Sequenzen ohne Grenzen

Wie das Fraunhofer MEVIS die MRT-Entwicklung in die Unabhängigkeit überführt

Magnetresonanztomographie gehört zu den präzisesten und schonendsten bildgebenden Verfahren der modernen Medizin. Die Geräte der großen Hersteller sind technisch hochentwickelt – innerhalb ihrer eigenen, abgeschlossenen Systeme. Wer herstellerübergreifend forschen oder neue Bildgebungsverfahren in die Klinik bringen will, stößt an strukturelle Grenzen. Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS adressiert dieses Problem mit der Softwareplattform gammaSTAR und dem Projekt SpinIt. 

Was passiert, wenn man in der Röhre liegt 

Wer zum ersten Mal in einem MRT-Scanner liegt, nimmt zunächst vor allem die Enge der Röhre und die ungewöhnliche Geräuschkulisse wahr: lautes Klopfen, rhythmisches Hämmern und ein wechselndes Surren erfüllen den Untersuchungsraum. Es geht um Bilder des eigenen Körpers, und doch passiert äußerlich gar nichts. Kein Röntgenstrahl durchdringt das Gewebe, keine Kamera bewegt sich. Nur ein rhythmisches Klopfen, ein wechselndes Surren – und dreißig Minuten, in denen die Maschine mit dem Körper in Dialog tritt.

Was in diesem Dialog passiert, ist eine der elegantesten Anwendungen der Quantenmechanik in der modernen Medizin. Der menschliche Körper besteht zu einem erheblichen Anteil aus Wassermolekülen – und damit aus Wasserstoffprotonen. Diese Protonen besitzen eine quantenmechanische Eigenschaft, die als »Spin« bezeichnet wird: Sie rotieren um ihre eigene Achse. Im Alltag tun sie das chaotisch und ohne erkennbare Ordnung. Sobald sie aber in das starke Magnetfeld eines MRT-Scanners gelangen – ein Feld, das mehrere Tausend Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld –, verändert sich ihr Verhalten grundlegend. Die Spins richten sich entlang der Magnetfeldlinien aus, wie Kompassnadeln, die einem äußeren Feld folgen.  »Im MRT ist das starke Magnetfeld immer da, es wird zwischen Untersuchungen nicht heruntergefahren«, erklärt Dr. Daniel Christopher Hoinkiss, Principal Scientist am Fraunhofer MEVIS. » Es sorgt dafür, dass die Spins im Körper der Patienten ausgerichtet werden und wir sie unmittelbar und gezielt für unsere Bildgebung manipulieren können.«

Diese Manipulation übernimmt eine Radiofrequenzspule. Sie sendet einen präzisen abgestimmten elektromagnetischen Impuls, der die ausgerichteten Spins aus ihrem Gleichgewicht lenkt. Sobald der Impuls endet, kehren die Spins in ihre Ausgangsposition zurück – und genau in diesem Moment liegt der diagnostische Kern des Verfahrens. Wie schnell ein Spin zurückkehrt, ist gewebespezifisch: Muskelgewebe verhält sich anders als Fett, gesundes Gewebe anders als ein Tumor. Diese feinen Unterschiede im sogenannten Relaxationsverhalten erzeugen die charakteristischen Kontraste im MRT-Bild – ohne externe Strahlung, allein aus der eigenen Biophysik des Körpers.

Hätte man nur das Magnetfeld, die Radiofrequenzspule und einen Auslesekanal für das Signal, erhielte man allerdings lediglich einen einzigen Datenpunkt: den Durchschnittswert des gesamten Körpers. Um ein diagnostisch verwertbares Schnittbild zu erzeugen, machen drei voneinander unabhängige Gradientenspulen aus diesem Datenpunkt schließlich ein präzises, aufgelöstes Bild: Sie verändern das Magnetfeld räumlich – in Längs-, Quer- und Tiefenrichtung des Körpers. Mit ihrer Hilfe wird zunächst eine bestimmte Körperschicht selektiv angeregt und innerhalb dieser Schicht kann anschließend jedem einzelnen Bildpunkt eine konkrete Koordinate zugeordnet werden.

Das Zusammenspiel dieser fünf Hardwarekanäle – Radiofrequenzspule, drei Gradientenspulen, Auslesekanal – wird durch einen Programmcode gesteuert: die sogenannte MR-Sequenz. »Die MR-Sequenz ist nichts anderes als der Programmcode, der abläuft und diesen fünf Hardwarekanälen ihre Befehle gibt – in Mikro- bis Millisekundengenauigkeit«. Die Sequenz bestimmt, welche Gewebetypen hervorgehoben werden, wie hoch die räumliche Auflösung ist und wie lange die Messung dauert.

