Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Into the Future with Metrology - The Challenges of Digitalization

Wenn das MRT-Gerät ans Krankenbett kommt

PTB und Partnerinstitutionen entwickeln neue Typen von MRT: preiswert, transportabel – und dank KI dennoch erstaunlich gut

Nachricht im PTB-Newsletter Genau!
28.02.2024

Ein Magnetresonanztomograf liefert ganz ohne Strahlenbelastung äußerst detailreiche Bilder etwa von Herz oder Hirn. Aber zurzeit sind die Geräte so teuer, dass nur Kliniken und große Spezialpraxen sie sich leisten können. In einem EU-Projekt entwickelt die PTB ein MRT-Gerät, das kleiner, leichter und wesentlich preiswerter ist. Es bietet dank Open-Source-Hard- und Software ganz neue Möglichkeiten für ärmere Länder, für Praxen hierzulande – und für das deutsche Gesundheitssystem. Die PTB zeigt den Prototypen auf der Hannover Messe.

Es wäre sehr hilfreich, wenn ein MRT-Gerät klein und mobil genug wäre, um es direkt in die Intensivstation zu rollen. (Foto: ungvar / Adobe Stock, KI-generiertes Bild)

Der Prototyp des neuen kleinen und mobilen MRT-Geräts mit Open-Source-Software und -Hardware der PTB (Foto: PTB)

Sie sind der Inbegriff von High-Tech-Medizin: die gewaltigen Magnetresonanztomografen (MRT), die man in Deutschland vor allem in vielen Kliniken findet. „Wenige Länder auf der Welt sind besser mit solchen Geräten ausgestattet“, sagt Lukas Winter, MRT-Spezialist bei der PTB. Etwa ein Drittel der jährlich rund 40 Millionen MRT-Aufnahmen in der EU entstehen hierzulande. Die Geräte haben schon unzählige Menschenleben gerettet und sind aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken.

Doch es gibt Situationen, in denen ein millionenteures, tonnenschweres Gerät sogar im Nachteil ist und es Vorteile bringt, eine Runde kleiner zu denken. Erstens ist schlicht nicht überall das Geld da – sogar in Deutschland gibt es zum Teil lange Wartelisten. Innerhalb der EU gibt es große Unterschiede beim Zugang zu MRT-Scannern. 2020 wurden in Deutschland 23-mal so viele MRT-Untersuchungen pro Einwohner durchgeführt wie in dem EU-Land Zypern. In vielen Ländern außerhalb der EU ist an MRT-Technik erst gar nicht zu denken. Und schließlich wäre es manchmal gut, wenn ein MRT nicht so groß und schwer wäre, sondern beispielsweise auf die Intensivstation gerollt werden könnte, um etwa nach einem Schlaganfall eine regelmäßige Kontrolle zu ermöglichen. „Zu guter Letzt wäre da noch das Argument, dass wir offene Technologien und Referenzsysteme benötigen. Man kann die Daten eines MRT-Gerätes bisher nicht quantitativ mit denen eines anderen vergleichen, sogar wenn keine KI zum Einsatz kommt“, erklärt Christoph Kolbitsch, Leiter der Arbeitsgruppe für quantitative MRT. „Unser neuer Ansatz könnte das aber ermöglichen.“

In dem europäischen Forschungsprojekt "Affordable, Accessible, Adjustable and Accurate MR Imaging" oder kurz Opens external link in new windowA4IM, das im Rahmen der Opens external link in new windowEuropean Partnership on Metrology (EPM) gefördert wird, haben Forschende in der PTB, in anderen Forschungsinstitutionen, Kliniken und der Industrie im Herbst 2023 begonnen, eine ganz neue Art von MRT zu entwickeln: Zwar ist es nicht für den ganzen Körper geeignet, sondern nur für den Kopf oder die Extremitäten, also z. B. das Knie oder das Handgelenk, dafür aber um Größenordnungen preiswerter und portabel. Sein Magnetfeld ist sechzigmal kleiner als bei einem üblichen 3-Tesla-Scanner: Es beträgt nur 50 Millitesla. Das heißt, man braucht keine aufwendige Abschirmung und kein teures Flüssighelium. Permanentmagnete, die man im Internet bestellen kann, genügen.

