Zwei Magnete sind billiger als einer: Stanford-Ingenieure konstruieren einen kostengünstigen MRT-Scanner: 3/01
3/20/01
Dawn Levy, Nachrichtendienst (650) 725-1944; E-Mail: [email protected]
Zwei Magnete sind billiger als einer: Stanford-Ingenieure bauen einen kostengünstigen MRT-Scanner
Im Keller des Stanford Packard Electrical Engineering Building gibt es ein Schnäppchen: einen kostengünstigen Magnetresonanztomographen (MRT). MRT-Scanner nehmen scharfe innere Bilder des Körpers einschließlich des Gehirns, der Wirbelsäule und der Gelenke auf. MRT-Bilder bieten im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren wie Röntgen, CT oder Ultraschall einen besseren Kontrast in Weichteilen wie dem Gehirn. Aber MRT-Scanner sind nicht billig. Ein Ganzkörperscanner kostet 1 bis 3 Millionen US-Dollar, und die Scangebühren können 1.000 US-Dollar übersteigen.
„Ich persönlich mochte die Kosten der MRT nie. Ich bin sehr sparsam „, sagt Steven Conolly, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter im Engineering-Team, das den neuen MRT-Scanner entwickelt. Der emeritierte Professor für Ingenieurwesen und Radiologie Albert Macovski inspirierte das Projekt, das von Conolly und dem technischen Forschungsmitarbeiter Greig Scott geleitet wird. Eines der Ziele des Teams ist es, einen hochwertigen Scanner zu entwickeln, der für etwa 150.000 US-Dollar verkauft werden kann.
Der Scanner könnte in Entwicklungsländern nützlich sein, sagt Conolly, oder als Werkzeug für die Grundlagenforschung.
Der kostengünstige Ansatz des Teams beim Bau von MRT-Scannern ist praktisch und herausfordernd. Und nach fünf Jahren Arbeit haben die Forscher nun ihre ersten menschlichen Bilder in der Hand.
Der Trick, sagt Conolly, besteht darin, zwei kostengünstige Widerstandsmagnete anstelle eines teuren supraleitenden Magneten zu verwenden.
MRT funktioniert in zwei Schritten. Erstens setzt es den menschlichen Körper einem starken Magnetfeld aus. Einige Elemente, einschließlich Wasserstoffatome in Wasser und Körperfett, reagieren auf ein starkes Magnetfeld, indem sie sich mit ihm ausrichten, so wie Eisenspäne sich mit dem Feld eines Desktop-Magneten ausrichten. Hier muss das Magnetfeld sehr stark sein, da Wasserstoffatome nicht so leicht auf ein Magnetfeld reagieren wie Eisenspäne. Heutige MRT-Scanner verwenden Magnete, die so stark sind wie die, mit denen Autos auf einem Schrottplatz abgeholt werden.
Sobald sich die Wasserstoffatome aneinandergereiht haben, erzeugen sie ihr eigenes magnetisches Signal. Da Wasserstoffatome in verschiedenen Geweben leicht unterschiedliche Signale haben, misst der MRT-Scanner diese Unterschiede und erkennt den Kontrast in einem Bild. Für diesen zweiten Schritt – die Messung der Differenz zwischen beispielsweise einem Wasserstoffatom in einem Tumor und einem im Muskel – muss das Magnetfeld extrem präzise sein, sagt Conolly. Das Feld kann nicht um mehr als ein Zehntausendstel Prozent variieren, was bedeutet, wenn die Erde so flach wäre wie ein MRT-Magnetfeld, wäre der höchste Hügel der Welt nur 20 Fuß hoch.
