Sehr niedrig

An der Universität von Hongkong wurde ein kompakter Ultra-Low-Field-(ULF)-MRT-Scanner für das Gehirn entwickelt, der keine magnetische Abschirmung oder Hochfrequenzabschirmung erfordert und während des Scannens akustisch leise ist. Die niedrigen Herstellungs- und Betriebskosten des Scanners verstärken das Potenzial der ULF-MRT-Technologie, den klinischen Bedarf von Krankenhäusern in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen sowie von medizinischen Einrichtungen am Behandlungsort wie Operationssälen und Notaufnahmen zu erfüllen.

Die MRT ist das wertvollste klinische Instrument zur Beurteilung von Hirnverletzungen und -störungen, doch nach Angaben der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) haben etwa 70 % der Weltbevölkerung kaum oder gar keinen Zugang dazu. Supraleitende Hochfeld-MRT-Scanner (1,5 T und 3,0 T) sind teuer. Zusätzlich zu den Anschaffungskosten von etwa 1 bis 3 Millionen US-Dollar sind solche Scanner aufgrund der Infrastrukturanforderungen kostspielig zu installieren und verursachen hohe Wartungskosten. All diese Faktoren stellen ein großes Hindernis für die Zugänglichkeit von MRT-Geräten dar.

Die MR-Bildgebung mit ULF-Technologien verspricht eine barrierefreie Gesundheitsversorgung mit Scannern, die einfach einzurichten, zu warten und zu bedienen sind. Unter der Leitung von Ed

Das in Nature Communications beschriebene Prototypsystem basiert auf einem kompakten zweipoligen 0,055 T permanenten Samarium-Kobalt-Magneten (SmCo) mit Abmessungen von 95,2 x 70,6 x 49,7 cm und einer vorderen Öffnung von 29 x 70 cm für den Patientenzugang. Der Scanner hat eine Stellfläche von ca. 2 m2 und kann an einer Standard-Wechselstromsteckdose betrieben werden. Das Team schätzt, dass die Maschine in großen Mengen mit Materialkosten unter 20.000 US-Dollar gebaut werden könnte.

Die Scannerkonfiguration ermöglicht die Erstellung von Bildern unter Verwendung verschiedener allgemein anerkannter Protokolle für die klinische Bildgebung des Gehirns, einschließlich FLAIR-ähnlicher (Fluid-attenuated Inversion Recovery) und diffusionsgewichteter Bildgebung (DWI). Indem das ULF-System auf den für Hochfeld-MRT-Scanner entwickelten Methoden aufbaut, bietet es ein hohes Maß an Flexibilität für die Entwicklung zukünftiger ULF-MRT-Protokolle.

Die Forscher entwickelten eine Deep-Learning-gesteuerte Technik zur Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen (EMI), um externe und interne EMI-Signale aus MRT-Signalen zu modellieren, vorherzusagen und zu entfernen. Dieses Verfahren zur EMI-Unterdrückung macht einen herkömmlichen HF-Abschirmkäfig überflüssig. Unterdessen macht die hohe Temperaturstabilität von SmCo jegliche Magnettemperaturregelungssysteme zur Stabilisierung temperaturabhängiger Felder überflüssig.

Wu und Kollegen optimierten vier der gängigsten klinischen Hirn-MRT-Protokolle – T1-gewichtet, T2-gewichtet, FLAIR und DWI –, um Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) und Kontrasteigenschaften zu erzeugen, die denen klinischer Hochfeld-MR-Bilder ähneln .

Nach Tests an Phantomen nutzten die Forscher den Scanner, um 25 Patienten mit neurologischen Erkrankungen (Hirntumoren, chronischer Schlaganfall und chronische intrazerebrale Blutungen) mithilfe dieser vier Protokolle abzubilden. Anschließend wurden die Patienten denselben Untersuchungen mit dem 3-T-Scanner des Krankenhauses unterzogen. Die Untersuchungen dauerten durchschnittlich etwa 30 Minuten mit dem 0,055-T-Scanner, verglichen mit 20 Minuten mit dem 3-T-System.

Ein leitender klinischer Radiologe wertete die Patientenscans aus, um festzustellen, welche spezifischen Läsionen in den 0,055 T-Bildern beobachtet werden konnten. Der Prototyp-Scanner erkannte die meisten wichtigen Pathologien bei den Untersuchungen aller 25 Patienten und erzielte eine ähnliche Bildqualität wie der 3-T-Scanner.

Ein großer Vorteil des neuen Scanners besteht darin, dass er bei der Bildgebung von Implantaten wie Metallklammern und zerebrovaskulären Stents weniger Artefakte erzeugt. „Durch die Verwendung von ULF weisen Metallimplantate nicht nur weniger Artefakte auf, sondern erfahren auch deutlich weniger mechanische Kräfte und HF-induzierte Erwärmung“, schreiben die Forscher. „Das Vorhandensein paramagnetischer (Titan und Titanlegierungen) und ferromagnetischer (Kobalt, Nickel und assoziierte Legierungen) Materialien in Aneurysma-Clips und zerebrovaskulären Stents führte nicht zu schwerwiegenden Artefakten.“

Somit soll der ULF-Scanner die MRT-Untersuchung von Patienten mit medizinischen Metallimplantaten oder unfallbedingten Metallfragmenten ermöglichen, die ansonsten nicht für eine konventionelle Hochfeld-MRT in Frage kämen.

Wu glaubt, dass die ULF-Technologie nicht dazu gedacht ist, mit der Mainstream-MRT zu konkurrieren, sondern sie zu ergänzen. „Bei einer Feldstärke, die fast zwei Größenordnungen niedriger ist als bei der gängigen MRT, ist die Bildqualität allein aufgrund der MR-Physik zwangsläufig weniger ansprechend: geringere Feldstärke, schwächeres MR-Signal, weniger Spielraum“, sagt er. „Allerdings haben MR-Signale und Physik im Ultratieffeld viele attraktive Eigenschaften im Hinblick auf Datenerfassung und Bilderzeugung.“

„Ich glaube, dass Computing und Big Data sowohl ein integraler als auch unvermeidlicher Bestandteil der zukünftigen MRT-Technologie sein werden“, fügt Wu hinzu. „Angesichts der inhärent 3D-, hochquantitativen und ionisationsfreien Natur der MRT glaube ich, dass weit verbreitete MRT-Technologien zu enormen Chancen bei der zukünftigen datengesteuerten MR-Bilderzeugung und -Diagnose im Gesundheitswesen führen werden intelligentere klinische MRT-Anwendungen.“

Hochfeld- versus Niederfeld-MRT: Ist es Zeit für ein Umdenken?

Die Forscher entschieden sich für die Entwicklung einer ULF-Gehirn-MRT aufgrund „des immensen Bedarfs und Werts der MRT für die Diagnose und Prognose verschiedener neurologischer Erkrankungen und Verletzungen“ und stellten fest, dass etwa 30 % der klinischen MRT-Fälle das Gehirn betreffen.

Letztendlich hoffen sie, dass die Entwicklung solcher ULF-MRT-Technologien es patientenzentrierten und ortsunabhängigen MRT-Scannern ermöglichen wird, den ungedeckten klinischen Bedarf an verschiedenen globalen Gesundheitsstandorten zu erfüllen, mit dem Potenzial, die MRT für Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen zu demokratisieren. Zu diesem Zweck stellt das Team den von ihm entwickelten Schlüsselcode und die Designs in einem öffentlichen Online-Repository frei zur Verfügung.