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 Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken
28.03.2017 | Technische Universität Braunschweig

nachricht Neue Hoffnung für Leberkrebspatienten
24.03.2017 | Universitätsklinikum Regensburg (UKR)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit