Forschungscampus

Modularer CT : Die Blackbox wird geöffnet

Wissenschaftler und Unternehmen aus Magdeburg machen sich daran, einen modularen Computertomografen (CT) zu entwerfen. In dem dreijährigen Projekt „KIDs-CT“ soll aus der „Konfektionsware“ CT ein konfigurierbares und interfaceoffenes System entstehen. Das soll die Dosis an Röntgenstrahlen reduzieren und eine Kombination von Bildgebungsverfahren erlauben. Die Wissenschaftler des Forschungscampus STIMULATE nutzen lokale Kooperationen, um einen globalen Markt zu verändern.

Eine Patientin mit dunklen Haaren wird mit einer Liege in ein Gerät gefahren, dass wie ein großer Ring geformt ist.
Ein Computertomograf (CT) ist nicht nur für Laien eine Blackbox. Bislang können auch Mediziner, die den Aufbau eines CT sehr genau kennen, nichts an dessen Aufbau ändern. Wenn ein CT ausgeliefert wird, ist es ein geschlossenes System. Das wollen Forscher und Entwickler aus Magdeburg ändern, um Innovationen zu beschleunigen.

Aus Sicht eines Patienten ist ein CT eine Blackbox oder genauer: ein grauer Ring. Im Gegensatz zu einem Magnetresonanztomografen dringen aus dem Inneren nicht mal klopfende oder schnarrende Geräusche während der Behandlung. „Konventionelle Computertomografen, die an Kliniken und Forschungseinrichtungen verkauft werden, sind geschlossene Systeme, sozusagen Konfektionsware“, sagt Professor Georg Rose, Direktor des Instituts für Medizintechnik an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg.

Einmal ausgeliefert sind CT in ihrer Funktion und Anwendung für Ärzte oder auch Forscher nicht mehr veränderbar. „Die Hersteller haben bislang die vollständige Kontrolle über die Systeme. Die Forschung erhält nur sehr eingeschränkt Zugang zur CT-Entwicklung, weil Software- und Hardware-Schnittstellen nicht preisgegeben werden“, sagt Rose. Ein CT ist in gewisser Weise also auch für die Experten eine Blackbox: Das verhindert Innovationen.

Interesse an offenen Schnittstellen hält sich in Grenzen

Genau das soll sich jetzt ändern. Ziel von Professor Rose, dem Koordinator des Magdeburger Konsortiums, ist es, einen aus austauschbaren Modulen aufgebauten CT zu konstruieren. Das soll neue Maßstäbe in Forschung und Lehre setzen, aber auch die medizinischen Einsatzmöglichkeiten von CT erweitern. Bisher wird die Computertomografie für die Diagnose von Kindern und Jugendlichen in Deutschland kaum eingesetzt. Zu hoch ist die Strahlenbelastung, die durch die Röntgenquelle im CT verursacht wird.

„Ein MRT ist kein vollständiger Ersatz für ein CT. Es sind eher sich ergänzende Verfahren, die ihre jeweiligen Vorteile haben. Während im MRT Weichteile präziser angezeigt werden, ist das CT für Aufnahmen von Knochen, Blutgefäßen, Lunge und insbesondere bei Schwerstverletzten besonders geeignet“. Mit kurzen Einsatz- und Scanzeiten und der Möglichkeit, auch Patienten mit Implantaten zu behandeln, hat die Computertomografie Vorteile gegenüber der Magnetresonanztomografie, aber eben auch einen entscheidenden Nachteil: die Strahlung.

Durch die Öffnung des Systems soll an verschiedenen Stellschrauben gedreht werden, um die Dosis der Röntgenstrahlung zu reduzieren. Einerseits können durch die Austauschbarkeit von Modulen verbesserte Röntgenröhren und -detektoren eingebaut werden, andererseits wollen die Wissenschaftler Sensoren und Zusatzgeräte anschließen können, die dabei helfen, die Aufnahmen möglichst effizient zu machen: „Da wäre es zum Beispiel wünschenswert, eine Kamera anzuschließen, die beobachtet, ob das Kind unruhig liegt oder zappelt und diese Information ad hoc an das CT weiter gibt. Dadurch könnten Bildstörungen korrigiert werden, ohne dass zusätzliche Aufnahmen gemacht werden müssen“, sagt Rose, der gleichzeitig Sprecher des Magdeburger Forschungscampus STIMULATE ist.

Interdisziplinäres Team aus Wissenschaft und Wirtschaft

Der Forschungscampus STIMULATE wird seit 2013 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ gefördert. Lokale Kooperationen aus Wissenschaft und Wirtschaft sollen vorangebracht werden – mit dem Ziel, Kompetenzen zu bündeln und einen wissenschaftlichen Schwerpunkt zu etablieren. KIDs-CT ist ein Leuchtturm-Projekt des Campus und wird mit 4,4 Millionen Euro vom BMBF gefördert.

Genau wie das künftige CT ist auch die junge Forschungsgruppe modular aufgebaut. An der Entwicklung des neuartigen Computertomografen zur Behandlung von Kindern sind Wissenschaftler aus unterschiedlichen Disziplinen beteiligt. Sie kommen aus den Fakultäten Elektrotechnik und Informationstechnik, Maschinenbau und Medizin der Universität Magdeburg, zudem aus den Magdeburger Unternehmen metraTec und Dornheim Medical Images.

Der Öffentlichkeit haben sie sich zum ersten Mal am 1. Februar beim Kick-off des Projektes gezeigt, in der Experimentellen Fabrik auf dem Nordcampus der Universität Magdeburg. Die Experimentelle Fabrik ist das Zuhause des Forschungscampus STIMULATE. Hier ist alles unter einem Dach: Die Labore und Arbeitsräume sind dort untergebracht, medizinische Geräte zu Forschungszwecken und am 1. Februar wurde ein erstes Modell des neuen KIDs-CT gezeigt.

Innovationen in allen Bereichen

„Das Modell hier wurde bislang am Flughafen für die Sicherheitskontrolle des Gepäcks benutzt“, sagt Thomas Hoffmann, der in dem Projekt mit einem Kollegen für die mechanische Umsetzung, Steuerung und Regelung des KIDs-CT verantwortlich ist. Jetzt kann Hoffmann an dem Modell den Aufbau erklären: „Das Gerüst des CT besteht aus einer Schweißkonstruktion, die Stator genannt wird. Darin sitzen ein Motor und die Motorsteuerung. Der Motor treibt den Rotor mit dem Röntgensystem an. Das Röntgensystem besteht aus der Röntgenröhre, dem Generator, dem Kühlsystem und dem Detektor.“ Die Signale zur Bilderzeugung würden über Schleifringe an Kontakte weitergeleitet. Darüber können die Bildinformationen ausgelesen werden, erklärt Hoffmann.

Alles weitere, wie die Liege oder ein integrierter Ultraschall, sei die Peripherie, so der Ingenieur: „Interface-Offenheit bedeutet, dass wir unser System möglichst auf die einzelnen Module herunterbrechen wollen. Dies bietet die Grundlage zur einfachen Integration weiterer bildgebungsunterstützender Sensorik“, so Hoffmann. Innovationen sollen für alle Bereiche und Module des CT möglich sein.

Unter anderem auch für die Kommunikation und Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren. Dafür sind im Verbundprojekt Spezialisten zuständig: „Wir sind Experten im Bereich der Bildverarbeitung und Visualisierung – mit Fokus auf die medizinische Analyse mehrdimensionaler Daten“, sagt Kerstin Kellermann von Dornheim Medical Images. In dem Projekt KIDs-CT gehe es darum, „verschiedene Bildmodalitäten zu kombinieren und dadurch die Vorteile der jeweiligen Informationen auszunutzen.“ Wenn die Daten aus Ultraschalluntersuchungen, hyperspektraler Bildgebung und anderen Verfahren integriert werden könnten, würden durch die zusätzlich gewonnen Bildinformationen mehr Rückschlüsse für Diagnostik, Therapieplanung und Verlaufsuntersuchung gewonnen. Zudem könne auch „der Informationsverlust durch die bei einer geringeren Strahlung reduzierte Bildauflösung ausgeglichen werden“, so Kellermann.