Der Markt als Engpass 

Der weltweite MRT-Markt wird maßgeblich von wenigen großen Unternehmen geprägt. Ihre Geräte sind technisch ausgereift und klinisch bewährt. Das strukturelle Problem entsteht nicht innerhalb dieser Systeme, sondern zwischen ihnen und dem Rest der Forschungswelt.

Jeder Hersteller entwickelt MR-Sequenzen in einer eigenen, proprietären Softwareumgebung, die exakt auf die jeweiligen Geräte abgestimmt ist. Forschende können Sequenzen daher meist nur für Systeme desselben Herstellers entwickeln. Die verschiedenen Umgebungen funktionieren dabei wie eigene Sprachen, die nicht ohne Weiteres miteinander kompatibel sind. Dieselbe klinische Fragestellung – etwa die Darstellung von Hirngewebe – wird auf Geräten verschiedener Hersteller unterschiedlich implementiert. Die resultierenden Bilder mögen dem menschlichen Auge ähneln, aber aus Sicht der zugrundeliegenden Physik sind sie nicht ohne Weiteres vergleichbar. Für Verlaufsuntersuchungen ist das klinisch folgenreich: Wer das Hirnvolumen einer Patientin über Jahre als Marker einer neurodegenerativen Erkrankung beobachten will, ist auf exakt identische physikalische Bedingungen angewiesen. Ein Gerätewechsel oder eine Folgeuntersuchung in einer anderen Klinik kann die Vergleichbarkeit der zugrunde liegenden Daten deutlich erschweren.

Besonders deutlich wurde das Problem während der Vorbereitung einer NAKO-Gesundheitsstudie, in der 30.000 Ganzkörper-MRTs erhoben werden sollten. »Wir haben eine Vorstudie gemacht, in der wir geschaut haben, ob wir bestehende MRT-Installationen unterschiedlicher Hersteller nutzen können«, erinnert sich Hoinkiss. Das Ergebnis: Die Daten ließen sich nicht als einheitlicher Studienpool nutzen. Die unterschiedlichen Systeme lieferten Ergebnisse, die sich klar clusterten, aber nicht miteinander vergleichen ließen. Die Konsequenz: Fünf baugleiche Systeme wurden eigens angeschafft – bei zwei bis drei Millionen Euro pro Gerät ein erheblicher Kostenfaktor.

Die proprietäre Marktstruktur trägt dazu bei, dass Innovationen einen schwierigen Weg aus der Forschung in die klinische Anwendung haben. »Mit wenigen Standardsequenzen lässt sich bereits der überwiegende Teil des Marktes abdecken. Warum sollte ein Hersteller dann noch viel Geld in die verbleibenden Anwendungen investieren?«. Für Universitäten, Forschungsgruppen und Start-ups, die neue Sequenzen entwickeln, gibt es keinen geregelten Weg, diese als eigenständige Medizinprodukte in den Markt zu bringen. Bislang führte der einzige regulierte Weg über die Hersteller selbst – die allerdings oft keine Notwendigkeit sahen, ihn zu beschreiten. »Die Translation von der Forschung ins Produkt findet entweder gar nicht statt oder mit sehr langen Verzögerungen. Das ist eine riesige Lücke zwischen dem Stand der Forschung und dem, was wirklich in den Kliniken ist.«

gammaSTAR: Eine Brücke zwischen Labor, Klinik und Markt 

Die Schließung dieser Lücke steht im Mittelpunkt der Arbeit des Fraunhofer MEVIS. Das Institut versteht sich dabei als Schnittstelle zwischen den verschiedenen Akteuren des MRT-Bereichs und entwickelt Ansätze, die den Austausch zwischen Forschung, klinischer Praxis und Industrie fördern sollen: Forschenden, die Innovationen entwickeln; Kliniken, die sie benötigen; Start-ups, die sie in Produkte übersetzen wollen und Geräteherstellern, die die technische Infrastruktur bereitstellen.

