MRT

Magnetresonanztomographie: Wie ein Magnetfeld von 7 Tesla die Bildgebung verbessert

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Prof. Mark Ladd leitet die Abteilung „Medizinische Physik in der Radiologie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg (Bild: DKFZ)
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Die neuerdings in Magnetresonanztomographen (MRT) eingesetzte Feldstärke von 7 Tesla – 140 000-mal stärker als das Erdmagnetfeld – stellte die Entwickler vor große Herausforderungen. Prof. Mark Ladd vom Deutschen Krebsforschungszentrum erklärt, was die neue Technik kann und was sein Team dazu beigetragen hat.

Lisa Raß
Fachjournalistin in Köln

Herr Professor Ladd, was fasziniert Sie an der MRT-Bildgebung?

Das Interessante daran ist, dass man eine ganze Reihe verschiedener Technologien braucht, um ein MRT-Bild zu erzeugen: darunter Supraleitungs- und Hochfrequenz-Technik, Software-Entwicklung, Algorithmen und künstliche Intelligenz. In der MRT-Forschung arbeiten, je nach Forschungsschwerpunkt, Physiker, Ingenieure, Informatiker, Mathematiker und Chemiker zusammen. Und weil es um ein medizinisches Verfahren geht, kommt die Interaktion mit Medizinern hinzu: Nebenbei lernt man viel über Anatomie, Physiologie oder das Gesundheitswesen.

Sie haben mitgeholfen, das erste klinisch zugelassene MRT mit sieben Tesla Feldstärke zu entwickeln. Was kann es, was die etablierten Systeme mit drei Tesla nicht können?

Eine grundsätzliche Schwierigkeit in der MRT-Bildgebung ist, dass wir nur ein sehr schwaches Signal aus dem Körper erhalten. Es dauert daher relativ lange, ein Bild zu erstellen. Mit sieben Tesla steigern wir die Empfindlichkeit und empfangen so ein stärkeres Signal. Das erlaubt uns, entweder die Messzeit zu verringern oder, bei gleicher Untersuchungsdauer, eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen. Dann zeigt das Bild Strukturen, die bei drei Tesla nicht sichtbar sind.

Wozu ist das gut?

Ein gutes Beispiel ist die Epilepsie. Die meisten Patienten sprechen auf eine medikamentöse Therapie an, aber nicht alle. Bei Letzteren kann man eventuell die Stellen im Gehirn, die die Anfälle auslösen, chirurgisch entfernen. Dazu muss man diese vorher genau identifizieren. Mit einem Bild aus einem 7-Tesla-MRT gelingt das heute deutlich besser. Ein anderes Beispiel ist die Multiple Sklerose: Bei dieser Erkrankung finden wir Läsionen der weißen Substanz im Gehirn. Sie sind auch bei 1,5 oder drei Tesla sichtbar, aber man kann sie nur schwer abgrenzen von Läsionen, die aus anderen Krankheitsprozessen stammen. Bei sieben Tesla sehen wir dagegen auch feine, MS-bedingte Veränderungen in der grauen Materie, die bei kleineren Feldstärken verborgen bleiben.

Die Diagnose bei Multipler Sklerose wird also leichter?

Ja, und das wirkt sich auch auf die Therapie aus, mit der man – wegen der Nebenwirkungen – erst dann beginnt, wenn die Diagnose gesichert ist. Der Patient gewinnt Zeit.

Können Ärzte die neuen Bilder ohne weiteres interpretieren?

Eigentlich sind Ärzte geübt darin, MRT-Bilder zu lesen. Aber jetzt, bei sieben Tesla, sehen sie plötzlich viel mehr. Es kam vor, dass sie wieder ihre Anatomie-Lehrbücher konsultieren mussten, um bestimmte Strukturen zuzuordnen. Dass man jetzt in den Bildern Details erkennt, die man bisher nur aus Lehrbüchern oder dem Präparieren von Leichen kannte, ist neu.

Eine weitere große Neuerung bei sieben Tesla ist die Multikernfähigkeit. Was heißt das?

In der klinischen MRT bilden wir normalerweise Wasserstoffkerne ab. Sie sind hauptsächlich im Wasser und Fettgewebe enthalten, weshalb wir im Bild diese Gewebe besonders deutlich sehen. Es gibt aber auch andere Kerne, die ein MRT-Signal erzeugen können, zum Beispiel Natrium oder Phosphor. Unser 7-Tesla-Gerät hat eine klinische Zulassung für die Natrium-Bildgebung. Theoretisch könnte das auch ein 3-Tesla-Gerät leisten, aber es würde einfach zu lange dauern.

Was ist der Nutzen von Natrium-Aufnahmen?

Die bisherigen Wasserstoff-basierten Darstellungen können nur die Struktur von Gewebe zeigen. Am Beispiel Krebs heißt das: Ob eine eingeleitete Therapie dem Patienten hilft oder nicht, kann man mit konventionellen MRT-Bildern erst nach sechs bis zwölf Wochen beurteilen. So lange dauert es, bis strukturelle Veränderungen durch die Therapie sichtbar werden. Mit der Natrium-Bildgebung haben wir die Hoffnung, dass das in Zukunft viel schneller geht, denn mit ihr können wir die Auswirkungen von Stoffwechselprozessen der Zellen darstellen. Das für die Krebstherapie nutzbar zu machen, ist im Moment ein großes Forschungsfeld.

