Innovationen beim Scannen für genauere Diagnosen
Die Magnet-Resonanz-Computertomographie (MRT) ist ein gängiges Verfahren zur Erfassung von Bildern der inneren Organe und biologischen Systeme des Körpers. Die Bilder werden mithilfe starker Magnetfelder und Radiowellen erzeugt. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, dass der menschliche Körper ein komplexes und „verrauschtes“ Umfeld zum Scannen ist. Es kann zu Störungen im Magnetfeld und Reaktionen auf das Kontrastmittel kommen, falls ein solches verwendet wird. Darüber hinaus müssen die zu untersuchenden Menschen bei den meisten MRT-Geräten in einer engen Röhre platziert werden – das kann bei manchen Angst auslösen. Eine Beschleunigung des Verfahrens würde daher das Patientenerleben verbessern.
Neue MRT-Erfassungs- und Bildgebungsverfahren
Das Hauptziel des EU-finanzierten Projekts PATHOS war die drastische Verbesserung der Leistung sowohl bei der MRT-Erfassung als auch bei der Optically-Detected-Magnetic-Resonance-Erfassung (ODMR). „Wir begannen damit, neue theoretische Erfassungsverfahren vorzuschlagen, bei denen sowohl klassische Sensoren als auch Quantensensoren für elektrische und magnetische äußere Felder zum Einsatz kommen“, erklärt PATHOS-Projektkoordinator Professor Filippo Caruso von der Universität Florenz in Italien. „Unser Ziel war es, die Komplexität dieser Erfassungs- und Bildgebungsverfahren drastisch zu reduzieren. Das übergeordnete Ziel war es, den Informationsgehalt von Scans erheblich zu verbessern und die Expositionszeit zu reduzieren.“ Der nächste Schritt war die Entwicklung neuer Scantechniken, mit denen die Ziele des Projekts erreicht werden konnten, z. B. durch Unterdrückung des thermischen „verrauschten“ Hintergrunds im Scan. „Wir entwickelten zudem Methoden, um bisher unsichtbare biochemische Aktivitäten aufzudecken“, so Caruso. Das Projektteam leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung neuer Erfassungsdaten-Verarbeitungstechniken, um all diese bisher ungenutzten Informationen zu nutzen. „Diese Techniken wurden dann mit verschiedenen, sich ergänzenden Versuchsplattformen getestet“, sagt Caruso. „Wir versuchten zudem, zukünftige Anwendungen zu identifizieren, für die diese neuen Konzepte und Instrumente genutzt werden könnten.“
Instrumentarium zur Revolutionierung biologischer Untersuchungen
Da im Rahmen von PATHOS über den Stand der Technik hinausgegangen wurde, konnte ein leistungsfähiges Instrumentarium geschaffen werden. Caruso und sein Team sind davon überzeugt, dass die Elemente dieses Instrumentariums das Potenzial haben, biologische Untersuchungen und die medizinische Diagnostik zu revolutionieren. In Laborexperimenten hat sich gezeigt, dass viele Geräte eine hohe Scangenauigkeit und -sensitivität erreichen können. Einige dieser Experimente umfassten das Scannen von RNA-Imino-Protonen, wie die, die das Genom des Virus SARS-CoV-2 bilden. Dies könnte Auswirkungen auf die Entdeckung von Impfstoffen und Heilmitteln haben. „Ein Teil dieser Grundlagenforschung könnte hier neue Möglichkeiten eröffnen“, sagt Caruso. „Ein gutes Beispiel dafür war die Anwendung bestimmter Quantenphänomene, die in einigen Experimenten beobachtet wurden. Diese Phänomene wurden genutzt, um das Genom des Virus SARS-CoV-2 besser zu charakterisieren.“
Anwendung von Erfassungstechniken in In-vivo-Umgebungen
Caruso ist der Ansicht, dass ein wichtiger nächster Schritt auf dem Gebiet der Diagnostik die Anwendung von Techniken in der In-vivo-Umgebung sein werde. „Die entwickelten Kernspinresonanzmethoden könnten auch in vivo eingesetzt werden, wie unsere Ergebnisse aus Ex-vivo-Gewebeproben zeigen“, so Caruso. „Die Komplexität der chemischen Umgebung in lebendem Gewebe kann jedoch einige Grenzen aufzeigen.“ Caruso weist darauf hin, dass das physiologische „Rauschen“ in einer realistischen MRT-Umgebung ebenfalls eine Herausforderung darstellen könne. „Diese Einschränkungen könnten jedoch durch einige der im Projekt PATHOS vorgeschlagenen Methoden behoben werden“, sagt er. „Wir hoffen, dass diese Arbeit zu einer erheblichen Zeitersparnis und zu verbesserten Bildgebungsinformationen führen wird.“
Schlüsselbegriffe
PATHOS, medizinisch, Diagnostik, Strahlung, MRT, biologisch, Magnet-Resonanz-Computertomographie
