Mini-Teilchenbeschleuniger spart Kontrastmittel

Röntgenstrahlen aus der MuCLS bieten neue Möglichkeiten für Herz-Untersuchungen

2017-02-27 – News from the Physics Department

Die wichtigste Methode, um Verengungen in den Herzkranzgefäßen sichtbar zu machen, ist die Koronarangiographie. Bei einigen Patienten können die verwendeten Kontrastmittel jedoch gesundheitliche Probleme hervorrufen. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) konnte jetzt zeigen, dass sich die benötigte Menge dieser Substanzen deutlich senken lässt, wenn man sogenannte monoenergetische Röntgenstrahlen aus einem Mini-Teilchenbeschleuniger verwendet.

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Prof. Franz Pfeiffer und PD Dr. Daniela Münzel am Mini-Synchrotron Munich Compact Light Source (MuCLS). – Photo: Heddergott / TUM

Weichteile wie Organe oder Blutgefäße sind auf Röntgenbildern kaum zu erkennen. Um Verengungen oder andere Veränderungen in Herzkranzgefäßen zu finden, wird daher zumeist ein Jod-haltiges Kontrastmittel gespritzt.

Mitunter können diese Substanzen jedoch gefährliche Auswirkungen haben: „Speziell bei Patienten mit Niereninsuffizienz kann es zu Komplikationen bis hin zum Nierenversagen kommen“, erläutert Dr. Daniela Münzel, Privatdozentin und Oberärztin für Radiologie am Klinikum rechts der Isar der TUM. „Deshalb erforschen wir Möglichkeiten, um die Kontrastmittelgabe zu reduzieren.“

Präzise Röntgenstrahlen

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Prof. Franz Pfeiffer, PD Dr. Daniela Münzel (m.) und Elena Eggl am Mini-Synchrotron Munich Compact Light Source (MuCLS). – Photo: Pfeiffer / TUM
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Prof. Franz Pfeiffer und PD Dr. Daniela Münzel diskutieren mit Prof. Ernst Rummeny, dem Direktor des Instituts für diagnostische und interventionelle Radiologie. – Photo: Heddergott / TUM

Einen Ansatz dafür haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie des Klinikums rechts der Isar jetzt in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Biomedizinische Physik am Department Physik der TUM entwickelt. Die Methode, die sie im Fachjournal „Nature Scientific Reports“ schildern, basiert nicht auf neuen Kontrastmitteln, sondern auf besonderen Röntgenstrahlen. Diese lassen sich mithilfe der Munich Compact Light Source (MuCLS) erzeugen, dem weltweit ersten Mini-Synchrotron, das Ende 2015 an der TUM eingeweiht wurde.

 „Während herkömmliche Röntgenquellen ein relativ breites Spektrum an Energien erzeugen, lässt sich die Energie der Röntgenstrahlen, die mit der MuCLS erzeugt werden, viel genauer steuern“, erläutert Elena Eggl, Physikerin und Erstautorin der Publikation.

Dicht an der Absorptionskante

Bei Kontrastmitteln wie Jod und Gadolinium gibt es eine sogenannte Absorptionskante. Das bedeutet: Wenn der Stoff mit Röntgenstrahlen einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird, ist der Kontrast des markierten Organs auf der fertigen Aufnahme besonders gut. Bleibt man unter dieser Absorptionskante – bei Jod liegt sie bei etwa 30 Kiloelektronenvolt – ist der Kontrast bereits deutlich schwächer. Weit darüber wird er ebenfalls schwächer.

Daher muss bei herkömmlichen Röntgenquellen mit einem breiten Spektrum immer genug Kontrastmittel verwendet werden, damit dieser Effekt ausgeglichen wird und der Kontrast für eine Diagnose ausreicht. Die MuCLS kann Röntgenstrahlen erzeugen, die ausschließlich den optimalen Energiewert haben. Solch eine monoenergetische Röntgenstrahlung kann man schon länger erzeugen. Bisher waren dafür aber ringförmige Teilchenbeschleuniger mit einem Durchmesser von mehreren hundert Metern nötig. Die MuCLS hat dagegen ungefähr die Größe eines Pkw.

Eine deutliche Verbesserung

Rechnerisch ließe sich mithilfe von monoenergetischer Röntgenstrahlung bei gleichbleibendem Kontrast die Jod-Dosis um knapp ein Drittel senken. Für Gadolinium läge der Wert sogar noch etwas höher. Bis tatsächlich Patienten mit monoenergetischer Röntgenstrahlung untersucht werden können, muss jedoch noch vieles erforscht werden.

Die MuCLS ist das erste Kompaktsynchrotron überhaupt. „Da stehen wir erst ganz am Anfang der Entwicklung“, sagt Elena Eggl. Zudem ist das Gerät auf Grundlagenforschung und nicht auf die Untersuchung von Menschen ausgerichtet. Dass die Methode grundsätzlich funktioniert, zeigten die Forscherinnen und Forscher anhand von detaillierten Computersimulationen und mithilfe eines Schweineherzens, dessen Gefäße sie mit Jod einfärbten.

Gute Aussichten

Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik an der TUM, sieht die aktuelle Publikation als vielversprechenden Auftakt der Medizinischen Forschung mit dem Kompaktsynchrotron: „Die MuCLS bietet eine Vielzahl an medizinischen Anwendungsmöglichkeiten, die wir gemeinsam mit unseren Partnern aus der Medizin weiter erforschen wollen.“

Die Forschungsarbeit wurde aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), des Center for Advanced Laser Applications (CALA), des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, und des DFG Gottfried Wilhelm Leibniz Programms finanziert.

Veröffentlichung

Mono-Energy Coronary Angiography with a Compact Synchrotron Source
Elena Eggl, Korbinian Mechlem, Eva Braig, Stephanie Kulpe, Martin Dierolf, Benedikt Günther, Klaus Achterhold, Julia Herzen, Bernhard Gleich, Ernst Rummeny, Peter B. Noёl1, Franz Pfeiffer & Daniela Muenzel

Kontakt

Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Tel.: +49 89 289-12551 (Büro)
Tel.: +49 89 289-12552 (Sekretariat)

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