20.06.2019

Ausgezeichnete Magnetresonanz-Innovation

Mathias Davids erhält den I. I. Rabi Award der International Society for Magnetic Resonance in Medicine.

Mathias Davids ist beim diesjährigen Kongress der International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM), der vom 11. bis 16. Mai 2019 in Montreal, QC, Canada, stattfand, mit dem I.I. Rabi Award ausgezeichnet worden. Den mit 2000 US-Dollar dotierten Preis erhielt der Post-Doc, der im Lehrstuhl für computer­unterstützte klinische Medizin der medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg forscht, für seine Arbeit zur „Vorhersage peripherer Nerven­stimulations­schwellen von MRT-Gradientenspulen mittels gekoppelter elektro­magnetischer und neuro­dynamischer Simulationen“. 
 

Abb.: Das von Dr. Davids entwickelte männliche Modell mit den vorhergesagten...
Abb.: Das von Dr. Davids entwickelte männliche Modell mit den vorhergesagten Stimulationszentren, umgeben von der modellierten zylindrischen MRT Spule. (Bild: UMM)

Was für den Laien wenig spektakulär klingen mag, ist aus Sicht der Experten eine kleine Sensation – sowohl hinsichtlich der Bedeutung der Forschung, die Davids betreibt, als auch der Wertigkeit der Auszeichnung. Was der junge Wissenschaftler erforscht, hat nicht weniger als das Potenzial, die Entwicklung der Magnetresonanztomographie (MRT) einen großen Schritt nach vorne zu bringen, indem möglicherweise „die letzte physiologische Grenze der MRT-Bildgebung überwunden werden kann“.

Entsprechend scheint der Preis sehr angemessen: „Mathias Davids hat als Nachwuchs­wissenschaftler im Bereich der MR-Forschung die in diesem Jahr beste Arbeit weltweit abgeliefert, genau das wird ihm mit diesem Preis bescheinigt“, sagt sein ehemaliger Doktorvater und Direktor der computer­unterstützten klinischen Medizin, Lothar Schad, begeistert. 

Die Forschung von Mathias Davids könnte die Entwicklung neuer Magnet­resonanz­tomographen massiv unterstützen und zu einer neuen Generation deutlich schnellerer, und damit kosten­effizienterer, Tomographen führen. Der junge Wissenschaftler hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Effekt von Nerven­stimulationen, die die Magnetfelder eines MRT im menschlichen Körper auslösen können, auf dem Computer simulieren lässt. „Dieses Modell erlaubt es uns, während der Entwicklung eines neuen MRT-Gerätes verschiedene hypothetische Varianten vorab auf Stimulationen zu testen und iterativ die besten Varianten weiterzuentwickeln“, so Davids. 

Die in der MRT-Entwicklung heute übliche Konstruktion eines neuen MRT-Prototypen mit anschließender Stimulations­studie mit etwa fünfzig gesunden Probanden – mit Kosten von insgesamt etwa einer halben Million Euro und neun Monaten Dauer – entfiele. „Wir brauchen lediglich einen leistungsfähigen Computer und einen Tag, um vorherzusagen, wie der neue MRT konfiguriert werden sollte“, schätzt Schad. Dieses Computer­modell ist daher für MRT-Entwickler extrem wertvoll. 


Die räumliche und zeitliche Auflösung der Magnetresonanz-Bilddaten hängt von der Stärke und Frequenz der Magnetfelder ab, die dem menschlichen Körper überlagert werden. Die Auflösung der Bilddaten kann jedoch nicht beliebig optimiert werden, da der menschliche Körper der Stärke dieser Felder zwei physiologische Grenzen setzt: Die hochfrequenten Felder (im Megahertz-Bereich) führen zu Gewebe­erwärmungen, die niedrig­frequenten Felder (etwa im Kilohertz­bereich) eben zu jenen unerwünschten Nerven­stimulationen, die als Muskel­zuckungen wahrnehmbar sind. 

Während die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren das Problem der Gewebe­erwärmung bereits gut in den Griff bekommen haben, bleibt die Nerven­stimulation die letzte fundamentale Limitation der MRT-Bildgebung, die verhindert, schnellere Tomographen entwickeln zu können. Deren Vorteil läge auf der Hand: Ersparnis an Zeit und Kosten bei der Bildakquise oder Gewinn an Qualität, durch deutlich höheren Kontrast und Auflösung der errechneten Bilddaten. 

Mit dem von Davids entwickelten Verfahren lässt sich der Effekt der Nerven­stimulationen auf dem Computer modellieren. „Ausgehend von einem Computer­modell des MRT-Gerätes können wir vorhersagen, bei welcher Stärke der Proband an welcher Stelle im Körper Muskel­zuckungen spüren würde, und diesem Effekt bei der Konstruktion der Spulen, die die Wechselfelder erzeugen, entgegenwirken“, erklärt Davids. 

Für die elektromagnetische Simulation werden weibliche und männliche Körpermodelle genutzt, auf die Atlanten der peripheren Nervennetze projiziert sind, sowie ein neuro­dynamisches Modell, das die Nerven­reaktionen auf induzierte elektrische Felder beschreibt. Die Körper­modelle wurden gemeinsam mit Martin Schmelz, Leiter der experimentellen Schmerzmedizin, entwickelt. 

Durch den Vergleich der in der Simulation ermittelten Schwellenwerte mit experimentell ermittelten Schwellen­werten für die periphere Nerven­stimulation an gesunden Probanden, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihr Verfahren valide Daten liefert. 

Die Internationale Gesellschaft für Magnetresonanz in der Medizin (ISMRM) fördert und vereint Kliniker, Physiker, Ingenieure, Biochemiker und Technologie-Entwickler weltweit, die Innovationen, Entwicklungen und Anwendungen von Magnet­resonanz­techniken in der Medizin und Biologie erforschen. An dem Weltkongress der Fachgesellschaft nahmen rund 6000 Wissenschaftler der verschiedenen Disziplinen teil. 

Universitätsmed. Mannheim / DE

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