Rund 100 Millionen Mal im Jahr werden Patienten weltweit mittels Magnetresonanz-Tomografie, kurz MRT, untersucht. Das entspricht drei Untersuchungen pro Sekunde! Damit ist die MRT, auch Kernspintomografie genannt, als bildgebendes Verfahren zur Darstellung weicher Körperteile in der Medizin längst Standard. Besondere Bedeutung hat die MRT zum Beispiel in der Funktionsdiagnostik des Herzens. Bisher waren allerdings die Bilder nicht schnell genug, um das schlagende Herz direkt abzubilden. Stattdessen waren nur Aufnahmen möglich, die mit dem Elektrokardiogramm (EKG) synchronisiert aus vielen Herzschlägen zusammengesetzt werden mussten. Professor Dr. Jens Frahm vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen und sein Team haben dieses Problem gelöst. Für seine bahnbrechende Entwicklung wurde Frahm jüngst mit dem Wissenschaftspreis des Stifterverbandes der deutschen Wissenschaft ausgezeichnet. Dank neuartiger Mess- und Berechnungsmethoden sowie speziell abgestimmter Hardware können er und sein Team Echtzeit-Filme mit bis zu 30 MRT-Bildern pro Sekunde aufzeichnen. Dadurch lassen sich nicht nur die Kontraktionen des Herzmuskels, sondern zum Beispiel auch der Schluckvorgang live beobachten. „Sogar die Darstellung von bewegten Gelenken, etwa des Kiefers beim Öffnen und Schließen des Mundes, ist mit Echtzeit-MRT kein Problem mehr“, erklärte Frahm. Die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten seines Verfahrens illustrierte er anhand von anschaulichen Videobeispielen und stellte sich anschließend der kritischen Diskussion. Im Gespräch mit Prof. Dr. Ulrich Dirnagl, Direktor des Centrums für Schlaganfallforschung an der Charité-Universitätsmedizin Berlin, arbeitete der Physiker die Vorteile und Entwicklungsmöglichkeiten des neuen Verfahrens heraus.
Die Veranstaltung stand im Kontext der Reihe „Impulse der Zukunft“, die TSB und Max-Planck-Gesellschaft gemeinsam ausrichten. Nicolas Zimmer, Vorstandsvorsitzender der TSB, begrüßte gleich zu Beginn des Abends die Mitglieder des Imaging Netzwerks Berlin. Das Netzwerk – bis vor kurzem unter dem Schirm der TSB-Innovationsagentur, jetzt koordiniert von Berlin Partner für Wissenschaft und Technologie – ist ein Zusammenschluss von Kompetenzträgern aus dem Bereich der bildgebenden Verfahren am Standort Berlin-Brandenburg. Ziel des Netzwerkes sei es, Grundlagenforschung im Sinne praktischer Anwendungen begreifbar zu machen, so Zimmer. Er lud alle Anwesenden ein, im Nachgang der Veranstaltung beim Stehempfang gemeinsam weiter in die Zukunft der Medizintechnik zu denken.
Protonen im Magnetfeld erzeugen ein Bild
Magnetresonanz-Tomografie basiert auf der Radiofrequenz-Anregung von Wasser-Protonen im Körper. Deren Ausrichtung in einem Magnetfeld wird gemessen und rechnerisch in ein Bild der inneren Organe übersetzt. Die räumliche Auflösung des Bildes entsteht dabei dadurch, dass die Stärke des Magnetfeldes im Raum variiert wird. Aus diesem Grund waren ursprünglich über 200 Wiederholungen der Aufnahme notwendig, um die Rekonstruktion eines Abbildes der Organe mittels Fourier-Transformation überhaupt zu ermöglichen. In den achtziger Jahren gelang es Jens Frahm und seinen Kollegen Axel Haase, Wolfgang Hänicke, Klaus-Dietmar Merboldt und Dieter Matthaei erstmals eine Beschleunigung des Verfahrens zu erzielen. Sie entwickelten die Fast Low Angle Shot-Methode (FLASH): Statt des herkömmlichen Spin-Echos nutzt FLASH ein Gradientenecho, das kleine Anregungswinkel mit einer schnellen Wiederholung von Messungen kombiniert. Die Methode verkürzt die Repetitionszeit der Messungen von einigen Sekunden auf nur noch wenige Millisekunden und damit die Messzeit eines Bildes von mehreren Minuten auf 0,5 bis zwei Sekunden. Sie ist heute Standard in MRT-Systemen weltweit und eines der erfolgreichsten Patente der Max-Planck-Gesellschaft überhaupt. Möchte allerdings ein Arzt das Herz eines Patienten in Bewegung beobachten, so muss ein Film „gebaut“ werden. Dazu werden einzelne Teilmessungen des Herzens zu verschiedenen Zeitpunkten mehrerer Herzschläge in Synchronisation mit einem EKG zu einem einzigen Herzschlag zusammengesetzt: Ein Verfahren mit begrenzter Aussagekraft, da es völlig gleichartige Herzschläge voraussetzt.
