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 Deutschlandweit erstes Gerät für hoch fokussierten Ultraschall bei Tremor und Parkinson
11.04.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Nuklearmedizinische Herzuntersuchungen – Neue Techniken, größere Präzision
09.04.2018 | Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin 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: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics