Frau, 1971. Ihren Namen kennen wir, soweit ich weiß, nicht. Aber jeder Scan seither, auch meiner 2020 in der MHH, geht auf diese zwei Ereignisse zurück.