Die Innovation
Die neue Methode der Echtzeit-MRT macht solche zusammengestückelten Filme überflüssig. Sie ermöglicht die Aufnahme realer Herzfilme bei einfacher Untersuchung und praktisch ohne Fehlerrisiko. Das neue Verfahren basiert auf einer Fortentwicklung von FLASH. Frahms Team nutzte dabei die Beobachtung, dass die relevanten Daten in der Mitte des Datenraumes gelegen sind und probierte statt der bisher verwendeten kartesischen Ortskodierung die wesentlich effizientere radiale Ortskodierung aus. Den Durchbruch zu FLASH II erzielten die Göttinger Forscher, indem sie die aufgezeichnete Anzahl radialer Datenpunkte von über 200 auf etwa zehn bis 15 reduzierten – und damit entsprechend die Messzeit auf 20 bis 40 Millisekunden pro Bild verkürzten. Mit Erfolg, auch wenn dies zunächst mit einer sehr zeitaufwändigen Bildrekonstruktion erkauft werden musste, die jedes MRT-Bild als die Lösung eines nichtlinearen inversen Problems definiert. Doch auch hier fanden die Forscher eine Lösung. Da – speziell im Falle eines Filmes – jedes Bild große Ähnlichkeit mit dem vorhergehenden aufweist, kann dieses Wissen genutzt werden, um die „iterative Schätzung“ des jeweils aktuellen Bildes so einzuschränken, dass die Richtigkeit der berechneten Bilder gesichert wird.
Für diesen neuartigen, parallelisierten Rekonstruktionsalgorithmus schufen die Göttinger eine leistungsfähige Hardwareumgebung. Sie rüsteten einen Computer mit zwei mal vier Grafikkarten und einer neu entwickelten Programm-Bibliothek aus. Diese optimiert die Kommunikation zwischen den Grafikkarten und stellt sicher, dass die Karten fehlerfrei und besonders schnell die MRT-Daten verrechnen können. Der so ausgerüstete Rechner wurde schließlich komplett in ein kommerzielles MRT-System integriert.
Anwendungen für Echtzeit-MRT
„Herzlich willkommen zu einem Vortrag über die Magnetresonanztomografie in Echtzeit.“ Zur etwas blechernen Lautsprecherstimme sah das Publikum im Langenbeck-Virchow-Haus einen MRT-Film des Sprechers. Deutlich erkennbar waren die Bewegungen der Zunge und des Kehlkopfes beim Sprechen. „Großartig“, raunte ein Zuschauer. „Die Methode erlaubt Einblicke, die bisher unmöglich waren“, erläuterte Frahm. Beispielsweise zur Physiologie bestimmter linguistischer Prozesse. So verändert sich etwa die Bewegung des Velums und der Zunge, wenn ein Konsonant nicht mehr alleine, sondern in Verbindung mit einem Vokal gesprochen wird. Aber auch allgegenwärtige Leiden wie den Reflux können Ärzte mittels Echtzeit-MRT in einem anderen Licht betrachten. „Mit einem natürlichen Kontrastmittel wie Ananassaft können wir den Schluckvorgang vom Mund bis in den Magen beobachten“, sagte der Forscher. „Manchmal genügt eine Minute Film und der Arzt weiß, wie er operieren muss.“ Ähnliches gilt für Aufnahmen vom Herzen eines Patienten. Der Film, in entspannter Haltung und ohne Luftanhalten aufgezeichnet, gibt Auskunft über den Verlauf der systolischen Kontraktion und Expansion des Herzens. Auswurffraktion und Wandverdickung können daraus unmittelbar berechnet werden, Herzarrhythmien sind erstmals zugänglich. Auch turbulente Strömungen sind in beiden Fällen, Herz und Magen, deutlich zu beobachten. Sie sollen dem Arzt in Zukunft wichtige Zusatzinformationen bieten. Denn der nächste Schritt, den Frahm und sein Team vor Augen haben, ist aus diesen Daten über Modelle der Flüssigkeitsdynamik auch quantitative Aussagen zu ermöglichen. Selbstverständlich kann die Echtzeit-MRT auch zur Beobachtung von Gelenkbewegungen eingesetzt werden. Hier ist das Ziel, von Aufnahmen in Ruhe hin zu Filmen in realen Belastungssituationen zu gelangen. Frahm stellte in Aussicht: „Entsprechende Zusatzapparate werden gerade entwickelt“.
