01.12.2020

Signale aus dem Mini-Tomografen

Ein ausgeklügelte Signalverstärkung ermöglicht deutlich kleinere Magnetresonanztomografen.

Die Magnetresonanz­tomografie (MRT) ist in der Medizin unverzichtbar. Allerdings sind MRT-Geräte groß und teuer in Anschaffung wie Betrieb. Mit kleineren, günstigeren Tomografen wäre die MRT flexibler einsetzbar und könnte mehr Menschen zugänglich werden. Solche Mini-Tomografen erzeugen jedoch ein deutlich schwächeres Signal, das schwierig auszuwerten ist. Forscher am Max-Planck-Institut für biophysi­kalische Chemie und an der Universitäts­medizin Göttingen haben jetzt eine Methode entwickelt, die das Signal so verstärkt, dass sich eine Stoffwechsel­reaktion in Echtzeit verfolgen lässt. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag, um flexible kleine MRT-Geräte einzusetzen.

Abb.: Sergey Korchak, Stefan Glöggler und  Anil Jagtap mit ihrem selbst...
Abb.: Sergey Korchak, Stefan Glöggler und Anil Jagtap mit ihrem selbst gebauten, mobilen Magnetresonanz­tomografen. (Bild: MPI BPC)

Die MRT liefert gestochen scharfe Bilder aus dem Inneren unseres Körpers und ermöglicht es, unterschiedlichste Erkrankungen zu diagnostizieren – von Entzündungen über Arterien­verkalkung bis hin zu Krebs. In herkömmlichen, sehr großen Magnetresonanz­tomografen stecken in einer donut­förmigen Röhre große Magnete. Je stärker das Magnetfeld, desto deutlicher das Signal – und desto klarer und detail­reicher das erzeugte Bild. Solch leistungs­starken Tomografen haben allerdings zwei entscheidende Nachteile: Zum einen sind sie nicht mobil einsetzbar. Zum anderen ist ihr Betrieb sehr kostspielig: Sie benötigen viel Strom und teures, verflüssigtes ;Helium zur Kühlung. So hat der größte Teil der Welt­bevölkerung keinen Zugang zu dieser Technik. 

Mehrere Wissenschaftler wollen das ändern und preisgünstige, mobile MRT-Geräte entwickeln. Zu ihnen gehört Stefan Glöggler, Forschungs­gruppenleiter am Göttinger MPI für bio­physikalische Chemie. „Eine wesentliche technische Hürde bei der Konstruktion eines Mini-MRT-Geräts ist, dass das erzeugte Signal sehr schwach ist“, erläutert Glöggler. „Das liegt daran, dass so ein kleiner Tomograf mit viel schwächeren Magneten funk­tionieren muss als ein herkömmliches Gerät. Wir haben jetzt einen Weg gefunden, das schwache Signal deutlich zu verstärken.“ Für ihre Versuche haben die Göttinger Chemiker ein Mini-MRT-Gerät selbst gebaut. Es hat etwa die Größe eines kleinen Fasses. „Das war eine spannende technische Tüftelei. Mehr als einen Kilometer Kupferdraht haben wir verwickelt“, so Glöggler. „Wir hatten großartige Unterstützung der Feinmechaniker, Elek­troniker und Tischler unseres Max-Planck-Instituts. Ohne sie hätten wir das Projekt nicht realisieren können.“ 

„Unser kleiner Tomograf ist sehr flexibel. Er lässt sich an die Größe des zu unter­suchenden Gegenstands anpassen – je nachdem, ob es sich nur um eine kleine chemische Lösung handelt oder um einen menschlichen Kopf“, berichtet Sergey Korchak, Postdoktorand in Glögglers Team. „Das Magnetfeld ist etwa hundertfach niedriger als bei herkömm­lichen MRT-Geräten. Seine Stärke ist vergleichbar mit der von Magneten, die wir zu Hause an den Kühlschrank heften.“ Die Wissenschaftler übertrugen nun eine Methode, die bereits in herkömm­­lichen Tomografen etabliert ist, die Hyper­polarisation, auf ihr Niedrigfeld-MRT-Gerät. Damit konnten sie das Signal in dem schwachen Magnetfeld so weit verstärken, dass es messbar war.

Ihnen gelang es damit erstmals, mit einem Mini-Tomografen in Echtzeit zu verfolgen, wie Pyruvat in Milchsäure umgewandelt wird. Diese biochemische Reaktion läuft in unseren Körper­zellen als Teil der Energie­gewinnung ständig ab und wurde von den Göttinger Forschern nicht zufällig gewählt, wie Glögglers Post­doktorand Anil Jagtap erklärt: „Wieviel Pyruvat Zellen in Milchsäure umwandeln, gibt Auskunft darüber, ob in einem Gewebe ausreichend Sauerstoff verfügbar ist beziehungs­weise ob dieser zur Energie­gewinnung genutzt wird. Damit könnten in Zukunft Hirntraumata und bestimmte Krebsarten diag­nostiziert werden.“ Entsprechende MRT-Studien an Kliniken laufen bereits.

Glöggler ist opti­mistisch, dass derartige Untersuchungen bald auch mit Niedrigfeld-MRT-Geräten möglich sein werden. „Die von uns entwickelte Signal­verstärkung ist ein wichtiges Puzzlestück, um portable MRT-Geräte bis zur Marktreife zu entwickeln, sodass mehr Patientinnen und Patienten von der diag­nostischen Stärke dieser Technik profitieren können“, so der Chemiker.

MPI-BPC/ JOL

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