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Vom Uni-Labor auf den freien Markt – Doktoranden entwickeln Magnetresonanztomographen im Kleinformat

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Laboreinblick: Stefan Wintzheimer bei der Arbeit an einer Platine

Ein Doktorandenteam der Universität Würzburg will ein Schulungsgerät eines mobilen Magnetresonanztomographen auf den Markt bringen. Sie folgen damit einem Trend zu Geräten im Miniaturformat, der sich in den letzten Jahren verstärkt in der Medizintechnik abzeichnet. Trotz harter Konkurrenz will das Entwicklerteam den Schritt wagen – ermutigt durch die wachsende Nachfrage und erweiterte Anwendungsmöglichkeiten.

Monotone, dumpfe Schläge wabern durch den halbdunklen Raum und mischen sich mit dem unterschwelligen Rauschen der Klimaanlage. Das Zimmer wird zur Hälfte von einer weißen, zylinderförmigen Apparatur ausgefüllt, aus deren etwa einem Meter großer, runder Öffnung eine weiße Bahre ragt. In einer Ecke stapeln sich ausgediente Spulen im XXL-Format, auf einem Bürostuhl neben der Eingangstür tummeln sich verdrahtete Platinen Seite an Seite mit einem Rechnergehäuse. „Früher wurden hier ab und an noch Menschen in den Magnetresonanztomographen geschoben. Heute nutzen wir ihn nur noch für unsere Forschung, beispielsweise um das Steuerungsmodul zu testen“, erklärt Michael Ledwig, Doktorand am Physikalischen Institut der Universität Würzburg. Nach dem technischen Vorbild der klassischen Magnetresonanztomographen konzipiert der Elektrotechniker zusammen mit drei anderen Doktoranden ein mobiles Praktikumsgerät für den Einsatz im Feld und im Labor. Bei der Magnetresonanztomographie (auch MRT oder Kernspintomographie) werden mit Hilfe von Hochfrequenzwellen beliebig orientierte Schnittbilder durch Objekte oder den menschlichen Körper erzeugt. Das zugrunde liegende physikalische Prinzip der Kernspinresonanz wurde bereits 1946 entdeckt, seit den 80ern wird die Magnetresonanztomographie auch als diagnostisches Verfahren in der Humanmedizin angewandt. Die Würzburger sind nicht die einzigen, die sich mit der mobilen Variante beschäftigen: Die Entwicklung kleiner, handlicher Geräte wird in der Medizintechnik verstärkt vorangetrieben, auch im Bereich der MRT. Obwohl bereits vergleichbare Geräte existieren, sehen die Entwickler eine Zukunft für ihr System. Sie setzen dabei auf zusätzliche Anwendungsfelder jenseits der Humanmedizin, beispielsweise das zerstörungsfreie Prüfen und die Qualitätskontrolle sowie auf die steigende Nachfrage nach bildgebenden, mobilen Geräten.

Entwicklung des MRT-Schulungsgerätes ist abgeschlossen

„An dem portablen MRT-Schulungsgerät arbeiten wir seit 2007. Allein für die Entwicklung des Gehäuses haben wir über ein Jahr benötigt“, erinnert sich Stefan Wintzheimer. Sechs Namen befinden sich an der Tür des kleinen Raums, der für die Doktoranden Experimentallabor, Produktionsstätte und Büro in einem ist. Mit flinker Bewegung wischt Wintzheimer Kugelschreiber, Skizzen und hölzerne Ständer mit Reagenzgläsern beiseite, um zwei metallisch glänzende Boxen auf seinem Schreibtisch zu platzieren: „Das ist der Permanentmagnet und die Steuerung“, erklärt er. Im Vergleich zu den bei den herkömmlichen MRT verwendeten mehrere Tonnen schweren Elektromagneten bringt der Magnet des mobilen Systems 12 Kilogramm bei einer Größe von 26 x 13 x 24 cm auf die Waage. Er erzeugt eine Feldstärke von 0,5 Tesla. Die Steuerungseinheit hat bei zwei Kilogramm Gewicht ähnliche Maße, ist mit neun cm Breite jedoch wesentlich schmaler. Zum Prototyp des mobilen Komplettsystems gehört neben Magnet und Steuerung eine spezielle Software zur Bilderzeugung am PC. Rein technisch funktioniert die portable Variante wie die herkömmlichen MRT. Lediglich der Permanentmagnet unterscheidet sich von den supraleitenden Magneten, die in konventionellen Anlagen verwendet und mit Helium und Stickstoff gekühlt werden. Die Reduzierung der Größe ergibt sich so vor allem aus dem Wegfallen von Kühlungsanlagen und der Größenoptimierung der Steuergeräte.

