Tuning für Hirnscanner

Experten für Magnetresonanztomographie (MRT) des DZNE optimieren im Rahmen eines internationalen Projekts die Steuerung von MRT-Scannern, um feinere Details des menschlichen Gehirns sichtbar machen zu können. Damit sollen krankhafte Veränderungen erfasst werden, die im Zusammenhang mit spinozerebellären Ataxien auftreten.

Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) werden die im Gewebe reichlich vorhandenen Wasserstoffatome dazu verleitet, elektromagnetische Signale auszusenden, die von Antennen empfangen und per Computer in Bilder übersetzt werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei das magnetische Grundfeld, dessen Stärke in Tesla gemessen wird. In der klinischen Routine werden zumeist MRT-Scanner einsetzt, die mit bis zu drei Tesla betrieben werden. Die Ultrahochfeld-MRT mit höheren Feldstärken ist bislang noch vorwiegend der Forschung vorbehalten.

Inhomogene Felder

Ein aktuelles Projekt des Deutschen Zentrums für neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) mit dem Namen „SCAIFIELD“ widmet sich der 7-Tesla-MRT. Europaweit gibt es etwa 20 dieser Geräte, so auch am DZNE in Bonn. Obwohl die hohe Feldstärke prinzipiell eine besonders hohe räumliche Auflösung ermöglicht, bringt diese Technik auch Herausforderungen mit sich. Denn bei der 7-Tesla-MRT ist die Wellenlänge der Radiowellen im Gewebe physikalisch bedingt kleiner als die Größe des menschlichen Kopfes. „Wir haben Wellenberge und Wellentäler, die sich über das Gehirn verteilen und sich zudem überlagern können. Infolgedessen ist das elektromagnetische Feld nicht überall gleich stark. Das verschlechtert an manchen Stellen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die mögliche Auflösung. Im Zentrum des Gehirns ist die Bildqualität gut und wird nach außen hin schlechter“, sagt Prof. Tony Stöcker, Physiker und MRT-Experte am DZNE in Bonn, der das SCAIFIELD-Konsortium koordiniert. „In gewisser Weise ist es so, als ob man in einem dunklen Raum ein großes Wandgemälde mit einer Taschenlampe beleuchtet. Außerhalb des Lichtflecks bleibt das Bild im Halbdunkel. Details sind dann schwer zu erkennen.“

Paralleles Senden

Einen Ansatz, um diese Inhomogenitäten auszubessern, bietet seit wenigen Jahren das parallele Senden (parallel transmission, pTx). Der Clou: Statt die Radiowellen auf herkömmliche Weise mit nur einer Sendespule zu erzeugen, kommen mehrere Sendespulen gleichzeitig zum Einsatz, die separat angesteuert werden. „Dadurch ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade, weil man die Amplitude der Radiowellen und ihre Phasenbeziehung zueinander individuell einstellen kann“, so Stöcker. „Die Hardware dafür liegt in Form spezieller Sendespulen vor. Aber bei den Steuerungsprogrammen, die man benötigt, um solche Spulenkombinationen optimal zu betreiben, steht die Entwicklung noch am Anfang.“

Quantitative Biomarker

„Letztlich wollen wir Messgrößen generieren, mit denen sich krankhafte Veränderungen des Gehirns mit Zahlenwerten beziffern lassen. Man spricht hier von quantitativen Biomarkern“, so Stöcker. „Wir streben eine Auflösung von einem halben Millimeter an – und zwar in allen drei Raumrichtungen. Die Gewebevolumina, die wir so abbilden, wären fast zehnmal kleiner, als das, was bei MRT-Bildern des Gehirns derzeit Standard ist. Wir könnten also feinere Details erfassen.“ Dabei geht es nicht nur darum, die Ausdehnung von Hirnstrukturen zu vermessen. Die Forschenden wollen auch Eigenschaften des Gewebes präzise bestimmen – etwa die Transportfähigkeit für Wasser, den Wassergehalt und andere Parameter ­– sowie den Blutfluss durch feine Gefäße. Alle diese Messgrößen liefern Informationen über den Zustand des Gehirns.

Klinische Studie

Die so optimierten MRT-Verfahren sollen in einer klinischen Studie in Bonn und an vier weiteren europäischen Standorten zur Anwendung kommen. An diesen Untersuchungen werden Menschen mit einer genetischen Veranlagung für spinozerebelläre Ataxie (SCA) teilnehmen. Bei Betroffenen treten Hirnveränderungen auf, die vorwiegend im Kleinhirn und Hirnstamm zu finden sind. Wirksame Therapien gibt es bislang nicht.

„Mehrere Behandlungsstudien gegen verschiedene Arten von SCA sind in Vorbereitung“, sagt Prof. Thomas Klockgether, Direktor der Klinischen Forschung am DZNE, der das klinische Arbeitspaket von SCAIFIELD leitet. „Es besteht daher ein dringender Bedarf an hochsensitiven Biomarkern, die subtile Veränderungen des Gehirns erkennen und Behandlungseffekte messen. Mit SCAIFIELD wollen wir neue bildgebende Biomarker identifizieren, die Frühzeichen und Krankheitsverlauf erfassen und als Messparameter für künftige therapeutische und präventive Studien bei SCA dienen können. Auch die klinische Forschung zu anderen Hirnerkrankungen könnte von den Methoden profitieren, die aus diesem Projekt hervorgehen.“

Das vom DZNE koordinierte Projekt ist auf drei Jahre angelegt und wird unter dem Dach des EU Joint Programme – Neurodegenerative Disease Research (JPND) mit insgesamt etwa 1,4 Millionen Euro gefördert. Das DZNE erhält davon rund 630.000 Euro, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bereitgestellt werden.