Saarländische Mathematiker an der Verbesserung bildgebender Verfahren in der Medizin beteiligt

Wissenschaftler um den Saarbrücker Professor für Numerische Mathematik, Thomas Schuster, beteiligen sich an einem Verbundforschungsvorhaben, das bessere bildgebende Verfahren in der Medizin ermöglichen soll. Gemeinsam mit Forschern und Industriepartnern aus Bremen, Hamburg, Ettlingen und Aschaffenburg möchten Schuster und seine Mitarbeiter das so genannte „Magnetic Particle Imaging“ (MPI) verbessern. Dieses spezielle tomographische Verfahren erlaubt es, so genannte paramagnetische Eisenoxid-Nanopartikel auf ihrem Weg durch den menschlichen Körper zu verfolgen und die Strukturen im Körperinneren sichtbar zu machen. Damit ist MPI prädestiniert für die Diagnose kardiovaskulärer Erkrankungen. Die mathematischen Grundlagen dafür sind allerdings sehr komplex. Die Arbeitsgruppe von  Thomas Schuster soll im Konsortium  mathematische Modelle für das MPI speziell in 3-D entwickeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben von 2017 bis 2019 mit rund 800.000 Euro, von denen 212.000 ins Saarland fließen.

Dass Mathematik alles durchdringt, darf im Fall des von der Universität Bremen (Prof. Peter Maaß) aus geleiteten Verbundvorhabens wörtlich genommen werden. Denn ohne ausgefeilte mathematische Algorithmen, welche zum Beispiel in einem Tomographen die zu visualisierende Größe aus den gemessenen Daten berechnen, ist eine moderne Gerätemedizin undenkbar. Im Falle des „Magnetic Particle Imaging“ besteht die Aufgabe darin, die Konzentration der paramagnetischen Partikel im menschlichen Körper aus den an Empfängerspulen gemessenen Spannungen zu bestimmen. Paramagnetische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Magnetisierung an einem äußeren Magnetfeld orientiert. Ohne äußeres Magnetfeld zeigen sie, im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien, keine magnetische Ordnung. Wenn man mathematisch genauer beschreiben kann, wie sich die Nanopartikel durch den menschlichen Körper bewegen, wird auch die Darstellung für die behandelnden Mediziner am Computerbildschirm genauer, so dass letzten Endes auch für den einzelnen Patienten individuell viel passgenauere Therapien möglich werden.

Die Saarbrücker Mathematiker um Thomas Schuster versuchen in ihrem Teilprojekt, die so genannte Systemfunktion zu bestimmen, welche letzten Endes das mathematische Modell für das spezielle bildgebende Verfahren des „Magnetic Particle Imaging“ darstellt.

Dabei müssen die Wissenschaftler vieles beachten: Wie verteilen sich die Magnetfelder, die das Verhalten der Eisenoxid-Partikel beeinflussen und so auch Einfluss auf das entstehende Bild haben, das der Mediziner später sieht? Wie beeinflussen die Relaxationszeiten der Magnetisierung, also die Zeit, die vergeht, bis die Magnetisierung nach Abschalten des äußeren Magnetfelds wieder den Ausgangszustand erreicht, das mathematische Modell? Bisherige Verfahren gehen immer von idealisierten Bedingungen aus. Im klinischen Alltag sind diese Bedingungen aber in den seltensten Fällen gegeben. Dabei hat MPI viele Vorteile: Magnetic Particle Imaging ist strahlungsfrei, hoch sensitiv und bietet eine sehr hohe zeitliche Auflösung. Entwickelt man das Verfahren weiter, könnten Mediziner das Herz-Kreislauf-System vielleicht sogar dreidimensional in Echtzeit am Computer abbilden und so viel bessere Diagnosen stellen.

„Die Systemfunktion, die wir bestimmen wollen, muss letztendlich viele verschiedene physikalische und messtechnische Phänomene berücksichtigen, die bei den existierenden MPI-Verfahren derzeit nicht einfließen“, erklärt Thomas Schuster. Seine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Numerische Mathematik hat auf dem Gebiet der Algorithmen-Entwicklung für bildgebende Verfahren eine große Expertise. Die Mitarbeiter forschen unter anderem an Vektortomographie, Terahertz-Tomographie, der hyperspektralen Bildgebung und an der Schadensdetektion elastischer Werkstoffe.

Gelingt es den Forschern im Verbund, das Verfahren bis Ende 2019 maßgeblich zu verbessern, können insbesondere Herz-Kreislauf-Patienten viel effizienter und schonender untersucht werden als bisher. Denn neben einer höheren Auflösung und einer besseren Datenverarbeitung hat MPI einen weiteren Vorteil gegenüber bisherigen tomographischen Verfahren: Die gesundheitliche Belastung des Patienten durch Röntgenstrahlung und jodhaltiges Kontrastmittel könnte damit ebenfalls verhindert werden.

Am BMBF-Projekt „Modellbasierte Parameteridentifikation in Magnetic Particle Imaging: nichtlineare Rekonstruktionsverfahren für Innovationen in medizinischen Anwendungen“ sind folgende Partner beteiligt:

Prof. Dr. Peter Maaß (Verbundkoordinator), Universität Bremen
Prof. Dr. Thomas Schuster, Universität des Saarlandes
Prof. Dr. Tobias Knopp, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf
Prof. Dr. Hans-Georg Stark, Hochschule Aschaffenburg
Bruker BioSpin MRI GmbH
SCiLS GmbH
Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

Das Projekt wird von 2017-2019 mit rund 800.000 Euro gefördert. 212.000 Euro davon fließen ins Saarland.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Thomas Schuster
Tel.: 0681 302 57425
E-Mail: thomas.schuster(at)num.uni-sb.de