Der erste Baustein dieser Brücke ist gammaSTAR – eine Softwareplattform für die herstellerneutrale Entwicklung, Simulation und Rekonstruktion von MR-Sequenzen. Forschungsgruppen, Universitäten und Start-ups können damit neue Bildgebungsverfahren entwickeln, ohne die proprietären Entwicklungsumgebungen einzelner Gerätehersteller erlernen zu müssen. Entstanden ist die Grundidee am Fraunhofer MEVIS bereits um 2015; bis 2020 wurde im Rahmen einer Fraunhofer-Attract-Förderung ein erster Prototyp entwickelt. Über das Fraunhofer-AHEAD-Programm wurde anschließend die Verwertungsperspektive ausgearbeitet, woraus eine BMBF-Förderung zur Businessmodell-Validierung entstand.

Was gammaSTAR technisch von anderen Ansätzen unterscheidet, ist die Echtzeitfähigkeit. Klassische Sequenzentwicklung funktioniert so: Der gesamte Programmcode wird vollständig vorausberechnet und dann sequenziell an den Scanner übergeben. Bewegt sich der Kopf eines Patienten während der Messung, kann eine vorberechnete Sequenz nicht reagieren. gammaSTAR berechnet die nächsten Hardwareausführungen stattdessen jeweils nur wenige Millisekunden im Voraus – und kann so während der laufenden Messung auf Veränderungen reagieren.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei einer Methode zur Messung des Blutflusses ins Gehirn muss auf den Moment gewartet werden, in dem das Blut tatsächlich angekommen ist – ein Zeitpunkt, der von Patient zu Patient erheblich variiert. gammaSTAR nutzt die ersten Messungen der Untersuchung, um diesen individuellen Zeitpunkt zu bestimmen, und passt die Sequenz entsprechend in Echtzeit an. »gammaStar berechnet meine nächsten Hardwareausführungen nur in einem bestimmten Fenster in die Zukunft und kann so auf ganz unterschiedliche Prozesse reagieren – ob es Bewegung ist, Veränderungen der Physiologie oder individuelle anatomische Besonderheiten«, beschreibt Hoinkiss. Für Bewegungskorrektur-Methoden, mit denen Hoinkiss sich bereits in seiner Doktorarbeit befasste, ist diese Eigenschaft mitunter die wichtigste technische Grundvoraussetzung.

Die Schnittstelle als Fundament: Zusammenarbeit mit Siemens Healthineers 

gammaSTAR schafft die Entwicklungsumgebung – doch damit eine neue Sequenz auf einem klinischen Scanner tatsächlich ausgeführt werden kann, braucht es mehr: eine offene, zertifizierte Schnittstelle auf Seiten des Geräteherstellers, über die Drittanbieter-Software autorisiert auf das System zugreift. Diese Schnittstelle stellt aktuell Hersteller Siemens Healthineers bereit – und bildet damit das verbindende Glied zwischen der Entwicklungsplattform und dem Weg in die klinische Praxis. 

Die Zusammenarbeit entstand aus einer langjährigen Forschungsbeziehung. 2019 stellten beide Seiten einander ihre aktuellen Entwicklungen vor: Fraunhofer MEVIS gammaSTAR als herstellerneutrale Entwicklungsplattform, Siemens ein erstes Konzept für eine offene Ausführungsschnittstelle. »Es war zeitlich einfach passend«, erinnert sich Hoinkiss. »Auf keiner der beiden Seiten war das schon so, dass man dran gedacht hat, dass das jetzt ein großes Businessmodell wird – eher so, dass man sich das angeguckt hat und gesagt hat: Da können wir vielleicht mal weitermachen, zusammen entwickeln und schauen, was man daraus machen kann.« Mehrere Jahre der gemeinsamen Entwicklung und internen Überzeugungsarbeit in unterschiedlichen Unternehmensbereichen später entstand eine formale Partnerschaft – bewusst ohne Exklusivität. 

Diese Nicht-Exklusivität ist strategisch bedeutsam. Das Fraunhofer MEVIS vergibt keine Exklusivrechte an Siemens; die Schnittstelle steht auch anderen Softwareanbietern offen. »Wir erhoffen uns, eine Hebelwirkung auf andere Hersteller«, erklärt Hoinkiss. »Wenn Kliniken sehen, dass Siemens-Systeme mit Drittanbieter-Sequenzen kompatibel sind und dadurch spezialisierte Diagnostik ermöglichen, werden andere Hersteller merken: Kliniken bevorzugen offene Systeme.«  

Das Ziel ist kein geschlossenes Ökosystem mit einem einzigen Hardwarepartner, sondern ein Markt, auf dem mehrere Hersteller zertifizierte Schnittstellen anbieten – und neue Akteure ihre Entwicklungen direkt in die Klinik bringen können. 

