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Wissenschaft

Schnelle MRT-Scans

Wie ein Mathematiker kranken Kindern hilft

30 Minuten stillhalten: Eine MRT-Untersuchung im Krankenhaus dauert gerade für kleine Kinder zu lange. Doch Mathematiker haben eine Methode entwickelt, die solche Scans für ungeduldige Patienten radikal verkürzt.

privat

Statistik-Profi David Donoho

Aus Rio de Janeiro berichtet
Mittwoch, 08.08.2018   10:08 Uhr

Wenn Ärzte genauer in den Körper eines Menschen hineinschauen wollen, schieben sie ihn in die Röhre. Der riesige Apparat erzeugt mit supraleitenden Spulen gigantische Magnetfelder, die unglaubliche Aufnahmen ermöglichen. Ein Bandscheibenvorfall, ein winziger Tumor, eine schwächelnde Herzklappe - nichts bleibt der Maschine verborgen.

Doch die Untersuchung ist für viele Patienten unangenehm: Der Apparat ist extrem laut und sie müssen teils 30 Minuten oder länger in der engen Röhre liegen, ohne sich zu bewegen. Das ist vor allem für kleine Kinder kaum möglich.

Doch die langen Scanzeiten lassen sich drastisch verkürzen, wenn die MRT-Scanner eine Methode zu Datenauswertung benutzen, die Mathematiker vor etwa zehn Jahren entwickelt haben. Sie heißt "Compressed Sensing" - und gerade erst hat der Stanford-Forscher David Donoho für deren Entwicklung den renommierten Carl-Friedrich-Gauß-Preis verliehen bekommen - auf dem weltgrößten Mathematikkongress in Rio des Janeiro.

AP

Magnetresonanztomografie (MRT)

Donoho ist ein freundlicher Kalifornier, Ende 50, der den Triumph still genießt: "Wir konnten vor zehn Jahren zeigen, dass man mit einer intelligenteren Datenauswertung aus weniger Messungen ein gleich gutes Bild berechnen kann", erzählt er. "Das war ein mathematischer Beweis, aber nicht alle haben geglaubt, dass es wirklich funktioniert."

Zum Glück habe Terence Tao, 2006 Gewinner der Fields-Medaille, parallel einen ganz ähnlichen Beweis veröffentlicht. "Das hat geholfen, dass das Ganze ernst genommen wird."

"Mein Sohn musste dann manchmal Schädel ohne MRT öffnen"

Untersuchungen könnten nun 8 bis 16 Mal schneller sein, berichtet der Mathematiker. 2017 seien die ersten Scanner mit der neuen Methode zugelassen worden. Inzwischen hätten alle drei großen MRT-Hersteller Geräte damit ausgerüstet - erste Scanner stehen bereits in Krankenhäusern.

Es gab auch eine sehr persönliche Motivation für die Arbeit: "Mein Sohn arbeitet als Hirnchirurg in einem großen Krankenhaus in Los Angeles", erzählt Donoho. Immer wieder wurden Opfer von Autounfällen und Schießereien eingeliefert, oft fehlten Geld oder die Zeit für einen Hirnscan. "Mein Sohn musste dann manchmal Schädel ohne MRT öffnen. Oder er hatte nur wenige 2D-Schichtaufnahmen statt eines 3D-Scans. "Die Scans müssen schneller gehen", habe er immer wieder von seinem Sohn zu hören bekommen.

DPA

MRT-Schichtaufnahmen eines Gehirns

Das ist nun tatsächlich gelungen: "Eine Untersuchung, die früher zehn Minuten gedauert hat, ist nun schon nach einer Minute fertig."

Kürzere Untersuchungen seien für Patienten nicht nur angenehmer, es könnten dann auch mehr Scans pro Tagdurchgeführt werden, die Kosten pro Patient sinken.

Dank der neuen Methode könne man endlich auch Videos eines schlagenden Herzen aufnehmen, so Donoho. Bislang sei das praktisch unmöglich gewesen. Patienten hätten sechs Minuten lang die Luft anhalten müssen - kaum zu schaffen. Nun liege die Scanzeit bei 16 Sekunden, so lange könnten viele Patienten problemlos das Atmen unterbrechen.

"Das gesamte Bild quasi spüren"

MRT-Scanner nutzen seit jeher komplexe Algorithmen, um aus vielen Einzelmessungen quasi ein Bild auszurechnen. Donoho erklärt das Prinzip seiner Methode an einem Beispiel: "Stellen Sie sich vor, sie wollen eine Aufnahme aus 1000 mal 1000 Pixeln machen - das sind eine Million Pixel. Dafür brauchen Sie normalerweise eine Million Einzelmessungen, für jeden Pixel eine. Mit unserer Methode reichen 100.000 Messungen." Das daraus errechnete Bild sei genauso gut wie jenes, das auf einer Million Messungen fußt.

"Letztlich spüren wir bei der Messung jedes einzelnen Pixels quasi das gesamte Bild", erklärt Donoho. Diese zusätzliche Information, die wie zufälliges Rauschen aussehe, lasse sich durch die neue Methode nutzen, um weitere Pixel zu rekonstruieren. Außerdem nutze man schnelle Bildkompression und weitere Optimierungsverfahren. All das zusammen mache "Compressed Sensing" - frei übersetzt "komprimiertes Wahrnehmen" - möglich.

Fields-Medaille 2018

Dass nun gleich alle drei großen MRT-Hersteller das mathematische Verfahren nutzen und damit Geld verdienen, während Donoho eine mit 10.000 Euro dotierte Gauß-Medaille bekommt - damit hat der Kalifornier kein Problem.

"Wir geben die Lizenzen zur Nutzung unserer Algorithmen für relativ wenig Geld heraus", sagt der Stanford-Forscher. Ihm sei wichtiger, dass nicht ein Hersteller ein Monopol für die Technologie habe. "Außerdem mussten die Ingenieure und Informatiker der Hersteller noch jede Menge Arbeit leisten, um das theoretische Konzept in die Praxis umzusetzen."

Donoho freut sich vor allem darüber, wie schnell die mathematischen Arbeiten von Terence Tao und ihm in der Praxis angewendet werden. Das ist auch ein großer Unterschied zur sogenannten reinen Mathematik, die beispielsweise auch der deutsche Fields-Medaillist Peter Scholze betreibt. Scholze kann Laien kaum erklären, was er macht. Bei Donoho ist die Mathematik zwar auch kompliziert, aber der Nutzen offensichtlich.

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