Mobiler Blick ins Gefäßinnere

Blutfluss sichtbar gemacht: Ein neuentwickelter tragbarer Scanner zeigt den Blutstrom in Venen oder Arterien – und kann so Blockaden, Thrombosen oder Aneurysmen sichtbar machen. Das Gerät wird wie eine dickere Schiene um den Arm oder das Bein geschnallt und nutzt Magnetfelder, um magnetisierte Nanopartikel im Blut zu detektieren. Dadurch benötigt der mobile Scann weder Röntgenstrahlung noch radioaktive Kontrastmittel und könnte zur Früherkennung, Vorbeugung und Behandlung von Gefäßverschlüssen oder -schäden beitragen.

Ob durch Röntgenbilder, Magnetresonanztomografie oder Ultraschall: Der Blick in das Innere unseres Körpers ist für die Medizin unverzichtbar. Denn viele Krankheiten oder innere Verletzungen können erst durch solche bildgebenden Verfahren erkannt und behandelt werden. Dies gilt auch für Störungen des Blutflusses, beispielsweise durch Thrombosen, Verengungen der Adern oder Aneurysmen. Die Angiografie hilft, solche Veränderungen der Blutgefäße zu erkennen und tödlichen Folgen wie Herzinfarkten, Schlaganfällen oder inneren Blutungen vorzubeugen.

Bisher werden für Angiografien meist Computertomografen (CT) oder Magnetresonanztomografen (MRT) eingesetzt, deren Aufnahmen die Adern mithilfe eines Kontrastmittels zeigen. Diese Geräte sind jedoch klobig, nur im Liegen nutzbar und beim CT wird der Körper zudem ionisierender Röntgenstrahlung ausgesetzt.

Magnetische Nanopartikel als Kontrastmittel

Deshalb haben nun Forschende der Universität und des Universitätsklinikums Würzburg um Patrick Vogel einen ersten tragbaren Gefäßscanner entwickelt. „Unser iMPI-Scanner ist so klein und leicht, dass man ihn fast überall mitnehmen kann“, erklärt Vogel. iMPI steht für interventional Magnetic Particle Imaging und bezeichnet ein bildgebendes Verfahren, bei dem Magnetfelder die Bewegung und Dichte von magnetisierten Nanopartikeln sichtbar machen. Diese Partikel werden wie ein Kontrastmittel vor der Messung injiziert.

Die Bildgebung beruht dabei auf dem Antwortsignal der magnetischen Nanopartikel auf sich zeitlich verändernde Magnetfelder. „Dabei wird die Magnetisierung von Nanopartikeln mit Hilfe von externen Magnetfeldern gezielt manipuliert, wodurch nicht nur ihre Anwesenheit, sondern auch ihre räumliche Position im menschlichen Körper detektiert werden kann“, erklärt Vogel. Damit ähnelt das Verfahren dem MRT, ruft aber nur eine Reaktion der Nanopartikel hervor. Dadurch bildet es gezielt nur die Blutgefäße ab, alle anderen Körpergewebe bleiben dunkel.

Helle Gefäße vor dunklem Grund

„Wie bei der Positronen-Emissions-Tomographie, die jedoch auf die Gabe von radioaktiven Substanzen als Marker angewiesen ist, hat die iMPI-Methode den großen Vorteil, empfindlich und schnell zu sein, ohne dabei störende Hintergrundsignale von Gewebe oder Knochen zu ‚sehen‘“, erklärt Koautor Volker Behr. Dadurch kann es den Blutfluss in Gefäßen und eventuelle Verengungen oder Aussackungen abbilden, ohne dass andere Strukturen die Sicht verdecken oder stören.

Grundsätzlich ist die MPI-Bildgebung nicht neu, bisher war sie jedoch zu langsam und zu klobig, um auch dynamische Veränderungen im menschlichen Körper zu zeigen. Zudem waren die Geräte ähnlich groß und klobig wie typische MRT-Scanner. Das Würzburger Team hat nun die Technologie so weiterentwickelt, dass sich ihr MPI-Scanner umschnallen lässt wie eine dickere Schiene. Es besteht aus drei flachen Magnetspulen, die wechselnde Magnetfelder erzeugen, und Sensoren, die die Reaktion der Nanopartikel mit acht Bildern pro Sekunde und in einem relativ großen Gesichtsfeld aufzeichnen können.

Erster Test mit Gefäßdummy erfolgreich

In einem ersten Test haben die Forschenden ihren iMPI-Scanner an einer speziellen Puppe mit nachgebildeten Blutgefäßen und künstlichem Blut ausprobiert. Bei diesen lassen sich zu Übungszwecken Verengungen, Aneurysmen oder Thrombosen erzeugen. Auch Kathetereingriffe können an diesem Modell geübt und getestet werden. Für den Test schnallten Vogel und sein Team den Scanner um den Oberschenkel des Modells und injizierten die Nanopartikel. Anschließend beobachteten sie, wie gut der Blutfluss zu erkennen war.

Das Ergebnis: Der tragbare MPI-Scanner konnte Verengungen und Aneurysmen der Kunstadern anhand der Veränderungen des Blutflusses sichtbar machen. Auch zur bildgebenden Überwachung eines Kathetereingriffs eignete sich das Gerät dank der hohen zeitlichen Auflösung, wie die Wissenschaftler berichten. Die räumliche Auflösung war allerdings bei ihrem Prototyp noch nicht sehr hoch, weil sie diesen zunächst auf Schnelligkeit optimiert hatten.

„Das ist ein erster wichtiger Schritt hin zu einer strahlenfreien Intervention. MPI hat das Potential diesen Bereich nachhaltig zu verändern“, sagte Seniorautor Stefan Herz. Das Team arbeitet nun daran die Bildqualität ihres Scanners noch weiter zu verbessern. (Scientific Reports, 2023; doi: 10.1038/s41598-023-37351-2)

Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg