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14.12.2021

Kostengünstiges Niederfeld-MRT für Entwicklungsländer

Anlass

Weltweit gibt es Schätzungen zufolge rund 65 000 Magnetresonanztomographen (MRT) für die radiologische Diagnostik [I]. Ihre Verteilung ist sehr ungleich. Die meisten Geräte stehen in Ländern mit hohen Pro-Kopf-Einkommen. Rund 70 Prozent der Weltbevölkerung haben dagegen keinen oder nur einen eingeschränkten Zugang zu einem MRT, weil sie in Staaten mit niedrigen bis mittleren Einkommen leben. Für die Medizin sind MR-Tomographen zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe allerdings essenziell.

Chinesische Forschende haben nun einen kostengünstigen MRT zur klinischen Hirnbildgebung entwickelt, der mit einer geläufigen Wechselstrom-Steckdose (zweiphasig 220 Volt, 15 Ampere) und ohne magnetischen Abschirmkäfig betrieben werden kann (siehe Primärquelle). Ihre Ergebnisse präsentierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am 14.12.2021 im Fachblatt „Nature Communications“. Das Gerät ist mobil und kann bei Bedarf an verschiedenen Behandlungsorten zum Einsatz kommen. Die Stärke des magnetischen Felds beträgt lediglich 0,055 Tesla. Herkömmliche MRT-Systeme arbeiten im klinischen Alltag mit 3 Tesla und kosten etwa 1 bis 3 Millionen US-Dollar. Außerdem benötigen sie viel Strom, um die leistungsstarken Magnete zu kühlen. Yilang Liu et al. schätzen, dass ihr Gerät mit Materialkosten von weniger als 20 000 US-Dollar in großen Stückzahlen gebaut werden könnte und so vornehmlich in ärmeren Ländern die bildgebende Diagnostik preisgünstig verbessern könnte. Grundsätzlich würden bei der Hirnbildgebung auch Patienten mit Metallimplantaten oder Gefäßstützen (Stents) von MR-Tomographen mit schwächeren Magnetfeldern profitieren, heißt es in der Studie. Derlei Patienten kommen für eine gewöhnliche MRT-Untersuchung häufig nicht infrage, weil die Implantate zu Bildfehlern führen und durch das starke Magnetfeld auch eine Gefahr für die Patienten sein können.

Neben ihrem „Low-field“-MRT entwickelten die Forschenden eine Deep-Learning-Software, die elektromagnetische Störungen von außen minimiert, die durch den Wegfall des magnetischen Abschirmkäfigs entstehen. Derartige Störungen beeinflussen maßgeblich die Qualität der späteren Bildaufnahme. Die Autoren führten erste Untersuchungen mit 25 Patienten durch, um neurologische Erkrankungen – einschließlich Schlaganfall und Tumore – zu diagnostizieren. Im Vergleich zu MRT-Scans mit einer Feldstärke von 3 Tesla erkannte ihr Gerät der Studie zufolge die meisten wichtigen Pathologien bei allen Patienten. Die Schärfe und die Kontraste der Aufnahmen waren jedoch je nach Sequenz deutlich niedriger.

Wie gut sind die Bilder also für die klinischen Diagnostik geeignet? Wie erfolgsversprechend ist der Einsatz von mobilen „Low-field“-MR-Tomographen und welche Hürden gilt es noch zu überwinden? Das SMC hat Fachleute um Einschätzung gebeten.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Mark Ladd, Leiter der Abteilung Medizinische Physik in der Radiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg, und Vizepräsident der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik e.V.
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  • Dr. Kai Buckenmaier, Gruppenleiter Department High-field Magnetic Resonance, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen
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Statements

Prof. Dr. Mark Ladd

Leiter der Abteilung Medizinische Physik in der Radiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg, und Vizepräsident der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik e.V.