Die einzigen heute verfügbaren Magnete, die sowohl sehr stark als auch homogen sind, sind supraleitende Magnete. Sie sind die größten Einzelkosten in einem MRT-Scanner. Aber es stellt sich heraus, sagt Conolly, dass der Magnet in einem MRT-Scanner nicht gleichzeitig stark und konsistent sein muss. Also baute das Team einen kompletten MRT-Scanner von Grund auf neu und verwendete zwei Magnete, um den herkömmlichen supraleitenden Magneten zu ersetzen. Der erste Magnet ist sehr stark und kann die Wasserstoffatome aneinanderreihen. Es muss nicht sehr präzise sein, obwohl, und hat etwa 40 Prozent Variation. „Es ist, als würde man mit einer Lampe ein Buch beleuchten“, sagt Conolly. „Die Lichtintensität kann über die Oberfläche der Seite um 40 Prozent variieren, aber solange sie hell genug ist, können Sie die Seite trotzdem lesen.“ Der zweite Magnet erzeugt ein homogenes Magnetfeld, aber es muss nicht stark sein. In der Tat ist es schwach und erfordert die Leistung von etwa zwei Haartrocknern. Das MRT-Team schaltet einen Magneten ein, um die Wasserstoffatome auszurichten, und den anderen, um das Signal des Körpers aufzuzeichnen.
Beide Magnete sind einfache Kupfer-Widerstandsmagnete – hergestellt aus Material, das jeder in einem Baumarkt finden könnte. Sobald das Stanford-MRT-Team einen funktionierenden Scanner erstellt hatte, begannen sie mit dem Fotografieren. Einer der Teamwissenschaftler, Blaine Chronik, ging zum Lebensmittelgeschäft, als sie anfingen, Daten zu erhalten, „und suchte nur nach interessanten Dingen, die man sich vorstellen konnte“, sagt Conolly. „Wir haben Tomaten probiert“, sagte Sharon Ungersma, eine Doktorandin des Projekts, „und Trauben und andere Lebensmittel.“ Bacon zeigte den interessantesten Kontrast. Das Fett und die Muskelstreifen auf dem Speck zeigten sich in starkem Kontrast zueinander. Bald begann das Team, darunter die Doktoranden Hao Xu und Nate Matter, menschliche Hände und Handgelenke zu fotografieren. Bildausschnitte zeigen die Handwurzelknochen, die Sehnen und das Weichgewebe. „Die Handbilder haben definitiv noch nicht die gleiche Qualität wie herkömmliche MRT-Scanner“, sagt Conolly, „aber wir können jetzt tatsächlich über Anatomie sprechen. Und wir können Verbesserungen messen.“
Conolly geht davon aus, dass die Bilder in diesem Sommer weitaus besser sein werden. Ein neuer und verbesserter homogener Magnet ist fast fertiggestellt. Dieser ist größer und kann bei höherer Feldstärke arbeiten. Es passt zu einem Knie, nicht nur zu einem Handgelenk. Es ist energieeffizienter und passenderweise sogar billiger. Das Team arbeitet immer noch daran, die Homogenität zu erreichen, die sie bei dem Magneten mit geringer Festigkeit benötigen. Da sie den Magneten durch Aufwickeln von Kupferband erzeugen, muss jede Windung genau in Bezug auf die anderen Spulen platziert werden. „Es gibt mehr als hundert Windungen Kupferband in den Spulen, so dass sich jeder kleine Knick und jede Bindung ansammelt“, sagt Conolly. „Der Außendurchmesser kann um etwa 50 Tausendstel Zoll vom Ideal entfernt sein – was ziemlich gut ist, aber es ist immer noch ein Problem.“ Ungersma erstellt jetzt einen neuen Satz Spulen, um dieses Problem zu beheben.
Das gesamte Team ist damit beschäftigt, die Bildqualität zu verbessern. Das Team freut sich auch über die Aussicht auf wissenschaftliche Grundlagenforschung, die die Tür für die Erforschung vieler neuer Kontrastmechanismen öffnet.
Das Team hat Zuschüsse zur Entwicklung von Scannern für die Bildgebung von Knie, Gehirn und Brust erhalten. Einer der Vorteile des kostengünstigen MRT-Scanners besteht darin, dass Krankenhäuser kleinere Scanner verwenden können, die für bestimmte Körperteile spezifisch sind, anstatt einen zweiten Ganzkörperscanner zu kaufen. Mit der Stanford-Technologie könnte die MRT-Brustbildgebung für die Brustkrebsvorsorge kostengünstig werden. In Zeiten steigender medizinischer Kosten kann die Technologie MRT für eine größere Kundschaft verfügbar machen.