PTB vereint Magnetresonanz- und Radar-Technologie in einem Prototyp

Achtung, stillgelegen! Diese Aufforderung sollten sich Patienten unbedingt zu Herzen nehmen, wenn sie sich in ein Magnetresonanztomographie-(MRT)-Gerät legen müssen – andernfalls entstehen auf den vom MRT-Gerät angefertigten Bildern Bewegungsartefakte.

Das sind störende Bildelemente, die die Bewegung des Körpers anzeigen, nicht aber den Körper selbst. Bewegungen sind ein Störfaktor, der zu Unschärfen und „Geistern“ in dem MRT-Bild führt. Patienten müssen jedoch nicht nur viel Geduld, sondern auch Ausdauer mitbringen, da Untersuchungen im MRT bis zu 30 Minuten dauern können.

Doch selbst dann, wenn sich der Patient während der gesamten Dauer nicht ein einziges Mal bewegt, können Bewegungsartefakte nicht ausgeschlossen werden. Manche Teile des Körpers bewegen sich immer – zum Beispiel dehnt sich beim Einatmen die Lunge und der Brustkorb hebt und senkt sich. Auch die Bewegung des Herzmuskels führt zu Störungen in dem Bild – während des Pumpvorgangs verformt er sich nämlich.

Mit Hilfe eines Ultrabreitband-Radargerätes können solche Vitalbewegungen bei der Messung berücksichtigt und die MRT-Messungen korrigiert werden. Der gemeinsame Betrieb beider Techniken wird mit Hilfe eines an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelten Prototyps getestet, der in Kooperation mit der Technischen Universität Ilmenau entstanden ist. Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen eines auf sechs Jahre angelegten Schwerpunktprogrammes gefördert.

Ultrabreitband-Radarsignale zeichnen sich – wie der Name schon sagt – durch ihre hohe Bandbreite aus. Das bedeutet, dass sie einen großen Bereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums umfassen – sie haben eine Bandbreite von bis zu 10 Gigahertz und beinhalten damit viele verschiedene Frequenzkomponenten. Für Materialanalysen, zum Beispiel von biologischem Gewebe, sind solche heterogenen Signale aus diesem Grund bestens geeignet.

Im menschlichen Körper kann man damit Objekte bis in den Millimeterbereich auflösen. Die Sendeleistung eines Ultrabreitband-Radars beträgt nur etwa ein Milliwatt und ist damit milliardenfach kleiner als die Pulsleistung bekannter Radare. Selbst die Sendeleistung eines Mobiltelefons ist noch tausendfach größer als die eines Ultrabreitband-Radars. Damit ist ein Gefährdungspotential für organisches Gewebe wie z.B. bei einer Röntgenbestrahlung vollständig ausgeschlossen.

Wird ein Ultrabreitband-Radarsignal auf einen Menschen gelenkt, dann dringt es in den Körper ein. Da die verschiedenen Gewebeschichten des menschlichen Körpers nicht einheitlich auf elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenz reagieren, reflektieren sie das Signal auf verschiedene Weise. Die Reflexion des Signals kann dann wieder vom Radargerät erfasst werden. Da das Radargerät andere Eigenschaften des menschlichen Gewebes erfassen kann, als die MRT, kann es zusätzliche Informationen liefern, die mit den MR-Bildern kombiniert werden können. Insbesondere kann es die Bewegung von Grenzflächen zwischen den verschiedenen Gewebearten im menschlichen Körper messen. Eine solche Grenzfläche stellt zum Beispiel der Herzmuskel dar. Die anatomischen Verschiedenheiten der einzelnen Patienten werden dabei bei jedem Messvorgang berücksichtigt.

Mit Hilfe dieser zusätzlichen Radarmessung können die vom MRT erstellten Bilder präziser gemacht werden. Das zugeschaltete Radargerät bietet nämlich einerseits die Möglichkeit, mit den online erhobenen Positionsdaten des Herzens eine „Nachjustage“ der Messsequenz des MRTs auf die aktuelle Herzposition in Echtzeit vorzunehmen. Die zweite Möglichkeit besteht in der nachträglichen Positionskorrektur der durch das MRT erhobenen Daten.

Wissenschaftler der Arbeitsgruppe „MR-Messtechnik“ des Fachbereichs „Medizinische Messtechnik“ der PTB haben beim Bau eines Prototyps eine in der Medizin übliche Magnetresonanztomographie-Anlage und ein Ultrabreitband-Radar der TU Ilmenau kombiniert. Mit diesem Muster soll die prinzipielle Durchführbarkeit einer Magnetresonanz-Ultrabreitband-Kombination getestet und evaluiert werden. Die Verbesserung des bildgebenden MRT-Verfahrens soll zur präziseren medizinischen Diagnostik beitragen.

Von wissenschaftlichem Interesse sind bei diesem Projekt auch Fragestellungen zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in geschichteten dielektrischen Medien, und zur Veränderung des Ultrabreitband-Radarsignals aufgrund von Schichtverschiebungen. Verschiedene Algorithmen zur Bewegungsdetektion sollen innerhalb des Projekts entwickelt, überprüft, verbessert und ihre Robustheit gegenüber simulierten Störungen evaluiert werden – eine wichtige Voraussetzung für das tadellose Funktionieren dieser Anlagen, die später auch in Kliniken Verwendung finden sollen.

Weiterer Kooperationspartner ist das Universitätsklinikum Jena, das insbesondere, in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Ilmenau, auf die Weiterentwicklung dieser Radar-Technik zur Detektion von Tumoren hinarbeitet.

Ansprechpartner:
Dr. Florian Thiel, Arbeitsgruppe 8.11 „MR-Messtechnik“, E-Mail: Florian.Thiel@ptb.de, Tel.: 030 3481 7529