Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Live-Schaltung zum schlagenden Herzen

30.08.2010
Max-Planck-Wissenschaftler haben mit der Magnetresonanz-Tomografie Organe und Gelenke in Echtzeit "gefilmt"

Für Patienten, die mit der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) untersucht werden, gilt die Devise "bitte still halten". Nur so entstehen klare Aufnahmen, die eine Diagnose ermöglichen. Bilder bewegter Organe und Gelenke waren mit der MRT bislang kaum möglich. Göttinger Max-Planck-Forscher haben jetzt die Zeit für eine Bildaufnahme noch einmal entscheidend verkürzt - auf nur eine fünfzigstel Sekunde. Damit lassen sich erstmals Bewegungen von Organen und Gelenken live "filmen": Augen- und Kieferbewegungen ebenso wie die Beugung des Kniegelenks oder das schlagende Herz. Das neue MRT-Verfahren könnte wichtige Informationen bei Erkrankungen der Gelenke und des Herzens liefern und Patienten manche Untersuchung erleichtern. (NMR in Biomedicine 2010, Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance 2010)


Echtzeit-MRT des Herzens mit einer Messzeit von 33 Millisekunden pro Bild und 30 Bildern pro Sekunde. Die räumliche Auflösung beträgt 1,5 Millimeter in der Bildebene (Schichtdicke 8 Millimeter). Die acht aufeinanderfolgenden Aufnahmen zeigen die Bewegung des Herzmuskels einer gesunden Testperson für eine Dauer von 0,264 Sekunden während eines einzigen Herzschlags. Die Bilder reichen von der systolischen Phase (Pfeil oben links: Kontraktion des Herzmuskels) bis zur diastolischen Phase (Pfeil unten rechts: Entspannung). Das helle Signal in den Herzkammern ist das Blut. Bild: Frahm

Was noch bis in die 1980er-Jahre mehrere Minuten dauerte, geht heute innerhalb von Sekunden: die Aufnahme von Schnittbildern unseres Körpers mithilfe der Magnetresonanz-Tomografie (MRT). Möglich machte dies die FLASH (fast low angle shot)-Methode, die von den Göttinger Wissenschaftlern Jens Frahm und Axel Haase am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entwickelt wurde. Die FLASH-Technik revolutionierte die Magnetresonanz-Tomografie und machte sie zu einem diagnostischen Standard-Verfahren in der Medizin. Die MRT-Untersuchung ist für Patienten völlig schmerzfrei und zudem äußerst schonend. Da die Technik mit Magnetfeldern und Radiowellen arbeitet, sind die untersuchten Personen - anders als beim Röntgen - keiner Strahlenbelastung ausgesetzt. Doch für die Untersuchung schnell bewegter Organe und Gelenke ist das Verfahren derzeit immer noch zu langsam. Um beispielsweise Herzbewegungen zu verfolgen, müssen die Messungen mit dem Elektrokardiogramm (EKG) synchronisiert werden, während der Patient den Atem anhält. Anschließend werden die Daten aus unterschiedlichen Herzschlägen zu einem Film zusammengesetzt.

In Zukunft erweiterte Diagnostik bei Erkrankungen

Den Forschern um Jens Frahm, Leiter der gemeinnützigen Biomedizinischen NMR Forschungs GmbH, ist es jetzt gelungen, die Bildaufnahmetechnik ein weiteres Mal wesentlich zu beschleunigen. Das neue MRT-Verfahren von Jens Frahm, Martin Uecker und Shuo Zhang reduziert die Messzeit eines Bildes bis auf eine fünfzigstel Sekunde (20 Millisekunden) und erlaubt erstmals "Live-Mitschnitte" bewegter Gelenke und Organe ganz ohne Artefakte. Die Bewegung des Kiefergelenks lässt sich damit ebenso "filmen" wie das Sprechen oder die Herzbewegungen. "Ein Echtzeit-Film vom schlagenden Herzen erlaubt es, die Pumpbewegungen des Herzmuskels und den resultierenden Blutfluss direkt zu verfolgen - Herzschlag für Herzschlag und ohne, dass der Patient die Luft anhalten muss", erklärt Frahm. Mit diesem Verfahren könne die Diagnostik bei Erkrankungen wie Herzinfarkt oder Herzmuskelschwäche verbessert werden, so die Erwartung der Wissenschaftler. Als weiteres Einsatzgebiet sind minimal-invasive Eingriffe denkbar, die künftig unter MRT statt wie bisher unter Röntgen-Kontrolle erfolgen könnten. "Wir müssen aber wie bei FLASH erst lernen, die Echtzeit-MRT medizinisch zu nutzen", sagt Frahm. "Auch für die Ärzte ergeben sich neue Anforderungen und notwendige Erprobungsphasen. Die technischen Fortschritte müssen in Untersuchungsprotokolle ‚übersetzt’ werden, die die jeweiligen medizinischen Fragestellungen optimal beantworten."

