Mensch und Umwelt

Neue Impulse in der Magnet-Resonanz-Bildgebung durch Metamaterialen

Die Magnet-Resonanz-Tomographie ist mit Abstand die leistungsfähigste, aber auch technisch herausforderndste medizinische Bildgebungstechnologie. Mit neuen Konzepten basierend auf der Anwendung von Metamaterialien lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen sowie Limitierungen bestehender Verfahren überwinden.

Typischer Magnet-Resonanz-Tomograph mit dem charakteristischen, supraleitenden Permanentmagnet und der Patientenliege.
© Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS

Typischer Magnet-Resonanz-Tomograph mit dem charakteristischen, supraleitenden Permanentmagnet und der Patientenliege.

Beispiel einer typischen MRT-Aufnahme. Die einzelnen Gewebearten lassen sich anhand verschiedener Graustufen identifizieren.
© Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS

Beispiel einer typischen MRT-Aufnahme. Die einzelnen Gewebearten lassen sich anhand verschiedener Graustufen identifizieren.

Das Fraunhofer FHR verfügt über umfangreiche Messeinrichtungen zur Untersuchung der Wirksamkeit neuer metamaterialbasierter Lösungsansätze für hochfrequenztechnische Problemstellungen der MR-Bildgebung.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Das Fraunhofer FHR verfügt über umfangreiche Messeinrichtungen zur Untersuchung der Wirksamkeit neuer metamaterialbasierter Lösungsansätze für hochfrequenztechnische Problemstellungen der MR-Bildgebung.

In der medizinischen Bildgebung hat sich die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) in den letzten Jahrzehnten zu einem unverzichtbaren Instrument der klinischen Diagnostik und in gewissen Bereichen auch der Therapieunterstützung entwickelt. Dies ist zum einen in der unerschöpflich erscheinenden Vielfalt der Kontrastmechanismen begründet, die von der Darstellung von morphologischen Strukturen (selbst unterhalb des eigentlichen Auflösungsvermögens!) bis zu physiologischen und physikalischen Prozessen reicht (Durchblutungsmessung, Diffusionsprozesse, Elastizität, usw.). Zum anderen ist aber auch das vollständig nichtinvasive Funktionsprinzip und die Unschädlichkeit für den menschlichen Körper im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren der medizinischen Bildgebung (wie Computer-Tomographie, Positronen-Emissions-Tomographie oder Szintigraphie mit ihrer ionisierenden Strahlung) ein wichtiges Argument. Allerdings geht dies zu Lasten eines hohen technischen Aufwands, der für qualitativ hochwertige MRT-Aufnahmen notwendig ist. MR-Scanner sind die bei weitem technisch anspruchsvollsten Geräte der medizinischen Diagnostik. Das starke magnetostatische Feld, das zur »Erzeugung« der makroskopischen Kernmagnetisierung verwendet wird, sowie die zeitlich veränderlichen Magnetfeldgradienten und die Radiofrequenz-Wellen zur »Anregung« der Magnetisierung wechselwirken mit dem Patientenkörper und potenziellen weiteren Geräten, die sich in oder in der Nähe des MR-Tomographen befinden. Aufwendige technische Lösungen sind notwendig, um körperliche Beeinträchtigungen des Patienten zu vermeiden und qualitativ hochwertige Bildaufnahmen zu ermöglichen. Hier scheinen z. T. die Möglichkeiten der aktuellen Ingenieurskunst ausgeschöpft zu sein, da in einigen Bereichen seit vielen Jahren keine wesentlichen Verbesserungen vorgenommen wurden. In diesem Zusammenhang seien beispielhaft die Mantelwellensperren, aber auch das Grundprinzip der räumlichen Kodierung in der MRT genannt.

Mit neuen Konzepten zur Lösung typischer Problemstellungen in der MRT lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen, sowie Limitierungen bestehender Lösungsansätze überwinden. In den letzten Jahren hat eine neuartige »Materialklasse« mit besonderen Eigenschaften für Aufsehen gesorgt, mit der viele Probleme neu durchdacht werden können. In der Medizintechnik wurde diese Materialklasse bis jetzt nur in einzelnen Forschungsgruppen untersucht, wobei allerdings noch keine kommerzielle Reife erreicht wurde. Es handelt sich dabei um sogenannte Metamaterialien (MTM).

Die spektakuläre Eigenheit von Metamaterialien besteht darin, dass damit künstliche Materialien mit effektiven Eigenschaften möglich werden, die für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden können. Dabei lassen sich sogar Materialeigenschaften realisieren, die in der Natur normalerweise nicht vorkommen. Bei hochfrequenztechnischen Metamaterialien werden diese makroskopischen elektromagnetischen Eigenschaften durch mikroskopische, in der Regel periodische Schaltungsstrukturen erzeugt, die sich z. B. durch kostengünstige Standardverfahren der Leiterplattenherstellung realisieren lassen. Einige der so erzielbaren elektromagnetischen Effekte sind negative Brechungsindizes, die eine perfekte Fokussierung weit jenseits des Beugungslimits erlauben oder Frequenzbänder in denen eine Wellenausbreitung unterbunden wird.

In einem Fraunhofer-internen Forschungsprojekt kooperieren das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS und das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, um Anwendungsmöglichkeiten der MTM-Technologie zur Verbesserung der MR-Bildgebung auszuloten und darauf basierende, produktnahe Lösungen zu erarbeiten. So soll es möglich werden, beliebige elektrische Leitungen innerhalb des MRT ohne Störungen verwenden zu können. Ebenso soll das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in relevanten Volumenbereichen verbessert werden. Überdies werden spezielle Metamateriallinsen entwickelt, die ein fundamental neues MRT-Konzept ermöglichen könnten. Angelehnt an die entwickelten Lösungskonzepte soll schließlich mittel- bis langfristig eine flexible Entwurfsplattform für weitere MTM-Anwendungen im MRT-Bereich entstehen.