Weiterentwicklung der Kernspintomografie …

Gemeinsame Presseinformation der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft und der Universität Mannheim vom 20. Dezember 2006

Zu Beginn des Jahres 2007 werden die ersten Arbeiten innerhalb eines gemeinsamen Forschungsprojekts der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft und der Universität Mannheim zur Weiterentwicklung der Kernspintomografie aufgenommen, das vom Land Baden-Württemberg mit 180.000 Euro für die Laufzeit von zwei Jahren gefördert wird. Zwei Drittel der Fördersumme gehen an die Hochschule Karlsruhe, ein Drittel an die Universität Mannheim, die damit eine Doktorandenstelle finanziert.

Die Kernspintomografie als bildgebendes Magnetresonanz-Verfahren ist heute in der Medizin ein weit verbreitetes Diagnoseinstrument. Gegenüber der Röntgentechnik ermöglicht die Kernspintomografie auch die kontrastreiche Darstellung von weichen Körperteilen und Organen. Ihre Anwendung ist für die Patienten gesundheitlich unbedenklich. 2003 wurde die Zahl an Kernspintomografie-Untersuchungen auf weltweit 60 Millionen geschätzt. Allerdings lassen sich mit den heutigen Standardverfahren keine Bereiche darstellen, die über eine zu geringe Zahl an beweglichen Protonen verfügen, so beispielsweise die Knochen, Lunge oder andere mit Hohlräumen versehene Organe.

Diese Möglichkeit soll nun ein gemeinsamer Forschungsansatz zwischen der Hochschule Karlsruhe und der Universität Mannheim eröffnen. Diesen Organen und Körperteilen wird dabei polarisiertes Gas zugeführt. Die Dichte der Gase und die magnetische Polarisation der Atomkerne sind aber bei den in der Kernspintomografie üblichen magnetischen Feldstärken viel zu gering, um noch in einer für Patienten zumutbaren Untersuchungszeit aussagekräftige Messwerte zu erhalten. Über einen speziellen Laser lassen sich jedoch bestimmte Atomkerne durch optische Anregung der Elektronen um mehr als das 10.000-fache polarisieren – die so genannte Hyperpolarisation. Besonders geeignet ist hiefür der Einsatz des Edelgases Xenon. Dieses Verfahren führt bereits nach kurzen Untersuchungszeiten zu verwertbaren Messergebnissen – eine wesentliche Voraussetzung für den späteren Einsatz eines solchen Systems als Diagnoseinstrument in der Medizintechnik.

Die biologische Verträglichkeit von Xenon ist ausgesprochen hoch, so könnte es ein Patient bei einer Lungenuntersuchung einfach inhalieren. Xenon eignet sich theoretisch auch für die Untersuchung anderer Organe wie beispielsweise des Magen-Darm-Trakts oder zur Diagnose von Magengeschwüren. Eine weitere Anwendung ist in der Dentalmedizin denkbar: Zur Durchführung von Magnetresonanz-Untersuchungen könnten hier die Zähne mit Xenon begast werden, um kariöse Veränderungen abzubilden. Für andere Körperbereiche und Organe wie beispielsweise bei Herzuntersuchungen könnte polarisiertes Xenon auch in gelöster Form quasi als Kontrastmittel eingesetzt werden.

Zur Durchführung des Forschungsprojekts steht der Hochschule Karlsruhe dank der Unterstützung des Unternehmens Bruker ein eigener Kernspintomograf zur Verfügung. Unter Leitung von Dr. Dieter Höpfel, Prorektor der Hochschule und Professor an der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, wird dieser mit Unterstützung der Arbeitsgruppe von Privatdozent Dr. Stephan Appelt am Forschungszentrum Jülich, von dem grundlegende Arbeiten zur Xenon-Hyperpolarisation durchgeführt wurden, mit einer von seiner Arbeitsgruppe entwickelten Xenon-Hyperpolarisationsanlage kombiniert und optimiert, was die Entwicklung von geeigneten Hochfrequenzspulen mit einschließt. In der Folge werden dann an der Hochschule Karlsruhe Messmethoden unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Universität Mannheim entwickelt. Parallel zu den Arbeiten in Karlsruhe werden am Institut für Computerunterstützte Medizin (ICM) der Universität Mannheim unter Leitung von Prof. Dr. Reinhard Männer und Dr. Daniel Gembris messtechnische Methoden zur Quantifizierung und Verteilung des Xenon-Gases sowie zum Gasaustausch zwischen Luft und Gewebe entwickelt. Zudem werden am Institut auch die bildgebenden Verfahren für das neue System angepasst und optimiert. Ein wesentlicher Punkt ist dabei das Entrauschen der Bilddaten, denn erfahrungsgemäß sind die Primärdaten mit Fremd- und Störsignalen aus der Umgebung stark verrauscht, was die Bildqualität außerordentlich beeinträchtigt. Durch den Einsatz modernster Methoden der Signalverarbeitung und auf der Basis mathematischer Modelle werden am ICM daher computergestützte Verfahren entwickelt, um dieses Rauschen innerhalb des Bildmaterials weitestgehend zu unterdrücken.

„Das Resultat unserer Forschungsarbeit“, so Prorektor Prof. Dr. Dieter Höpfel, „soll ein neues, klinisch anwendbares Kernspintomografie-System zur Abbildung von inneren Organen und Körperteilen sein, die über bisherige Magnetresonanz-Verfahren nicht dargestellt werden konnten. Dem Einsatz der Kernspintomografie in der Medizintechnik könnten wir damit völlig neue Möglichkeiten eröffnen, die durch die Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten Ärzten und Patienten zugute kämen und für die große Marktpotenziale bestehen.“

Professor Dr. Dr. h. c. Klaus van Ackern, Dekan der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, hält die potentielle Verbesserung der Bildgebung bei bislang nur schwer zugänglichen Organen wie z. B. der Lunge, für außerordentlich viel versprechend. In seiner Eigenschaft als erfahrener Intensivmediziner weist er darauf hin, dass gerade auf diesem Gebiet die Veränderungen der Lunge eine entscheidende Rolle spielen. Hier kann dieses innovative, neue Verfahren ein entscheidender Schritt zur frühen Diagnose und zur Therapieüberwachung bedeuten. Damit könnten auf dem Gebiet der Intensivmedizin wesentlich schneller lebensbedrohliche Erkrankungen diagnostiziert und besser behandelt werden.

Kontakt:
Prof. Dr. Dieter Höpfel
Prorektor für Studium und Lehre
Hochschule Karlsruhe
Technik und Wirtschaft
Moltkestraße 30
76133 Karlsruhe
Tel.: 0721/925-1044
Dr. Daniel Gembris
Institut für Computerunterstützte Medizin (ICM)
Universität Mannheim
B6, 23-29B
68131 Mannheim
Tel.: 0621/181-2656