02.05.2011
Feiner, schneller, besser - neue Schlüsselkomponenten für die Kernspintomographie
Kernspintomographen mit höherer räumlicher Auflösung bei gleichzeitig kürzeren Messzeiten sind das Ziel einer Freiburger Forschungsinitiative, die an neuen, verbesserten Gerätegenerationen arbeitet. Das am Standort Freiburg vorhandene, einzigartige Forschungspotential nutzen Wissenschaftler der Universitätsklinik Freiburg, des Instituts für Mikrosystemtechnik IMTEK der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik, um die starke Wettbewerbsposition Europas auf dem Gebiet der bildgebenden Magnetresonanz-Geräte weiter auszubauen.
Für die medizinische Diagnostik ist es oft erforderlich, in den menschlichen Körper "hineinzusehen". Mediziner und Patienten bevorzugen dabei nicht-invasive Verfahren, also Techniken, die ohne belastende Katheter oder Endoskope, die in den Körper eingeführt werden müssen, auskommen. Die Kernspintomographie hat ihre Vorteile gerade in diesem Bereich, und daher ist sie inzwischen ein unverzichtbares Instrument für die medizinische Diagnostik geworden. Die Universitätsklinik Freiburg beheimatet eine der größten Forschungsgruppen Deutschlands für die Weiterentwicklung dieser Geräte. In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Mikrosystemsimulation am IMTEK der Universität Freiburg und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF werden hier neue Konzepte zur Integration einer Vielzahl von Empfangsspulen mit den zugehörigen Vorverstärkern für eine neue Generation von Kernspintomographen entwickelt und getestet.
Mehrkanaltechnik für bessere Bilder
Die bisherigen Gerätegenerationen arbeiten typischerweise mit 8 bis maximal 32 einzelnen Empfangsspulen. Um eine gute Bildqualität zu erreichen, sind diese möglichst nahe am Patienten positioniert, während sich die notwendigen Verstärker aufgrund ihres Bauvolumens und ihrer Wärmeentwicklung in einiger Entfernung befinden. Durch die damit verbundenen Leitungslängen entstehen hieraus zwangsläufig Verluste, die sich auf die Signalqualität auswirken. Zur Verbesserung der Bildqualität würde man gerne eine größere Zahl von Empfangsspulen inklusive der notwendigen Vorverstärker näher am Patienten platzieren, um eine höhere Bildqualität zu erreichen.
Königsweg Integration
Das Konzept der Freiburger Forscher beruht auf neuartigen, flexiblen Empfangsspulen, die optimal an die Oberfläche der zu untersuchenden Region angepasst werden können. Um Leitungsverluste zu minimieren, werden Vorverstärker und Teile der Signalverarbeitung in unmittelbarer Nähe der Empfangsspule platziert. Bei den Vorverstärkern selbst kommt es dabei auf ein geringes Bauvolumen, möglichst geringe Wärmeentwicklung und eine große Verstärkung ohne zusätzliche Störsignale (Rauschen) an.
Galliumarsenid für UKW-Frequenzen?
Unter Fachleuten war der Verbindunghalbleiter Galliumarsenid (GaAs) bisher hauptsächlich aufgrund seiner Eignung für besonders hohe Arbeitsfrequenzen bei gleichzeitig niedrigem Eigenrauschen bis in den Tera-Hertz-Bereich bekannt. Dadurch blieben niedrige UKW-Frequenzen um 100 MHz, bei denen Kernspin-Tomographen üblicherweise arbeiten, bisher unangefochten eine Domäne des kostengünstigen Siliziums. Mit der ausgeklügelten metamorphen High-Electron-Mobility-Transistor-Technologie des Fraunhofer IAF ist es jetzt möglich, Verstärker-Chips mit zusätzlich extrem geringem Energieverbrauch herzustellen. Dadurch können jetzt die Vorverstärker in unmittelbarer Nähe einer größeren Zahl von Spulen positioniert werden, ohne Kühlprobleme zu verursachen. Konventionelle Verstärker haben einen Leistungsbedarf von ca. 2 Watt, während die Chips aus dem Fraunhofer IAF mit einer etwa 250-mal kleineren elektrischen Leistung von nur 7,5 Milliwatt auskommen. Weiterhin wird die Datenübertragung zum Rechner des Tomographen einfacher, da nicht mehr mit dicken Koaxialkabeln gearbeitet werden muss, um das Signal der Spule ohne Störung zum entfernten MRI-Spektrometer zu transportieren.
Helm auf zur Untersuchung
Ein Nutzen der jetzt möglichen, wesentlich kompakteren Bauweise wäre beispielsweise die Herstellung eines speziellen "Kernspin-Helmes", der an die Anatomie angepasst werden kann und über sehr viele einzelne Empfangsspulen verfügt. Durch die dann wesentlich kürzere Messzeit aufgrund des Vielkanal-Vorteils würde sich die psychische Belastung des Patienten während der Untersuchung reduzieren und der Arzt bekäme gleichzeitig Bilder mit noch höherem Informationsgehalt.
Kernspintomographie kurz erklärt
Der menschliche Körper ist für zwei Bereiche im Spektrum der elektromagnetischen Wellen durchlässig, die sich damit prinzipiell für die Untersuchung des Körperinneren eignen. Es handelt sich dabei um die Radiowellen und die Röntgenstrahlen.
Die Bildgebung mit Hilfe der Röntgenstrahlung ist relativ einfach zu erklären. Röntgenbilder sind "Schattenbilder", die durch die unterschiedliche Absorption der Röntgenstrahlung in verschiedenen Gewebearten und insbesondere den Knochen entstehen. Im Vergleich dazu ist die Bilderzeugung mit Radiowellen, die auf der Nutzung der magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffatomen beruht, wesentlich komplizierter.
Da der menschliche Körper überwiegend aus Wasser besteht, stehen sehr viele Wasserstoff-Atome zur Verfügung, die für die Bildgebung genutzt werden können. Deren Atomkerne kann man sich vereinfacht als kleine Magnetnadeln vorstellen, die durch ein äußeres Magnetfeld parallel zu den Feldlinien ausgerichtet werden können. Diese Ausrichtung kann durch elektromagnetische Wellen passender Frequenz beeinflusst werden. Nach Abschalten der Strahlung emittieren die Kerne ein sehr schwaches Resonanzsignal, bevor sie sich nach einer gewissen Zeit wieder parallel zum Magnetfeld ausrichten. Die Resonanzfrequenz der Wasserstoffatome hängt von der Stärke des äußeren Magnetfelds ab. Durch die heutige Supraleiter-Technologie sind inzwischen so hohe magnetische Feldstärken möglich, dass die Resonanzfrequenz im Bereich der UKW-Radiowellen liegt, für die der menschliche Körper transparent ist. Damit ist es möglich, tief in den Körper "hineinzusehen". Das schwache Radiosignal wird von hochempfindlichen Detektorspulen in der unmittelbaren Umgebung registriert. Mit Hilfe ausgeklügelter Messtechnik ist eine genaue Positionsbestimmung der "sendenden" Wasserstoff-Atome möglich. Aufgrund des lokal unterschiedlichen Wassergehalts im menschlichen Gewebe ergeben sich Intensitätsunterschiede, aus denen das dreidimensionale Bild des Körperinneren errechnet werden kann.
Das Forschungsprojekt INUMAC
Die hier beschriebenen Forschungsarbeiten sind Teil eines sehr umfangreichen, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Verbundprojekts: "Imaging Neuro disease Using high field MR And Contrastophores", das aus einer deutsch-französischen Initiative für die Umsetzung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse in industrielle Innovationen hervorgegangen ist.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF)