Medizinische Bildgebung und Elektronik

Arbeitsbereich

© Olaf Malzahn | Uni Lübeck

Die Medizinische Bildgebung und die dafür benötigte Elektronik sind in der modernen Medizin essentielle Bestandteile. Verfahren wie die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT) erlauben immer präzisere Einblicke in den menschlichen Körper und tragen einen großen Teil zur Diagnostik und damit zur gezielten Therapie einer Vielfalt von Erkrankungen bei. Die Möglichkeiten zur automatischen Auswertung der erzeugten Bilder wachsen stetig. Daraus ergeben sich neben einer effizienteren Patientenversorgung auch ökonomische Vorteile.

 

Der Bereich Medizinische Bildgebung und Elektronik am Fraunhofer IMTE beschäftigt sich mit einer großen Bandbreite an innovativen Methoden rund um die Aufnahme und Analyse von Signalen aus dem lebenden Körper. Unsere Wissenschaftler*innen arbeiten in interdisziplinären und motivierten Teams, um den daraus erwachsenden technologischen und ökonomischen Herausforderungen langfristig und nachhaltig gerecht zu werden. Dabei wird stets die Gesamtheit solcher Systeme von der Hardware-Entwicklung über die Software-Implementierung und Bildrekonstruktion bis hin zur Translation der Systeme in die klinische Anwendung betrachtet. 

 

Neben den etablierten bildgebenden Verfahren liegt die Kernkompetenz des IMTE in der Entwicklung und Etablierung neuer Bildgebungsmethoden. Dabei ist das Magnetic Particle Imaging (MPI) eine Methode, die derzeit vom präklinischen Forschungsbereich für den Einsatz in der Klinik vorbereit wird. Auch Methoden wie die Elektromyographie und die Bioimpedanzanalyse profitieren von den weiter voranschreitenden Möglichkeiten der Elektronik und erweitern das Repertoire der medizinischen Diagnostik.

Forschungsfelder

Präklinischer MPI-Scanner Kolibri

Am Fraunhofer IMTE wurde ein präklinisches MPI-System entwickelt und aufgebaut, dessen Selektionsfeld einer feldfreien Linie entspricht. Dadurch ist es möglich, sensitive und hochauflösende Bilder einer Verteilung magnetischer Nanopartikel zu erhalten. Das System zeichnet sich durch eine mechanische Rotation aus. Dadurch ist es prädestiniert für eine breite Palette an präklinischen Anwendungen, welche in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern an diesem System evaluiert werden.

NeuroMap

Das MPI ist bislang eine präklinische Bildgebungsmodalität. Am Fraunhofer IMTE soll auf Basis eines prototypischen Kopf-Scanners ein MPI-Gerät entwickelt werden, welches für die Humananwendung zugelassen wird und erste MPI-Bilder eines Menschen ermöglicht. Die anvisierte medizinische Anwendung ist die schnelle Schlaganfall-Diagnose, die direkt an einem Patientenbett, z.B. im Krankenwagen oder in der Notaufnahme, vorgenommen werden kann. Dies wird erreicht, indem das System als mobile Einheit konzipiert wird.

TOMEDEX

Die minimalinvasive Plattenosteosynthese (MIPO) ist die Methode der Wahl für die Behandlung von Knochenbrüchen. Indem nur kleine Zugänge zum umliegenden Gewebe geöffnet werden, werden die Osteosyntheseplatte und die erforderlichen Schrauben nahe an die Fraktur herangeführt. Die MIPO verkürzt nachweislich die Genesungszeit, beschleunigt die Frakturheilung und verringert die Zahl der Infektionen. Die weit verbreitete Anwendung der MIPO wird dadurch erschwert, dass für eine genaue Positionierung eine Strahlenkontrolle erforderlich ist, was die applizierte Dosis erhöht. Außerdem ist das von den Frakturenden umschlossene Weichteilgewebe nicht sichtbar, so dass die MIPO nicht anwendbar ist und möglicherweise Nerven und Gefäße schädigt. Beim Einbringen der Schrauben ist keine Information über die Knochenqualität verfügbar, da der Knochen nicht direkt sichtbar ist. Um den Nachteilen entgegenzuwirken, soll in diesem Projekt ein Röntgengerät gebaut werden, das den Weichteilkontrast in 3D deutlich erhöht und gleichzeitig die Strahlenbelastung für den Patienten reduziert. Für diese Aufgaben werden hoch angepasste Software-Algorithmen entwickelt, die die Daten in angemessener Zeit rekonstruieren. Die Messung wird eine direkte Beurteilung der Knochenqualität ermöglichen, so dass die Platzierung von Schrauben auf Bereiche mit erhöhter Knochendichte gelenkt werden kann. Um die Akzeptanz des Gerätes zu erhöhen, wird das Verfahren nahtlos in bestehende Behandlungsprozesse und Arbeitsabläufe von Krankenhäusern und chirurgischen Zentren integriert.