Weniger ist mehr: Beschleunigung durch bessere Bildberechnung

Für den Durchbruch zu Messzeiten, die nur noch Bruchteile einer Sekunde betragen, mussten mehrere Entwicklungen erfolgreich miteinander verknüpft werden. So verwendeten die Wissenschaftler zwar erneut die FLASH-Technik, dieses Mal aber mit einer radialen Kodierung der Ortsinformation, welche die MRT-Aufnahmen gegenüber Bewegungen weitestgehend unempfindlich macht. Um die Messzeiten weiter zu verkürzen, war Mathematik gefragt. "Es werden erheblich weniger Daten aufgenommen als für die Berechnung eines Bildes normalerweise notwendig sind. Ein von uns neu entwickeltes mathematisches Verfahren macht es möglich, dass wir aus den eigentlich unvollständigen Daten ein aussagekräftiges Bild berechnen können", so Frahm. Im Extremfall lässt sich so aus nur fünf Prozent der Daten eines normalen MRT-Bildes ein vergleichbar gutes Bild berechnen - entsprechend einer 20-fach kürzeren Messzeit. Die Göttinger Wissenschaftler haben damit die MRT-Messzeit seit Mitte der 1980er-Jahre insgesamt um den Faktor 10000 beschleunigt.

Während die schnelle Messtechnik der Göttinger Forscher direkt mit heutigen MRT-Geräten realisiert werden kann, sind ausreichend schnelle Computer zur Bildberechnung derzeit noch ein Engpass. Der Physiker Martin Uecker erklärt: "Der Rechenaufwand ist gigantisch. Wenn wir das Herz für nur eine Minute in Echtzeit untersuchen, entstehen aus einer Datenmenge von zwei Gigabyte beispielsweise 2000 bis 3000 Bilder." Uecker hat das mathematische Verfahren daher so ausgelegt, dass es in parallel zu berechnende Schritte zerlegt wird. Diese aufwendigen Berechnungen erfolgen mit schnellen Grafikkarten, die ursprünglich für Computerspiele und dreidimensionale Visualisierungen entwickelt wurden. "Für eine Minute Film benötigt unser Rechnersystem derzeit rund 30 Minuten", so Uecker. Es wird daher einige Zeit dauern, bis die MRT-Geräte über ausreichend schnelle Rechner verfügen, die es erlauben, die Bilder direkt während der Untersuchung zu berechnen und live darzustellen. Um den Weg ihrer Innovation in die Praxis möglichst kurz zu halten, kooperieren die Göttinger Forscher eng mit der Firma Siemens Healthcare.

Originalveröffentlichung:

Martin Uecker, Shuo Zhang, Dirk Voit, Alexander Karaus, Klaus-Dietmar Merboldt, Jens Frahm
Real-time MRI at a resolution of 20 ms.
NMR in Biomedicine 23, doi:10.1002/nbm.1585 (27. August 2010)
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Jens Frahm, Biomedizinische NMR Forschungs GmbH
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1721
E-Mail: jfrahm@gwdg.de
Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1304
E-Mail: crotte@gwdg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Ein Quantensprung in der Herzdiagnostik
22.09.2017 | Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum - Herz- und Diabeteszentrum NRW Bad Oeynhausen

nachricht Bypass – Lebensbrücke für das Herz; keine Angst vor der Herz-Operation
21.09.2017 | Deutsche Gesellschaft für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!

22.09.2017 | Physik Astronomie