Alles neu: Hard- und Softwareanpassungen des CT

Um die verschiedenen Geräte aufeinander abzustimmen, muss die entsprechende Hardware im Untersuchungsraum vorhanden sein. „Wir brauchen ein Trackingsystem, welches die verschiedenen Module erfasst und miteinander verortet, damit die Bildinformationen zueinander passen. Da geht es vor allem um Position und Ausrichtung der unterschiedlichen Module zueinander und zum Patienten“, sagt Kellermann. An einer ersten Version der Software, die die Bildinformationen in interaktiven 3D-Visualisierungen kombiniert und für die Mediziner oder Forscher aufbereitet, hat Dornheim Medical Images schon gearbeitet. „Wir haben jetzt schon einen ersten Web-Viewer, der sich später auch für telemedizinische Ansätze eignen wird. So können sich Ärzte verschiedener Fachrichtungen zeitnah und unkompliziert über die verschiedenen 2D- und 3D-Darstellungen austauschen oder einen Experten hinzuziehen“, so Kellermann.

Die Tatsache, dass am Forschungscampus STIMULATE keiner bei null anfängt, sondern vorhandene Kompetenzen gebündelt und weiterentwickelt werden, ist der Erfolgsgarant in Magdeburg – das hat der Erfolg bei anderen Projekten bereits gezeigt.

Offene Standards für schnellere Innovationszyklen

Im Verbund aus Wirtschaft und Wissenschaft engagiert sich die Firma metraTec für die Offenheit der Systemschnittstellen: „Wir wollen nachvollziehen und verbessern, wie die Daten vom CT transferiert werden. Die Hersteller sind in diesem Bereich fast schon geheimniskrämerisch und vor allem nicht besonders modern“, sagt Klaas Dannen von der Firma metraTec.

Ein Entwicklungszyklus bei größeren Herstellern dauere zehn bis 15 Jahre. Ein modulares CT erlaube es, schnellere Entwicklungszyklen zu erreichen, weil Innovationen an einzelnen Modulen wesentlich schneller umzusetzen seien, als ein Gesamtsystem zu erneuern: „Wir wollen unsere Spezifikation als offenen Standard gestalten. Das Ziel ist, dass auch andere Firmen einzelne Segmente austauschen können. Irgendwann kauft man sich möglicherweise ein KIDs-CT und baut eine spezielle Röntgenröhre oder spezielle Detektoren ein“, sagt Dannen. Professor Thilo Pionteck vom Lehrstuhl für Hardware-nahe Technische Informatik der Universität Magdeburg arbeitet zusammen mit dem Unternehmen metraTec daran, die enormen Datenmengen, die von dem um den Patienten rotierenden Detektor generiert werden, in Echtzeit nach außen zu übertragen.

Und last but not least will das Team um den Juniorprofessor und Maschinenbauer Elmar Woschke mittels einer Simulationssoftware im Vorfeld die kritischen Schwingungen minimieren, um präzise Bilder zu erhalten. Nach der Entwicklung des Prototyps soll die neue Technologie in einer Ausgründung münden, so Medizintechniker Rose. „Damit wollen wir einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung medizintechnischer Hightech-Campus gehen, auf dem Wissenschaft und Wirtschaft quasi Tür an Tür sitzen und eng zusammenarbeiten.“

Mehr im Internet:

Homepage des Forschungscampus STIMULATE

 

©Medizintechnologie.de

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