SpinIt: Der regulierte Weg vom Labor in die Klinik 

Mit gammaSTAR als Entwicklungsplattform und Siemens als Hardwarepartner ist die technische Grundlage gelegt. Was noch fehlt, ist der regulatorische Weg – und genau den schafft SpinIt. Bislang war die Zulassung einer MR-Sequenz als Medizinprodukt ausschließlich über die großen Gerätehersteller möglich, die eine Sequenz immer nur zusammen mit dem jeweiligen Gerät in den Markt bringen konnten.

SpinIt ermöglicht einen neuen Weg: den standardisierten Zertifizierungsprozess, über den eine auf gammaSTAR entwickelte Sequenz als eigenständiges Medizinprodukt zugelassen und auf kompatiblen Systemen klinisch eingesetzt werden kann – unabhängig vom Gerätehersteller. Das Fraunhofer MEVIS übernimmt dabei die Rolle des Vermittlers: zwischen dem forschenden Entwickler, dem Gerätehersteller, der die technische Schnittstelle bereitstellt, und den Kliniken, die als Pilotkunden validieren.  Die Vision ist ein offen gestalteter Markt für MR-Sequenzen, in dem Innovationen stärker anhand ihrer klinischen Relevanz als anhand herstellerseitiger Priorisierungen bewertet werden.

SpinIt läuft derzeit im Rahmen einer EXIST-Förderung, die in neun Monaten ausläuft. Drei zentrale Meilensteine stehen in dieser Zeit an: die Zusammenarbeit mit Pilotkunden, um das Konzept in der klinischen Praxis zu validieren; der Aufbau des Qualitätsmanagementsystems mit der zugehörigen Dokumentation und die Klärung der Rahmenbedingungen für eine Ausgründung: IP-Transfer, Unternehmensstruktur und Anschlussfinanzierung. Das konkrete Ziel: bis 2028 die erste MR-Sequenz als eigenständiges Medizinprodukt am Markt, getragen von einem ausgegründeten Unternehmen.

Fraunhofer MEVIS engagiert sich als Teil des Fraunhofer-Verbunds IUK-Technologie und der Roadmap „Digitale Gesundheit“ aktiv im Innovationsumfeld der digitalen Medizin. Zudem rückt die Hightech-Agenda Deutschland (HTAD) mit gezielten Fördermaßnahmen insbesondere die Biotechnologie und innovative Medizintechnik in den Fokus. Besonders hervorzuheben ist dabei Ziel 4 der HTAD-Biotechnologie-Roadmap: Die Zertifizierung von Medizinprodukten soll vereinfacht und beschleunigt werden, sodass hochinnovative und sichere Produkte schneller den europäischen Markt erreichen. Damit werden der Zugang zu neuen Entwicklungen erleichtert und der Innovationstransfer aus Forschung und Start-ups nachhaltig gestärkt. Für Fraunhofer MEVIS eröffnen sich dadurch vielfältige Möglichkeiten zur Kooperation mit Industriepartnern, Start-ups und Kliniken. Gerade im Business-to-Business-Bereich entstehen so neue Ansätze für gemeinsame Entwicklungsprojekte, den Technologietransfer und die Erschließung weiterer Märkte entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Ein Markt, der sich öffnen könnte 

Sobald die erste MR-Sequenz als eigenständiges Medizinprodukt zugelassen ist und das Modell klinisch Bestand hat, entsteht ein Präzedenzfall. Für Forschungsgruppen und Start-ups, die ihre Entwicklungen bislang nicht in einen klinischen Kontext überführen konnten. Für Kliniken, die herstellerübergreifend auf ein breiteres Spektrum spezialisierter Bildgebungsverfahren zugreifen können. Und für Patientinnen und Patienten, die von kürzeren Untersuchungszeiten, präziserer Diagnostik und verlässlicheren Verlaufsuntersuchungen profitieren – unabhängig davon, welcher Scanner gerade verfügbar ist.  Der Maßstab für den Erfolg ist daher nicht allein das erste zugelassene Produkt. Entscheidend ist vielmehr, inwieweit neue Innovationen unabhängig von einzelnen Herstellerstrategien entwickelt, bewertet und entsprechend ihrer klinischen Relevanz in die Anwendung überführt werden können.

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