Wegen des geringeren Magnetfeldes produziert ein solcher MRT nur schwächere Signale, außerdem ist er nicht so gut gegen externe Störungen oder Temperaturschwankungen abgeschirmt. Das ist eine Herausforderung für eine gute Bildqualität. Aber dies können die Forschenden zu einem guten Teil mithilfe von KI ausgleichen. „Mit neuronalen Netzen, die den physikalischen Messprozess berücksichtigen, können wir eine schnelle und genaue Bildrekonstruktion bei Niedrigfeld-MRT durchführen, um beispielsweise örtliche Änderungen des Magnetfeldes auch bei geringem Signal-Rausch-Verhältnis auszugleichen“, sagt Kolbitsch.

Das neue System hat eine weitere entscheidende Eigenschaft: Alle Daten für den Nachbau und Betrieb sowie Teile der Dokumentation für eine mögliche Zulassung als Medizinprodukt werden offengelegt. „Man kennt und schätzt längst Open-Source-Software“, sagt Winter. „Dagegen ist Open-Source-Hardware wie bei uns schon weniger bekannt. Und auf dem Gebiet der Medizintechnik betreten wir damit völliges Neuland.“

MRT ist eine komplexe Technologie und hat lange Produktentwicklungszyklen bis in den Markt. Insbesondere kleinere Herstellerfirmen können auf dieser Basis offener Informationen vermeiden, dass redundante Entwicklungs- und Dokumentationsschritte immer wieder aufs Neue durchgeführt werden müssen. „Wir kommen sozusagen der Produktentwicklung entgegen und ermöglichen einen einfacheren Technologietransfer. Das senkt die Kosten, und gleichzeitig haben wir eine unabhängige Evaluierung und Weiterentwicklung der Technologie. Besonders im Bereich der KI-Anwendungen gibt es einen hohen Bedarf an einer unabhängigen Leistungsprüfung. Je genauer wir das Messgerät kennen, mit dem die Daten erzeugt werden, desto besser können wir die Robustheit von KI-Verfahren gegenüber möglichen Störungen und Einflüssen testen", sagt Winter. Das verbessert die Technologie und macht es auch für das Gesundheitssystem preiswerter. Und erstmals kommen auch ärmere Länder in die Lage, überhaupt MRTs lokal zu produzieren und einsetzen zu können.

Die PTB-Mitarbeitenden werden einen Prototypen des neuen Gerätes auf der Hannover Messe vorstellen. Sie hoffen darauf, dass die neue Idee des Open-Source-MRT noch weitaus mehr Interessenten findet, vor allem aus der Industrie. Es gibt so viel Neues zu erforschen und zu entdecken. Sie hoffen auch auf weitere Drittmittel. „Dann können wir unsere Ideen besser umsetzen und unsere Vision günstiger MRT-Geräte weiter vorantreiben“, stimmen die PTB-Wissenschaftler überein.
es/ptb


Ansprechpartner
Dr. Lukas Winter, PTB-Arbeitsgruppe Opens internal link in current window8.11 MR-Messtechnik, Telefon: (030) 3481-7573, Opens local program for sending emaillukas.winter(at)ptb.de

Dr. Christoph Kolbitsch, PTB-Arbeitsgruppe Opens internal link in current window8.13 Quantitative MRT, Telefon: (030) 3481-7761, Opens local program for sending emailchristoph.kolbitsch(at)ptb.de

 

Die PTB auf der Hannover Messe: vom 22. bis 26. April auf dem Stand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

 

Weitere Informationen

 

Literatur
L. Winter et al.: Open-source magnetic resonance imaging: Improving access, science, and education through global collaboration. NMR in Biomedicine e5052 (2023), Opens external link in new windowhttps://doi.org/10.1002/nbm.5052

Brianna Johns: Opens external link in new windowOpen Hardware: a key for accelerating science and technology towards the U.N. sustainable development goals (SDGS). Gathering for Open Science Hardware (GOSH) Policy Brief, 2. September 2021 

 

Die PTB-Innovationscluster „Gesundheit“ und „Digitalisierung“
Maschinelles Lernen ist ein großes Zukunftsthema, auch in der Medizin. Gut trainierte KI-Algorithmen erkennen Muster in großen Datenmengen. Damit Patientinnen und Patienten solchen Verfahren ihr Vertrauen schenken, arbeitet die PTB an objektiven Bewertungsmethoden für diese Algorithmen und deren Trainingsdaten. Ihre Innovationscluster „Gesundheit“ und „Digitalisierung“ sind zwei von sechs übergreifenden Clustern zu den großen Fragen der Gegenwart und Zukunft.