Interventionelle MRT als nächstes Ziel
Wenn Frahm in die Zukunft blickt, sieht er die Echtzeit-MRT als unverzichtbares diagnostisches Instrument, das die Möglichkeiten der MRT noch einmal deutlich erweitert. Die Akzeptanz der Patienten sei viel besser als bei anderen Methoden, da die Aufnahme mit so gut wie keinen Unannehmlichkeiten verbunden ist. Luftanhalten, Fixierung von Gelenken und zahlreiche Wiederholungen wegen Fehlmessungen – all das sei passé. Auch für Patienten im Kindesalter ist das Verfahren gut geeignet, da jetzt in vielen Fällen auf eine Narkose verzichtet werden kann. Selbst ökonomisch sei die Methode wegen der reduzierten Untersuchungszeiten herkömmlichen Messprotokollen überlegen, so der Physiker. Aber nicht nur in der Diagnostik, sondern auch bei der Behandlung erwartet Frahm weitere Erfolge. Die Steuerung von operativen Eingriffen anhand von Echtzeit-MRT ist eines der nächsten großen Etappenziele, das die Forscher anvisiert haben. Dazu gilt es nun, Anwendungserfahrung zu sammeln und die Technik weiterzuentwickeln. In Göttingen hat die klinische Erprobung an der Universitätsmedizin bereits begonnen. Und die deutschen Zentren für Herz-Kreislaufforschung stehen ebenfalls in den Startlöchern. Parallel arbeitet das Fraunhofer Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS in Bremen gerade an einer Software zur optimalen Auswertung der Bilder. Gerade in Bezug auf die interventionelle Anwendung der MRT geht es darum, eine dreidimensionale Darstellung zu erzielen. Die Max-Planck-Gesellschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft haben dafür Mittel bereitgestellt.
Echtzeit-MRT besteht in der Diskussion
„Wo ist der Haken?“ wollte Ulrich Dirnagl in der Diskussion wissen. Bezüglich der Kosten gäbe es keinen, erklärte Frahm. Lediglich rund 15000 Euro koste die Hardware-Ausstattung für die schnelle Bildberechnung. Und wohl alle gängigen Geräte seien auch mit der neuentwickelten Messtechnik kompatibel. Nur die Magnetfelder, die zur Ortskodierung angelegt werden, könnten nicht beliebig erhöht werden, da sonst periphere Nerven stimuliert würden, räumte der Physiker ein. Von diesen hänge aber die Auflösung der Bilder ab, der damit technische Grenzen gesetzt sind. Welche Rolle die Feldstärke für die Messungen ganz im Allgemeinen spiele, wollte Dirnagl wissen. Frahm erklärte: „Wir haben mit verschiedenen Feldern unterschiedliche Fragestellungen bearbeitet.“ Einige Standardmessungen liefen mit 1,5 Tesla gut. In Zusammenarbeit mit Professor Dr. Thoralf Niendorf vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin sei man aber auch schon bis zu einer Feldstärke von 7 Tesla gegangen. „Jede Feldstärke hat ihre Berechtigung. Die Zukunft liegt in der intelligenten Nutzung dessen, was man hat“, bestätigte Niendorf aus dem Publikum. Dirnagl und Frahm sprachen abschließend darüber, welche Rolle die Echtzeit-MRT im Kontext der bildgebenden Verfahren zukünftig spielen werde. Frahm schloss nicht aus, dass Hybridtechnologien entstehen könnten. Auch habe die Echtzeit-MRT aufgrund ihrer einfachen Handhabung bei entsprechender Fortentwicklung der Technik durchaus das Potenzial, andere Methoden komplett zu verdrängen, sagte der Forscher voraus.
Autorin: Stefanie Geiselhardt