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Prototyp des mobilen MR-Systems, bestehend aus dem Permanentmagneten mit Probe (links) und dem Steuerungsmodul (rechts)

Geräte für weitere Anwendungsbereiche sind geplant

Vorsichtig lässt Wintzheimer ein mit Öl gefülltes und mit diversen kleinen Plastikplättchen und -röhrchen gespicktes Reagenzglas in die etwa 1 cm große Aussparung des Magnetenmoduls gleiten, um eine Versuchsmessung durchzuführen. „Das besondere an unserem System ist, dass wir quasi in Echtzeit auf die Messung einwirken können“, erklärt Entwicklerkollege Ledwig, während er am Rechner die Einstellung der Parameter vornimmt. Damit können die Ergebnisse einer Messung automatisch ausgewertet und durch eine Justierung der Parameter Einfluss auf die nächste Messung genommen werden. Nach wenigen Sekunden erscheint ein Querschnitt der Probe in der charakteristischen Graustufendarstellung der MRT-Bilder mit einer Auflösung von etwa 0,1 mm. Neben der Objektdarstellung eignet sich die Methode der Magnetresonanztomographie auch für die Analyse chemischer Eigenschaften, das Messen von Fließgeschwindigkeiten in Schläuchen sowie die strukturelle und funktionale Darstellung von Geweben und Organen im menschlichen Körper. Auch das mobile MR-System der Würzburger Doktoranden soll schrittweise für den Einsatz auf weiteren Gebieten umgerüstet werden: Bis 2012 sind ein Laborgerät zur Analyse, ein Kleintiergerät sowie kundenspezifische Adaptionen geplant. Langfristig käme auch die Humanmedizin als Anwendungsbereich in Frage. „Dort ist die Umsetzung des Gerätes jedoch schwieriger, weil viele Vorschriften existieren und die Zulassungsprozedur sehr langwierig ist. Aber prinzipiell wäre es schon denkbar“, meint Ledwig.

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MRT-Aufnahme einer mit Öl und dieversen Objekten gefüllten Probe (links) sowie einer Gartenbohne (rechts)

Die Marktaussichten

Die ersten selbst gefertigten Praktikumsgeräte des Doktorandenteams sind bereits im Einsatz. Im kommenden Monat finden Sondierungsgespräche mit einem Gerätehersteller statt, um über die serienmäßige Produktion und den Vertrieb zu verhandeln. Dann wird sich zeigen, ob das Gerät auch auf dem freien Markt bestehen kann. Ein großer Konkurrent dürfte der neuseeländische Hersteller Magritek sein, der sich auf die Felder Kernspinresonanz und MRT spezialisiert hat und seit über einem Jahr ein vergleichbares mobiles Gerät vertreibt. Forscher des Fraunhofer Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) entwickelten in Kooperation mit dem Hersteller das Magnetendesign und erarbeiten Speziallösungen für Anwender in Deutschland und Europa. Daniel Schmitt, Leiter der Arbeitsgruppe Simulation, Visualisierung und magnetische Resonanz beim IBMT, kennt die aktuelle Marktlage: „Tendenziell geht der Trend in allen Bereichen der Medizintechnologie zur Miniaturisierung und hin zu günstigeren Lösungen. Durch die vergleichsweise niedrigen Systempreise zwischen 20.000 und 40.000 Euro ist die Nachfrage nach wie vor stark.“ Dies liege vor allem an der Erweiterung der Anwendungen. Die klassischen, klinischen Hochfeldsysteme mit Anschaffungskosten in Millionenhöhe werden fast ausschließlich von Kliniken, großen Arztpraxen und Forschungslaboren verwendet. Dadurch ist die Zielgruppe relativ begrenzt, viele Hersteller konzentrieren sich auf den Austausch und die Wartung der Apparate. „Im Vergleich zu den klassischen MRT eignen sich die mobilen Systeme durch ihre Größe und den Kostenfaktor für einen breiteren Markt, der auch Konkurrenz zulässt“, schätzt Schmitt. So könne die portable Technik beispielsweise für zerstörungsfreies Prüfen und Qualitätskontrolle von Materialien, in der Prozesskontrolle oder im pharmazeutischen Bereich eingesetzt werden. Vor allem bei den bildgebenden Systemen sieht Schmitt noch Entwicklungsbedarf.

Die Doktoranden, deren Forschung bisher überwiegend aus Stipendien und Fördergeldern finanziert wurde, setzen auf das Marktpotenzial in diesem Segment. Dabei sollen zwei Anwendungsfeatures dazu beitragen, sich von den vorhandenen Geräten abzusetzen: Echtzeitfähigkeit und eine offen gestaltete Programmierung. Sie sollen eine direkte Beeinflussung der Messung und einen flexiblen Einsatz des Gerätes in verschiedenen Bereichen ermöglichen. „Natürlich können wir noch nicht abschätzen, wo wir in zwei oder drei Jahren mit dem System stehen. Aber die bisherige Resonanz der Hersteller und Anwender bestärkt uns, das Ziel Serienproduktion weiter zu verfolgen“, schließt Wintzheimer.

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