Erstmals verliehener Prince-Meaney Award der International Society for Magnetic Resonance in Medicine an Dr. Valerie Klein

Den Preis erhielt Dr. Klein, die als Post-Doktorandin am Lehrstuhl für Computerunterstützte Klinische Medizin der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg forscht, für ihre Arbeit zur „Vorhersage der Stimulationsschwellen des Herzens durch MRT-Gradientenspulen mittels gekoppelter elektromagnetischer und elektrophysiologischer Simulationen“.

Was für den Laien wenig spektakulär klingen mag, ist aus Sicht der Experten eine (kleine) Sensation – sowohl hinsichtlich der Bedeutung der Forschung, die Dr. Klein hier in Mannheim betreibt, als auch der Wertigkeit der Auszeichnung. Was die junge Wissenschaftlerin erforscht, hat das Potenzial, die Entwicklung der Magnetresonanztomographie (MRT) einen großen Schritt nach vorne zu bringen, indem möglicherweise „die letzte physiologische Grenze der MRT-Bildgebung überwunden werden kann“.

Entsprechend scheint der Preis sehr angemessen: „Valerie Klein hat als Nachwuchswissenschaftlerin im Bereich der MR-Forschung die in diesem Jahr beste Arbeit weltweit abgeliefert, genau das wird ihr mit diesem Preis bescheinigt“, sagt ihr (ehemaliger) Doktorvater und Direktor der Computerunterstützten Klinischen Medizin, Professor Dr. Lothar Schad, begeistert.

Die Forschung von Dr. Klein könnte die Entwicklung neuer Magnetresonanztomographen massiv unterstützen und zu einer neuen Generation deutlich schnellerer, und damit kosteneffizienterer, Tomographen führen. Die junge Wissenschaftlerin hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Effekt von Stimulationen des Herzens, die die Magnetfelder eines MRT im menschlichen Körper auslösen können, auf dem Computer simulieren lässt. Damit können gesetzlich festgelegte Schwellenwerte simuliert und auch experimentell überprüft werden. „Dieses Modell erlaubt es uns, während der Entwicklung eines neuen MRT-Gerätes verschiedene hypothetische Varianten vorab auf Stimulationen zu testen und iterativ die besten Varianten weiterzuentwickeln“, so Klein, die zurzeit am Martinos Center für Biomedizinische Bildgebung, Boston, USA ihre Forschungsarbeiten fortsetzt.

Die in der MRT-Entwicklung heute übliche Konstruktion eines neuen MRT-Prototypen mit anschließender Stimulationsstudie mit etwa 50 gesunden Probanden – mit Kosten von insgesamt etwa einer halben Million Euro und 9 Monate Dauer – entfiele. „Wir brauchen lediglich einen leistungsfähigen Computer und einen Tag, um vorherzusagen, wie der neue MRT konfiguriert werden sollte“, schätzt Professor Schad. Dieses Computermodell ist daher für MRT-Entwickler extrem wertvoll. 

Zum Hintergrund ein kurzer Diskurs in die Magnetresonanztomographie:

Die MRT hat sich zu einem essentiellen Bildgebungsverfahren in der Medizin entwickelt, mit dem sich ohne schädliche ionisierende Strahlen hochauflösende Bilder des menschlichen Innern aufnehmen lassen. Das Prinzip: Unschädliche Magnetfelder werden in den Körper gesendet. Deren „Anregung“ führt dazu, dass das Gewebe selbst – abhängig von seiner Struktur – Magnetfelder aussendet, die gemessen werden können. Aus den empfangenen Magnetfelddaten lassen sich im Computer hochauflösende anatomische und funktionelle Bilddaten berechnen.

Die räumliche und zeitliche Auflösung der Bilddaten hängt von der Stärke und Frequenz der Magnetfelder ab, die dem menschlichen Körper überlagert werden. Die Auflösung der Bilddaten kann jedoch nicht beliebig optimiert werden, da der menschliche Körper der Stärke dieser Felder zwei physiologische Grenzen setzt: Die hochfrequenten Felder (im Megahertz-Bereich) führen zu Gewebeerwärmungen, die niedrigfrequenten Felder (etwa im Kilohertzbereich) eben zu jenen unerwünschten Nervenstimulationen, die als Muskelzuckungen wahrnehmbar sind, und theoretisch möglicherweise auch zu Stimulationen des Herzmuskels.

Während die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren das Problem der Gewebeerwärmung bereits gut in den Griff bekommen haben, bleibt die Nervenstimulation insbesondere des Herzens die letzte fundamentale Limitation der MRT-Bildgebung, die verhindert, schnellere Tomographen entwickeln zu können. Deren Vorteil läge auf der Hand: Ersparnis an Zeit und Kosten bei der Bildakquise oder Gewinn an Qualität, durch deutlich höheren Kontrast und Auflösung der errechneten Bilddaten.

Mit dem von Dr. Klein entwickelten Verfahren lässt sich der Effekt der Nerven- und Herzstimulationen auf dem Computer modellieren. „Ausgehend von einem Computermodell des MRT-Gerätes können wir vorhersagen, bei welcher Stärke der Proband an welcher Stelle im Körper Muskelzuckungen spüren oder die weitaus gefährlichere Herzstimulation erfahren würde, und diesem Effekt bei der Konstruktion der Spulen, die die Wechselfelder erzeugen, entgegenwirken“, erklärt Dr. Klein.

Für die elektromagnetische Simulation werden weibliche und männliche Körpermodelle genutzt, auf die Atlanten der peripheren Nervennetze und Muskelfasern im Herzen projiziert sind, sowie ein elektrophysiologisches Modell, das die Reaktionen der Nerven und Herzmuskelfasern auf induzierte elektrische Felder beschreibt. Die Körper- und Nervenmodelle wurden gemeinsam mit Professor Dr. Martin Schmelz, Leiter der Experimentellen Schmerzmedizin, entwickelt.

Durch den Vergleich der in der Simulation ermittelten Schwellenwerte mit experimentell ermittelten Schwellenwerten für die periphere Nervenstimulation und Herzstimulation an gesunden Probanden und Tieren, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihr Verfahren valide Daten liefert.

Die Internationale Gesellschaft für Magnetresonanz in der Medizin (ISMRM) fördert und vereint Kliniker, Physiker, Ingenieure, Biochemiker und Technologie-Entwickler weltweit, die Innovationen, Entwicklungen und Anwendungen von Magnetresonanztechniken in der Medizin und Biologie erforschen. An dem Weltkongress der Fachgesellschaft nahmen circa 6.000 Wissenschaftler der verschiedenen Disziplinen teil.