Wissenschaftlern gelingt es, Organe und Gelenke mittels Magnetresonanztomographie in Echtzeit zu filmen

Wissenschaftlern gelingt es, Organe und Gelenke mittels Magnetresonanztomographie in Echtzeit zu filmen
Wissenschaftlern gelingt es, Organe und Gelenke mittels Magnetresonanztomographie in Echtzeit zu filmen
Anonim

„H alten Sie bitte absolut still“: Diese Anweisung ist entscheidend für Patienten, die mittels Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht werden. Nur so erh alten Sie klare Bilder für die Diagnose. Bisher war es daher nahezu unmöglich, sich bewegende Organe mittels MRT abzubilden.

Göttinger Max-Planck-Forschern ist es nun gelungen, die Zeit für die Aufnahme von Bildern deutlich zu verkürzen - auf nur eine fünfzigstel Sekunde. Mit diesem Durchbruch lässt sich erstmals die Dynamik von Organen und Gelenken „live“filmen: Augen- und Kieferbewegungen ebenso wie Kniebeugen und Herzschlag.Das neue MRT-Verfahren verspricht wichtige Erkenntnisse über Erkrankungen der Gelenke und des Herzens. In vielen Fällen können MRT-Untersuchungen für Patienten einfacher und komfortabler werden.

Was bis weit in die 1980er Jahre mehrere Minuten dauerte, dauert heute nur noch Sekunden: die Aufnahme von Schnittbildern unseres Körpers mittels Magnetresonanztomographie (MRT). Möglich wurde dies durch die von den Göttinger Wissenschaftlern Jens Frahm und Axel Haase am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entwickelte FLASH-Methode (fast low angle shot). FLASH hat die MRT revolutioniert und war maßgeblich für ihre Etablierung als wichtigste Modalität in der diagnostischen Bildgebung verantwortlich. Die MRT ist völlig schmerzfrei und zudem äußerst sicher. Da die Technik mit Magnetfeldern und Radiowellen arbeitet, sind die Patienten keiner Strahlenbelastung wie beim Röntgen ausgesetzt. Für die Untersuchung schnell bewegter Organe und Gelenke ist das Verfahren derzeit aber noch zu langsam.Um beispielsweise die Bewegung des Herzens zu verfolgen, müssen die Messungen mit dem Elektrokardiogramm (EKG) synchronisiert werden, während der Patient die Luft anhält. Anschließend müssen die Daten verschiedener Herzschläge zu einem Film zusammengefügt werden.

Zukunftsperspektive: Erweiterte Diagnostik für Krankheiten

Den Forschern um Jens Frahm, Leiter der gemeinnützigen „Biomedizinische NMR Forschungs GmbH“, ist es nun gelungen, den Bildaufnahmeprozess weiter zu beschleunigen. Das von Jens Frahm, Martin Uecker und Shuo Zhang entwickelte neue MRT-Verfahren verkürzt die Bildaufnahmezeit auf eine fünfzigstel Sekunde (20 Millisekunden) und ermöglicht so „Live-Aufnahmen“bewegter Gelenke und Organe in bisher unerreichter zeitlicher Auflösung und ohne Artefakte. Die Dynamik des Kiefers beim Öffnen und Schließen des Mundes zu filmen ist genauso einfach wie das Filmen der Bewegungen bei der Sprachproduktion oder des schnellen Herzschlags. „Ein Echtzeitfilm des Herzens ermöglicht es uns, das Pumpen des Herzmuskels und den daraus resultierenden Blutfluss direkt zu überwachen – Herzschlag für Herzschlag und ohne dass der Patient die Luft anh alten muss“, erklärt Frahm.

Die Wissenschaftler glauben, dass die neue Methode dazu beitragen könnte, die Diagnose von Erkrankungen wie der koronaren Herzkrankheit und der Herzmuskelschwäche zu verbessern. Eine weitere Anwendung sind minimal-invasive Eingriffe, die dank dieser Entdeckung künftig mit MRT statt Röntgen durchgeführt werden könnten. „Allerdings müssen wir wie schon bei FLASH erst lernen, die Echtzeit-MRT-Möglichkeiten für medizinische Zwecke zu nutzen“, sagt Frahm. „Damit ergeben sich auch für Ärzte neue Herausforderungen. Der technische Fortschritt muss in klinische Protokolle ‚übersetzt‘werden, die optimale Antworten auf die relevanten medizinischen Fragestellungen geben.“

Weniger ist mehr: Beschleunigung durch bessere Bildrekonstruktion

Um den Durchbruch zu MRT-Messzeiten zu erreichen, die nur sehr kleine Sekundenbruchteile dauern, mussten mehrere Entwicklungen erfolgreich miteinander kombiniert werden. Die Wissenschaftler setzten noch auf die FLASH-Technik, nutzten aber eine radiale Codierung der räumlichen Informationen, die die Bilder bewegungsunempfindlich macht.Mathematik war dann gefragt, um die Akquisitionszeiten weiter zu verkürzen. „Es werden deutlich weniger Daten aufgenommen, als normalerweise für die Berechnung eines Bildes notwendig sind. Wir haben ein neues mathematisches Rekonstruktionsverfahren entwickelt, das es uns ermöglicht, aus eigentlich unvollständigen Daten ein aussagekräftiges Bild zu berechnen“, erklärt Frahm. Im Extremfall kann aus nur fünf Prozent der für ein normales Bild benötigten Daten ein Bild vergleichbarer Qualität errechnet werden – was einer Verkürzung der Messzeit um den Faktor 20 entspricht Wissenschaftler haben die MRT seit Mitte der 1980er Jahre um den Faktor 10000 beschleunigt.

Obwohl diese schnellen MRT-Messungen problemlos auf heutigen MRT-Geräten implementiert werden können, besteht ein Engpass, wenn es um die Verfügbarkeit von ausreichend leistungsfähigen Computern für die Bildrekonstruktion geht. Physiker Martin Uecker erklärt: „Der dafür nötige Rechenaufwand ist gigantisch. Wenn wir zum Beispiel das Herz nur eine Minute lang in Echtzeit untersuchen, entstehen aus einer Datenmenge von zwei Gigabyte zwischen 2000 und 3000 Bilder." Uecker hat das mathematische Verfahren konsequent so gest altet, dass es in parallel berechenbare Schritte aufgeteilt wird. Diese komplexen Berechnungen werden mit schnellen grafischen Recheneinheiten durchgeführt, die ursprünglich für Computerspiele und dreidimensionale Visualisierung entwickelt wurden. "Unsere Computersystem benötigt derzeit etwa 30 Minuten, um eine Minute Film zu verarbeiten ", sagt Uecker. Daher wird es noch eine Weile dauern, bis MRT-Systeme mit Computern ausgestattet sind, die eine sofortige Berechnung und Live-Darstellung der Bilder während des Scans ermöglichen.

Um die Zeit bis zur praktischen Anwendung ihrer Innovation so kurz wie möglich zu h alten, arbeiten die Göttinger Forscher eng mit der Firma Siemens He althcare zusammen.

Video eines schlagenden Herzens.

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