MDLMA

Multi-task Deep Learning for Large-scale Multimodal Biomedical Image Analysis; BMBF-gefördert

Metallartefaktreduzierung

Eine der größten Herausforderungen auf dem Gebiet der Computertomografie ist das Vorhandensein von Metallobjekten wie Hüftimplantaten, künstlichen Gelenken, Herzschrittmachern oder orthopädischen Schrauben im Körper eines Patienten. Aufgrund der extrem hohen Dämpfungskoeffizienten und der physikalischen Eigenschaften von Röntgenphotonen kann es zu starken Streifenartefakten im rekonstruierten Bild kommen. Diese Artefakte mindern den diagnostischen Wert des CT-Bildes bis zu einem Punkt, an dem die Aufnahme für die Diagnose unbrauchbar ist. Das Problem der Reduzierung von Metallartefakten (MAR) wird seit über drei Jahrzehnten intensiv untersucht. Ein gängiger Ansatz für MAR besteht darin, die durch Metall beeinflussten Projektionsdaten zu verwerfen. Daher muss ein Algorithmus gefunden werden, der mit den Lücken in den erfassten Rohdaten (einem Sinogramm) umgehen kann. Die meisten der zahlreichen veröffentlichten Ansätze lassen sich in zwei Kategorien einteilen: auf Sinogrammvervollständigung basierende Methoden und iterative Methoden.

Unsere Forschungsgruppe arbeitet insbesondere an Algorithmen, die Kriterien für konsistente Sinogramme beinhalten. Eine Inpainting-Methode, die die Lücke in den Rohdaten auf konsistente Weise unter Berücksichtigung dieser Kriterien füllt, ermöglicht eine Rekonstruktion, die alle erforderlichen Projektionen nutzt, ohne die durch Metall verfälschten Projektionen zu verwenden. Ein weiteres Projekt befasst sich mit der Einbeziehung von Vorwissen über Form und Zusammensetzung von Implantaten in einen Rekonstruktionsalgorithmus. Die Hauptidee besteht darin, die bekannten Dämpfungskoeffizienten des Metallimplantats zu nutzen, um die Streifenartefakte zu reduzieren, die zunächst durch die vom Metall beeinflussten Projektionen verursacht werden.

Leistungen

  • Konzeption und Aufbau von (Teil-)Systemen zur (medizinischen) Bildgebung
  • Messung von biologischen und technischen Proben in unseren Bildgebungssystemen
  • Anwendungsspezifische Entwicklung von Algorithmen für die Bildrekonstruktion und –analyse
  • Software-Entwicklung für die Steuerung von Systemen und die Signalauswertung 
  • Entwicklung von Systemen zur Analyse und Bildgebung magnetischer Nanopartikel
  • Entwicklung und Analyse elektronischer Schaltungen zur analogen und digitalen Verarbeitung von Signalen aus dem menschlichen Körper

 

 

 

Ausstattung

Röntgenmikroskop -Xradia 510 Versa (Zeiss) Micro-CT -Skyscan (Bruker) Industrie-CT -FF35 (Yxlon)
  • Anwendung: Röntgenbasierte Durchstrahlung von biologischen Proben mittlerer Größe und Dichte
  • Objektgröße: 300 mm Ø, 300 mm Länge
  • Auflösung: bis zu 70 nm
  • Röhrenspannung: 30 -160 kV
  • Anwendung: Ex vivo micro-CT System für kleine Proben mit geringer Dichte
  • Objektgröße: 50 mm Ø, 50 mm Höhe
  • Auflösung: 1 μm
  • Anwendung: Zerstörungsfreie Prüfung von Objekten mit hoher Dichte
  • Objektgröße: 510 mm Ø, 600 mm Höhe
  • Auflösung bis zu 150 nm
  • Röhrenspannung: bis 225 kV

MRT -M7™ Mx Compact MRI (Aspect Imaging) MRT -ICON (Bruker) MPI -Preclinical Magnetic Particle Imaging System (Bruker) 3D Scanner -COMET 5M (Zeiss)
  • Anwendung: Kleintierbildgebung mithohem Weichteilkontrast
  • Objektgröße: 120 mm Ø, 90 mm Länge
  • Feldstärke: 1 T
  • Anwendung: Kleintierbildgebung mit hohem Weichteilkontrast
  • Objektgröße: 80 mm Ø, 500 g Gewicht
  • Auflösung: bis zu 100 μm in der Ebene und 1 mm Schichtdicke
  • Feldstärke: 1 T
  • Anwendung: Schnelle Bildgebung mit magnetischen Nanopartikeln
  • Selektionsfeld: 2,5 T/m
  • Objektgröße: 119 mm Ø
  • Anwendung: Streifenlichtprojektor zur Vermessung der Maßhaltigkeit und der Objektoberfläche
  • Objektgröße: 480 x 400 x 250 mm³
  • Auflösung: bis zu 18 μm