„Obwohl vielversprechend, würden die Bilder bei 0,055 Tesla derzeit nur einen kleinen Teil des Spektrums der klinischen Anwendungen ermöglichen, das mit Hochfeld-Bildgebung (1,5 oder 3 Tesla) möglich ist. Das Rauschen in den Bildern und die begrenzte räumliche Auflösung verhindern die Erkennung kleinster Läsionen oder funktioneller Veränderungen. Die Diagnose großer Veränderungen aufgrund von Schlaganfällen oder Tumoren kann möglich sein, aber wie die Autoren betonen, sind weitere klinische Studien erforderlich, um das Potenzial und die Grenzen zu erörtern.“

„Generell besteht in der wissenschaftlichen Community ein großes Interesse, den Zugang zur MR-Bildgebung auf unterversorgte Bevölkerungsgruppen auszuweiten. Ein kommerzielles Unternehmen hat die Machbarkeit des Transports eines 0,064-Tesla-Niedrigfeld-MRTs in einem Lieferwagen direkt zum Behandlungsort aufgezeigt [1]. Es gibt auch Open-Source-Initiativen, die versuchen, alle Hindernisse zu beseitigen, die durch Rechte am geistigen Eigentum entstehen. Dessen ungeachtet ist die Bildqualität im Vergleich zu höheren Magnetfeldern deutlich unterlegen und es bleibt abzuwarten, welche klinischen Anwendungen erfolgreich umgesetzt werden können.“

Auf die Frage, inwiefern das Verfahren für die Unterdrückung von elektromagnetischen Störfaktoren durch Deep Learning, das die Autoren nutzen, robust ist:
„Dies ist ein interessanter Ansatz, aber es bleibt unklar, wie robust diese Technik gegenüber Störungen sein wird, die sich im Laufe der Zeit ändern. In der Studie konnten die Autoren zeigen, dass sie elektromagnetische Störungen erfolgreich unterdrücken konnten, aber die Trainingszeit für das neuronale Network impliziert, dass das Training nicht einfach für jeden Patienten wiederholt werden könnte. Im Tagesverlauf wechselnde Störungen können gegebenenfalls nicht unterdrückt werden.“

Auf die Frage, inwieweit die in der Studie genannten Vorteile von „Low-field“-MRTs für Patienten mit Implantaten zutreffend sind:
„Die Vorteile niedriger Magnetfelder für Implantate sind bekannt. Einerseits führen Implantate mit anderen magnetischen Eigenschaften als menschliches Gewebe (dies gilt für fast alle Implantate aus Metall) zu kleineren Störungen im Magnetfeld und damit zu Verzerrungen und Signalausfällen in den aufgenommenen Bildern. Außerdem interagieren elektrisch leitfähige Implantate mit den zur Erzeugung eines MR-Bildes verwendeten Hochfrequenzfeldern, was zu einer Gewebeerwärmung führen kann. Die bei niedrigen Magnetfeldern benötigte Hochfrequenzleistung ist stark reduziert, was die Sicherheit erhöht. Durch die Tatsache, dass alle Kräfte und Drehmomente auf metallische Implantate bei niedrigen Magnetfeldern geringer sind, werden Sicherheitsbedenken stark gemindert. Dies könnte in Notfallsituationen die Niedrigfeld-MRT attraktiv machen, wenn keine Zeit bleibt, die Patienten vor der Untersuchung gründlich zu untersuchen.“

„Wie die Autoren anmerken, könnten das Signal-Rausch-Verhältnis, der Kontrast und die Auflösung bei 0,055 Tesla immer noch zu niedrig für robuste klinische Anwendungen sein. Aufgrund der geringeren Kosten, der geringeren Anfälligkeit für Artefakte und des Potenzials für eine höhere Sicherheit besteht jedoch großes Interesse daran, diese Feldstärken weiter zu erforschen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten gab es bei klinischen Magnetfeldern (1,5 und 3 Tesla) enorme Fortschritte bei der MR-Hardware und -Software. Diese Fortschritte in Verbindung mit den neuesten Fortschritten beim Machine Learning bedeuten, dass die Bildqualität bei jeder Feldstärke erheblich verbessert werden kann. Es besteht die Hoffnung, dass durch die Anwendung dieser Fortschritte bei niedrigeren Feldstärken deren bisherige Defizite in der Bildqualität ausreichend kompensiert werden können, um eine klinische Anwendung zu ermöglichen.“

Dr. Kai Buckenmaier

Gruppenleiter Department High-field Magnetic Resonance, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen

Auf die Frage nach der Qualität der Hirnscans:
„Die Bilder haben für diese geringe Feldstärke (55 Millitesla) eine sehr hohe Auflösung. Auch die Aufnahmedauer für einen Satz von vier Bildern beträgt nur 30 Minuten. Dies sollte für einen Patienten hinreichend kurz und erträglich sein. Meine Expertise liegt aber in der Technologieentwicklung. Ein Radiologe kann diese Frage besser beantworten.“

