Siemens erforscht neue Konzepte für Röntgenröhren. Sie sollen die erreichbare Bildauflösung dramatisch erhöhen und Phasenkontrast-Röntgen ermöglichen - ein ganz neues Verfahren, mit dem zum Beispiel Tumore deutlich besser erkannt werden können. Untersuchungen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen kommen dann mit weniger oder sogar ganz ohne die Kontrastmittel aus, auf die etwa jeder zehnte Patient allergisch reagiert. In dem mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsprojekt, das bis 2017 läuft, arbeiten Experten von Siemens Healthcare und der globalen Forschung Corporate Technology mit externen Partnern zusammen.

Statt wie bisher Elektronen in über 2.000 Grad heißen Glühdrähten zu erzeugen, setzen die Forscher auf eine energiesparendere, ringförmige, sogenannte kalte Kathode aus nanostrukturiertem Kohlenstoff, die bei hoher Spannung und Raumtemperatur Elektronen emittiert. Die Elektronen werden beschleunigt und treffen dann nicht wie bisher auf eine feste Anode aus Wolfram, wo lediglich ein Prozent der einfallenden Energie in Röntgenstrahlen umgesetzt wird, sondern auf einen haardünnen Strahl aus flüssigem Metall. Dieses Liquid metal jet alloy target (LiMA) besteht zu 95 Prozent aus Lithium, das sehr effektiv die von den Elektronen erzeugte Wärme ableitet, und zu fünf Prozent aus schwerem Elementen wie Wismut oder Lanthan. Sie bremsen die Elektronen ab und erzeugen Röntgenstrahlung. Die Energie der Elektronen, die die Metallstrahl-Anode verlassen, könnte zu großen Teilen zurückgewonnen werden. Gegenüber heutigen Geräten halbiert sich der Energieverbrauch für Strom und Kühlung der Röntgenröhre.

Bildauflösung wird 20-fach höher

Die neue Technik erzeugt eine viel höhere Energiedichte in der Anode, so dass bei gleicher Lichtstärke der Fokus der neuen Röntgenquelle 400-mal kleiner ist als bisher. Dies führt zu einer 20-fach höheren Bildauflösung und ermöglicht das Phasenkontrast-Röntgen. Beim heute üblichen Absorptionsröntgen wird erfasst, ob die Strahlen ein Gewebe durchdringen oder nicht. Phasenkontrast-Röntgen misst dagegen auch, wie das Gewebe die Phase - also den Abstand von Schwingungstälern und -bergen des Röntgenstrahls beeinflusst. Diese Phasenverschiebung variiert je nach Art des Gewebes, durch das die Strahlung gebrochen wird. So können Weichteilgewebe unterschieden werden - insbesondere der Unterschied zwischen Fett und Wasser oder der Eisenanteil im Blut werden gut sichtbar. Tumore lassen sich so bereits im Frühstadium erkennen oder Blutgefäße ohne Kontrastmittel sichtbar machen. Um die Phasenverschiebung zu messen, will Siemens erstmals sogenannte Wellenfront-Sensoren, wie sie in der Optik oder Astronomie verwendet werden, für Röntgenstrahlen einsetzen.

Die neuen Röntgenröhren sollen nicht nur energieeffizienter und leistungsfähiger sein, sie werden auch minimal-invasive Eingriffe unterstützen. Dabei arbeiten Chirurgen über Katheter im Körperinneren und wissen anhand von Röntgenaufnahmen jederzeit, wo sie sich genau befinden. Wird der Katheter über ein Magnetfeld gesteuert, können keine konventionellen Röntgensysteme eingesetzt werden, weil sie auf Magnetfelder empfindlich reagieren. Die neue Technik hat diesen Nachteil nicht und liefert überdies diagnostisch aussagekräftigere Bilder.