Wie lange hat die Entwicklung des Geräts bis zur klinischen Zulassung gedauert?

Das erste 7-Tesla-Gerät wurde 1999 installiert. Bald folgten weitere, wobei es ausschließlich um Forschung ging. Um 2012 entschied Siemens, das Gerät in die Klinik zu bringen. Der Prototyp war 2015 fertig, 2017 folgte die klinische Zulassung.

Was war Ihr Beitrag dazu?

In meiner Gruppe haben wir sehr viel in der Hochfrequenztechnologie gearbeitet. Die MRT heißt Resonanztomographie, weil das Gewebe mit Radiowellen angeregt werden muss. Diese müssen eine bestimmte Frequenz haben, die von der Magnetfeldstärke abhängt. 1,5 Tesla verlangt etwa 64 MHz, sieben Tesla knapp 300 MHz. Bei diesen höheren Frequenzen wird es aber sehr schwierig, das Gewebe gleichmäßig anzuregen. Denn erstens werden höherfrequente Radiowellen stärker vom Gewebe absorbiert. Zweitens ist die Wellenlänge bei 300 MHz relativ zur Körpergröße eines Menschen so kurz, dass es zu Überlagerungen der Wellen kommt. Und wenn ein Bild anstelle eines Tumors ein schwarzes Loch zeigt, weil es dort eine Auslöschung der Anregung gegeben hat, ist dieses nicht mehr aussagekräftig.

Was war die größte Herausforderung beim Sprung auf sieben Tesla?

Die angesprochene Hochfrequenzproblematik war sicher eines der größten Probleme. In wissenschaftlichen Arbeiten aus den 80er-Jahren schrieben die Autoren, dass man nie solch hohe Feldstärken nutzen könnte. Sie sahen schlicht keine Möglichkeit, das Gewebe entsprechend anzuregen. Als ich angefangen habe, mit sieben Tesla zu forschen, waren viele der Meinung, dass ich meine Zeit verschwende. Ich habe eine Absage eines Fördermittel-Antrags bekommen, in der sinngemäß stand: Was sie vorhaben, ist technisch nicht möglich. Inzwischen haben wir es doch geschafft. Man kann neue Ansätze entwickeln, um ein Problem zu lösen. Und dann geht es weiter.

Wie wirkt sich ein derart starkes Magnetfeld auf den menschlichen Körper aus?

Bei sieben Tesla können Übelkeit oder ein Schwindelgefühl auftreten. Diese Phänomene entstehen, weil das vestibuläre System im Innenohr irritiert ist. Wenn man sich durch ein Magnetfeld bewegt, werden kleine Ströme induziert, weil das Gewebe elektrisch leitend ist. Die Sensoren im Innenohr melden dann, dass man in Bewegung ist. Das stimmt aber nicht mit dem überein, was Augen und Muskulatur ans Gehirn melden, und dann haben wir den klassischen Effekt einer Reisekrankheit. Die meisten Menschen merken allerdings nichts davon. In der MRT kennen wir bisher keinerlei Langzeitschäden durch die Exposition im Magnetfeld.

In der Forschung wird bereits mit noch höheren Feldstärken gearbeitet. Was verspricht man sich davon?

Im Moment sind weltweit drei 11,7-Tesla-Systeme im Aufbau, die eine noch höhere räumliche Auflösung bieten; 2020 erwarten wir die ersten Bilder. Meine große Hoffnung liegt in der metabolischen Bildgebung, für die man andere Kerne als Wasserstoff sichtbar macht. Dadurch könnten wir zukünftig deutlich mehr Informationen über verschiedene Erkrankungen gewinnen. Die erste Generation dieser Geräte ist allerdings sehr schwer und groß. Aber die Technologie entwickelt sich auch im Bereich der supraleitenden Magnete weiter. Und deswegen bin ich zuversichtlich, dass man in einigen Jahren auch für diese Feldstärken sehr kompakte Magnete bauen kann.


Weitere Informationen

Prof. Mark Ladd studierte Elektrotechnik in den USA. In der Medizintechnik fand er die Möglichkeit, Medizin und Ingenieurswissenschaften zu kombinieren.

Seit 2013 leitet er die Abteilung „Medizinische Physik in der Radiologie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg. Dort arbeitet er unter anderem daran, mit Hilfe der MRT-Bildgebung die Verteilung von Natrium, Sauerstoff, Kalium und Chlor im Gewebe darzustellen – und so Tumore früher und präziser sichtbar zu machen.


Das Deutsche Krebsforschungszentrum:

Deutsches Krebsforschungszentrum – Stiftung des öffentlichen Rechts
Im Neuenheimer Feld 280
69120 Heidelberg
Tel: +49 (0)6221 420 ·
www.dkfz.de
E-Mail: kontakt@dkfz.de

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