MRT-Software: Quantitative Biomarker im Blick

Bonn. Unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) ist ein internationales Projekt zur Steuerung von MRT-Scannern gestartet. Ziel von „SCAIFIELD“ ist es, feinere Details des menschlichen Gehirns sichtbar machen zu können. Damit sollen krankhafte Veränderungen erfasst werden, die im Zusammenhang mit spinozerebellären Ataxien auftreten.

Diese neurodegenerativen Erkrankungen äußern sich durch Bewegungsstörungen und andere Beeinträchtigungen. Das vom DZNE koordinierte Projekt ist auf drei Jahre angelegt und wird unter dem Dach des EU Joint Programme – Neurodegenerative Disease Research (JPND) mit insgesamt etwa 1,4 Millionen Euro gefördert. Das DZNE erhält davon rund 630.000 Euro, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bereitgestellt werden.

Inhomogene Felder

SCAIFIELD widmet sich der 7-Tesla-MRT. Europaweit gibt es etwa 20 dieser Geräte, so auch am DZNE in Bonn. Obwohl die hohe Feldstärke prinzipiell eine besonders hohe räumliche Auflösung ermögliche, bringt diese Technik auch Herausforderungen mit sich. Denn bei der 7-Tesla-MRT sei die Wellenlänge der Radiowellen im Gewebe physikalisch bedingt kleiner als die Größe des menschlichen Kopfes. „Wir haben Wellenberge und Wellentäler, die sich über das Gehirn verteilen und sich zudem überlagern können. Infolgedessen ist das elektromagnetische Feld nicht überall gleich stark. Das verschlechtert an manchen Stellen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die mögliche Auflösung.

Im Zentrum des Gehirns ist die Bildqualität gut und wird nach außen hin schlechter“, verdeutlicht Professor Tony Stöcker, Physiker und MRT-Experte am DZNE in Bonn, der das SCAIFIELD-Konsortium koordiniert, die Ausgangssituation. „In gewisser Weise ist es so, als ob man in einem dunklen Raum ein großes Wandgemälde mit einer Taschenlampe beleuchtet. Außerhalb des Lichtflecks bleibt das Bild im Halbdunkel. Details sind dann schwer zu erkennen“, ergänzt er.

Paralleles Senden

Einen Ansatz, um diese Inhomogenitäten auszubessern, biete seit wenigen Jahren das „parallele Senden“ – „parallel transmission“ (pTx). Statt die Radiowellen auf herkömmliche Weise mit nur einer Sendespule zu erzeugen, kämen hier mehrere Sendespulen gleichzeitig zum Einsatz, die separat angesteuert würden. „Dadurch ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade, weil man die Amplitude der Radiowellen und ihre Phasenbeziehung zueinander individuell einstellen kann“, so Stöcker. „Die Hardware dafür liege in Form spezieller Sendespulen vor. Aber bei den Steuerungsprogrammen, die man benötigt, um solche Spulenkombinationen optimal zu betreiben, steht die Entwicklung noch am Anfang“, erläutert Stöcker.

Genau hier setze SCAIFIELD an: Gemeinsam mit Kollegen aus Belgien, Norwegen und der Türkei wollen die Forschenden des DZNE Messprotokolle und weitere Verfahren entwickeln, um die bestehende MRT-Technik maximal auszureizen. „Dabei kommt uns zugute, dass sich bei MRT-Scannern grundsätzlich viele Parameter per Software einstellen lassen. Das bietet enorme Flexibilität, macht die Aufgabe aber auch komplex“, verdeutlicht Stöcker.

Auflösung von einem halben Millimeter angestrebt

„Letztlich wollen wir Messgrößen generieren, mit denen sich krankhafte Veränderungen des Gehirns mit Zahlenwerten beziffern lassen. Man spricht hier von quantitativen Biomarkern“, so Stöcker. „Wir streben eine Auflösung von einem halben Millimeter an – und zwar in allen drei Raumrichtungen. Die Gewebevolumina, die wir so abbilden, wären fast zehnmal kleiner, als das, was bei MRT-Bildern des Gehirns derzeit Standard ist. Wir könnten also feinere Details erfassen“, betont er.

Dabei gehe es nicht nur darum, die Ausdehnung von Hirnstrukturen zu vermessen. Die Forschenden wollen auch Eigenschaften des Gewebes präzise bestimmen – etwa die Transportfähigkeit für Wasser, den Wassergehalt und andere Parameter – sowie den Blutfluss durch feine Gefäße. Alle diese Messgrößen liefern Informationen über den Zustand des Gehirns.

Klinische Studie soll Potenzial beweisen

Die so optimierten MRT-Verfahren sollen in einer klinischen Studie in Bonn und an vier weiteren europäischen Standorten zur Anwendung kommen. An diesen Untersuchungen würden Patienten mit einer genetischen Veranlagung für spinozerebelläre Ataxie (SCA) teilnehmen. SCA sind eine Gruppe seltener neurologischer Erbkrankheiten, die Gleichgewichtssinn, Bewegungskoordination und Sprache beeinträchtigen. Bei Betroffenen treten Hirnveränderungen auf, die vorwiegend im Kleinhirn und Hirnstamm zu finden sind. Wirksame Therapien gibt es bislang nicht.