Auf die Frage, ob es realistisch ist, dass die Neurobildgebung mit Feldstärken von unter 0,1 Tesla in Ländern Einsatz finden wird, in denen bisher keinerlei bildgebende Verfahren zur Verfügung stehen:
„Auf kurze Sicht hin halte ich dies für sehr unwahrscheinlich. Es genügt nicht, ein Gerät für bildgebende Verfahren bereitzustellen. Es benötigt auch noch Radiologen, die die generierten Bilder interpretieren können. Es ist eher wahrscheinlich, dass die Technik in Schwellenländern, in denen bereits viele Ressourcen in Medizintechnik und Human Resources gesteckt wird, Einsatz findet. Es ist allerdings anzumerken, dass, wenn der Preis für ein solches Gerät wie in der Publikation angemerkt unter 20 000 Dollar liegt, dies ein beträchtlicher Fortschritt ist. Bisherige Geräte mit ähnlichen Spezifikationen werden beispielsweise von Hyperfine angeboten. Diese sind aber um das Vier- oder Fünffache teurer als das hier präsentierte System. Es ist eher wahrscheinlicher, dass solche Geräte in Arztpraxen oder kleineren Kliniken Anwendung finden werden. Mögliche Einsatzgebiete sind die Überwachung von Tumoren oder die Überprüfung von metallischen Implantaten. Meiner Meinung sollte man die Niederfeld-MRT nicht als eine Technik ansehen, die die teure Hochfeld-MRT ersetzen soll. Vielmehr stellt die Niederfeld-MRT eine ergänzende Technik dar, für die neue Anwendungsmöglichkeiten gesucht werden müssen.“

„Die Stärke von Bildartefakten durch metallische Körper skaliert mit der Stärke des statischen Magnetfelds. Die in der Publikation präsentierten MR-Bilder mit (nicht ferromagnetischen) metallischen Clips weisen keine oder für mich nicht erkennbare Verzerrungen auf. Dies ermöglicht die Diagnostik mittels MRT in der Nähe solcher metallischen Körper. Für ferromagnetische Metalle wie beispielsweise Eisen gilt dies jedoch nicht. Auf diese Metalle wirkt auch schon bei 55 Millitesla eine Kraft, weshalb man keine Patienten mit eisenhaltigen Fremdkörpern oder Implantaten mit einem solchen Gerät untersuchen sollte. Insbesondere bei kleinen eisenhaltigen Splittern im Auge besteht eine hohe Gefahr, dass diese sich durch das Magnetfeld bewegen und im Auge Schaden anrichten können.“

„Diese Studie sowie verwandte aktuelle Ansätze – wie beispielsweise von Hyperfine oder von der Gruppe um Matthew Rosen [2] – benutzen auf bestimmte Körperregionen optimierte MRT-Systeme. Insbesondere die Radiofrequenz-Spulen zur Detektion des schwachen MR-Signals werden auf die zu untersuchende Körperregion, in diesem Fall den Kopf, optimiert. Die Ansätze von Hyperfine und Rosen sind genauso wie diese Studie für klinische Anwendungen geeignet. All diese Ansätze sind sehr aktuell und öffnen eine neue Spielwiese für Radiologen. Auch wenn die Qualität der Bilder in dieser Studie sehr hoch ist und sie vielleicht die bisher besten MR-Bilder in diesem Feldbereich zeigt, hat das Team um Rosen dasselbe bereits 2015 zu Recht angemerkt (,We contend that these practical ultra-low magnetic field implementations ofMRI (<10 mT) will complement traditional MRI, providing clinically relevant images and setting newstandards for affordable (<$50,000) and robust portable devices.‘) [2].“

„Grundsätzlich weist das in dieser Studie präsentierte System viele Parallelen zu dem System von Hyperfine auf. Was allerdings wirklich neu ist und die Publikation mehr als rechtfertigt, ist die Unterdrückung elektromagnetischer Störfaktoren mittels Deep Learning. Auch die hohe Qualität der MR-Bilder ist herausragend.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Mark Ladd: „Keine“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Liu Y et al. (2021): A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-021-27317-1.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Deoni S et al. (2021): Residential MRI: Fully Mobile Neuroimaging for Community and Population-Based Studies. Presentation during ISMRM & SMRT Annual Meeting, 15-20 May 2021.

[2] Sarracanie M et al. (2015): Low-Cost High-Performance MRI. Nature. Scientific Reports. DOI: 10.1038/srep15177.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] OECD (2021): Magnetic resonance imaging (MRI) units (indicator). DOI: 10.1787/1a72e7d1-en.