Bildgebung: Mit neuen Materialien zu besseren MRT-Bildern

Tiefer liegende Gewebe oder kleine anatomische Details lassen sich im MRT oft nur ungenau darstellen. Forschende des Max Delbrück Center haben eine Hochfrequenz-Antenne entwickelt, die die Bildqualität erhöht und die Scan-Dauer verkürzen kann – auch bei schon bestehenden Geräten.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) zählt zu den wichtigen bildgebenden Werkzeugen in der medizinischen Diagnostik. Manche Gewebe im Inneren des Körpers wie etwa anatomisch feine Strukturen des Auges, der Augenhöhle und des Gehirns lassen sich allerdings bisher nur unscharf abbilden. Das liegt in der Regel nicht am Scanner selbst, sondern an der Hardware, die Signale im Radiofrequenzbereich sendet und empfängt.

Ein Forschungsteam um Nandita Saha, Doktorandin in der Arbeitsgruppe „Experimentelle Ultrahochfeld-MR“ von Prof. Thoralf Niendorf, und Kollegen des Universitätsklinikums Rostock haben jetzt aus neuartigen Materialien eine MRT-Antenne entwickelt, die diese Einschränkungen überwindet. Sie liefert schärfere Bilder in kürzerer Zeit und lässt sich auch in schon bestehenden MRT-Geräten einsetzen. Das Team hat sie in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ vorgestellt.

„Mit den von uns entwickelten Metamaterialien konnten wir die im MRT entstehenden Hochfrequenzfelder effizienter lenken und zeigen, wie moderne Physik die medizinische Bildgebung verbessern kann“, erklärt Niendorf, der Hauptautor der Studie. „Unsere Arbeit weist einen Weg zu schnelleren, klareren MRT-Scans, von denen Patientinnen und Patienten mit den unterschiedlichsten Erkrankungen profitieren können.“

Antennen aus künstlich hergestellten Werkstoffen

Eine MRT funktioniert, indem das Gerät Radiofrequenzsignale (RF-Signale) in den Körper sendet und gleichzeitig erfasst, wie das Gewebe in einem starken Magnetfeld darauf reagiert. Je klarer das Signal ist, desto besser wird das Bild. Herkömmliche MRT-Antennen, auch RF-Spulen genannt, haben jedoch oft Schwierigkeiten, Signale aus tiefen oder anatomisch komplexen Regionen zu empfangen. Dies führt zu längeren Scan-Zeiten oder detailärmeren Bildern.

Gelöst hat das Team um Niendorf dieses Problem, indem es die RF-Spule mit elektromagnetischen Metamaterialien neu konstruiert hat. Dabei handelt es sich um künstlich hergestellte Werkstoffe. Diese interagieren mit elektromagnetischen Wellen auf eine Weise, wie es natürliche Materialien nicht tun. Durch die Integration der Metamaterialien in die MRT-Antenne haben die Forschenden eine neue Art von RF-Hardware entwickelt. Diese erhöht die Signalstärke aus dem Zielgewebe, verbessert die Bildschärfe und ermöglicht eine schnellere Datenerfassung.

Entscheidend für die klinische Praxis ist zudem, dass die Antenne in bestehende MRT-Systeme passt, sodass keine neue Infrastruktur erforderlich wird. Validiert haben die Wissenschaftler ihre Technologie anhand von MRT-Bildern des Auges, der Augenhöhle und des Gehirns bei einer Gruppe von Freiwilligen. Niendorf und sein Team arbeiteten dabei eng mit Forschenden des Universitätsklinikums Rostock zusammen und kombinierten so Expertise in MRT-Physik mit klinischer Ophthalmologie und translationaler Bildgebung.

MRT-Antenne für klinischen Einsatz geeignet

Die Forscher konnten zeigen, dass ihr System für den routinemäßigen klinischen Einsatz geeignet ist. „Wir sehen eine klare Relevanz für Anwendungen in der Augenheilkunde. Die neue Technologie ermöglicht anatomisch detaillierte MRT-Bilder des Auges mit hoher räumlicher Auflösung und Weichteilkontrast“, erörtert Prof. Oliver Stachs, Koautor der Publikation von der Universitätsmedizin Rostock. „Sie öffnet die Sicht auf (patho)physiologische Prozesse, die bislang weitgehend unzugänglich waren.“

„Unser Ziel war es, die MRT-Hardware ausgehend von der modernen Physik des Antennendesigns neu zu überdenken“, erläutert Saha. Das jetzt entwickelte System lasse sich auch so einstellen, dass empfindliche Körperbereiche während der MRT-Aufnahme geschützt werden – etwa um eine unerwünschte Erwärmung in der Nähe medizinischer Implantate zu reduzieren, fügt die Forscherin hinzu. Darüber hinaus könne man es nutzen, um die RF-Energie für MRT-gesteuerte Therapien von Krebserkrankungen stärker zu fokussieren. Hier zum Beispiel zur gezielten therapeutischen Erwärmung von Tumoren, der Hyperthermie, oder um erkranktes Gewebe mittels Hitzeablation zu zerstören.

Bessere Diagnosen, kürzere Scans

Für Patienten können MRT-Untersuchungen unangenehm und zeitaufwändig sein. Vor allem dann, wenn Aufnahmen wiederholt werden müssen, weil wichtige Details schwer zu erkennen sind. Klarere Bilder bedeuten, dass Ärzte Diagnosen mit größerer Sicherheit stellen können. Schnellere Untersuchungen haben zur Folge, dass Patienten weniger Zeit im Scanner verbringen müssen. Das kann Stress und Unbehagen reduzieren. Dies stellt insbesondere bei Kindern, älteren Erwachsenen und Menschen, für die MRT-Untersuchungen wegen der Enge der Röhre und des Lärms, die das Verfahren mit sich bringt, eine Herausforderung dar.

Da die neue Antenne leicht und kompakt ist, lässt sie sich zudem so gestalten, dass sie sich besser an bestimmte Körperteile anpasst. Das erhöht den Komfort noch weiter. Niendorf und Kollegen planen bereits größere Studien an mehreren Krankenhäusern. Dafür passen sie das Design der Antenne für andere Organe wie Herz und Nieren an.

Die neue Technologie könne, leicht modifiziert, sogar MRT-Systeme unterstützen, die den Stoffwechsel oder den Transport von Medikamenten im Körper sichtbar machen, sagt Niendorf. Auch spezielle MRT-Scans, die Natrium- oder Fluorkonzentrationen im Körper räumlich abbilden, könnten dem Forscher zufolge von der Antenne aus Metamaterialien profitieren – und klarere Signale sowie bessere Bilder liefern.