Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRMetamaterialien optimieren die Magnetresonanztomographie
Bisher lässt sich die Magnetresonanztomographie (MRT) nur schlecht mit anderen Diagnosemethoden kombinieren. Der Grund: Die starken Hochfrequenzfelder im MRT induzieren Mantelströme auf den Kabeln der Zusatzgeräte. MRT-fähige, kompakte Mantelstromsperren auf Basis von Metamaterial-Technologie aus dem Fraunhofer FHR vereinfachen dies nun deutlich. Weiterhin bewirken intelligente Metamaterial-Platten ein wesentlich höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis in der MRT: Feine Strukturen lassen sich deutlich besser erkennen.
Die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, ist aus der medizinischen Diagnostik kaum noch wegzudenken. Sie erlaubt unter anderem, Gehirn und Rückenmark, innere Organe, Muskeln und Gelenke schichtweise abzubilden und nicht-invasiv zu untersuchen. Doch mitunter reicht sie für eine korrekte Diagnosestellung nicht aus – es müssen verschiedene Diagnoseverfahren miteinander kombiniert werden. Dies birgt jedoch Herausforderungen: Die hochfrequenten Felder des MRT koppeln in die Kabel der Zusatzgeräte ein, seien es nun Ultraschallgeräte, Bildschirme oder ähnliches – Störungen bei den Messungen können die Folge sein. Auch ist es möglich, dass die Kabel durch die induzierten Ströme derart erhitzt werden, dass der Patient sich daran verbrennen könnte. Es ist daher unbedingt notwendig, die induzierten Mantelwellen zu unterdrücken. Üblicherweise greift man hierfür zu Mantelstromsperren: Kleine Ferritkerne, die man über einen Schnappverschluss am jeweiligen Kabel befestigen kann. Diese Ferritkerne sind jedoch magnetisch und eignen sich somit nicht für eine Anwendung im MRT. Andere Lösungen basieren auf dem Aufwickeln der Zuleitungen, um für die Mantelströme eine möglichst hohe Impedanz zu realisieren. Dieser Ansatz verlängert aber die Zuleitungen und nimmt zusätzlich viel Platz ein.
Mantelstromsperren für die MRT
Das Fraunhofer FHR hat in einem internen Projekt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS nun eine handliche und praktikable Lösung für dieses Problem entwickelt. Entweder werden nur an einigen Stellen des Kabels spezielle kleine Mantelstromsperren aufgesteckt, oder aber das ganze Kabel wird mit einem Außenmantel umhüllt. Die Grundlage der Technologie, die derzeit patentiert wird, bilden Metamaterialien. Diese sind keine Materialien im üblichen Sinne, sondern künstliche Gebilde, die mit einer speziellen Strukturierung versehen sind. Da die MRT-Geräte je nach Ausführung und Hersteller bei verschiedenen Frequenzen arbeiten, wurden diverse Ausführungen von Mantelstromsperren entwickelt: Für 1,5, 3 und 7 Tesla Geräte. Die Mantelstromsperren sind kompakt, abstimmbar und wiederverwendbar. Zudem erhalten sie die flexiblen Eigenschaften des Kabels. Sie können von einem Kabel gelöst und an einem anderen befestigt werden. Auch lassen sich die Kabel gleichzeitig mit mehreren verschiedenen Mantelstromsperren ausrüsten, so können zum Beispiel sowohl eine Mantelstromsperre für 1,5, 3 als auch eine für 7 Tesla an einem Kabel angebracht werden.
Im hauseigenen MRT-Gerät des Fraunhofer MEVIS wurden bereits verschiedene Mantelstromsperren vermessen und ihre Funktionalität erfolgreich nachgewiesen. Auch im Fraunhofer FHR steht entsprechendes Mess-Equipment zur Verfügung – unter anderem zwei Spulen, mit denen die Mantelströme gezielt erzeugt und vermessen werden können. Bislang werden die Mantelstromsperren durch konventionelle Fertigungsmethoden hergestellt. Jedoch werden nun neue Fertigungstechnologien eingesetzt, beispielsweise die 3D-Drucktechnologie – also die additive Fertigung – was ebenfalls am Fraunhofer FHR möglich ist. Dadurch ist eine kostengünstige und gleichzeitig leistungsfähige Lösung gegeben.
Metamaterialien verbessern Messempfindlichkeit um Faktor fünf
Metamaterialien bieten auch bei den MRT-Messungen selbst viele Vorteile und Möglichkeiten. So können sie unter anderem die Messeffizienz deutlich verbessern: Verwendet man für die Messung Oberflächenspulen, die auf den Körper des Patienten aufgelegt werden, kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis je nach Fragestellung um bis zu 20 Prozent verbessert werden. Werden die im MRT-Gerät fest verbauten Spulen verwendet, ist sogar eine Verfünffachung des gemessenen Signals möglich. Auf den Bildern lassen sich somit feine Strukturen deutlich besser erkennen – der Kontrast steigt erheblich. Diesen großen Sprung in der Messeffizienz ermöglichen intelligente Metamaterial-Platten, die während der MRT-Aufnahme auf die zu untersuchende Stelle des Körpers aufgelegt werden. Im MRT-Gerät des Fraunhofer MEVIS wurden bereits verschiedene Metamaterial-Platten getestet und ihr verstärkender Effekt erfolgreich nachgewiesen.