Durchbruch bei der Bildgebungsgeschwindigkeit rückt die tragbare Schlaganfalldiagnose näher an die Realität heran

Wenn jemand mit Symptomen eines Schlaganfalls in die Notaufnahme kommt, zählt jede Sekunde. Aber heute erfordert die Diagnose der Art des Schlaganfalls, also der lebenswichtigen Entscheidung zwischen einem Blutgerinnsel und einer Blutung, große, stationäre Geräte wie CT-Scanner, die möglicherweise nicht überall verfügbar sind. In Krankenwagen, ländlichen Kliniken und vielen Krankenhäusern weltweit haben Ärzte oft keine Möglichkeit, diese Feststellung rechtzeitig zu treffen.

Seit Jahren stellen sich Wissenschaftler eine andere Welt vor, in der ein leichtes Mikrowellen-Bildgebungsgerät, nicht größer als ein Fahrradhelm, es Ärzten ermöglichen könnte, ohne Strahlung, ohne einen abgeschirmten Raum und ohne Wartezeit in den Kopf zu schauen. Diese Idee ist nicht weit hergeholt. Mikrowellen-Bildgebungstechnologie existiert bereits und kann Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften von Gewebe erkennen – Veränderungen, die auftreten, wenn Schlaganfall, Schwellung oder Tumore die normale Struktur des Gehirns stören.

Das eigentliche Hindernis war schon immer die Geschwindigkeit.

Die Hardware kann portabel sein. Aber die Berechnungen, die nötig waren, um die rohen Mikrowellendaten in ein tatsächliches Bild umzuwandeln, waren viel zu langsam. Man kann nicht bis zu einer Stunde warten, um zu wissen, ob jemand einen hämorrhagischen Schlaganfall hat.“

Stephen Kim, Forschungsprofessor, Abteilung für Biomedizintechnik, NYU Tandon

Kim, zusammen mit BME Ph.D. Studentin Lara Pinar und Abteilungsleiter Andreas Hielscher glauben, dass die Barriere nun verschwinden könnte. In einer neuen Studie veröffentlicht in IEEE-Transaktionen zur computergestützten Bildgebungbeschreibt das Team einen innovativen Algorithmus, der Mikrowellenbilder zehn- bis 30-mal schneller rekonstruiert als die besten vorhandenen Methoden, ein Sprung, der die Echtzeit-Mikrowellenbildgebung von der Theorie in die Praxis bringen könnte.

Es handelt sich um einen Durchbruch, der nicht durch den Bau neuer Geräte oder die Entwicklung schnellerer Hardware zustande kam, sondern durch ein Überdenken der Mathematik hinter der Bildgebung selbst. Kim erinnert sich, wie sie lange Nächte im Labor verbrachte und zusah, wie Mikrowellen-Rekonstruktionen Bild für Bild voranschritten. „Man konnte fast das Stöhnen des Computers hören“, sagte er. „Es war, als würde man versuchen, einen Felsbrocken bergauf zu schieben. Wir wussten, dass es einen besseren Weg geben musste.“

Der Kern des Problems liegt in der Funktionsweise traditioneller Algorithmen. Sie versuchen immer wieder, die elektrischen Eigenschaften des Gewebes zu „erraten“, prüfen, ob diese Vermutung die gemessenen Mikrowellensignale erklärt, und passen die Vermutung erneut an. Dies ist ein langwieriger Prozess, bei dem große elektromagnetische Gleichungen hunderte Male gelöst werden müssen.

Die neue Methode des Teams geht einen anderen Weg. Anstatt bei jeder Iteration eine vollkommen genaue Zwischenlösung zu fordern, ermöglicht ihr Algorithmus frühzeitig schnelle, unvollständige Näherungen und erhöht die Genauigkeit nur bei Bedarf. Diese Verschiebung, die im Konzept einfach, in der Praxis jedoch wirkungsvoll ist, reduziert die Anzahl aufwändiger Berechnungen drastisch.

Um den Prozess noch effizienter zu gestalten, hat das Team mehrere clevere Tricks integriert: die Verwendung einer kompakten mathematischen Darstellung, um die Größe des Problems zu verkleinern, die Optimierung der Berechnung von Aktualisierungen und die Verwendung eines Modellierungsansatzes, der auch bei komplexen Kopfformen stabil bleibt.

Die Ergebnisse sind frappierend. Rekonstruktionen, die früher fast eine Stunde dauerten, erscheinen jetzt in weniger als 40 Sekunden. In Tests mit realen experimentellen Daten, einschließlich zylindrischer Ziele, die mit einem Mikrowellenscanner der Universität Manitoba abgebildet wurden, lieferte die Methode durchweg hochwertige Ergebnisse in Sekunden statt Minuten.

Für Kim und Hielscher, die seit Jahrzehnten gemeinsam an optischen und Mikrowellen-Bildgebungstechniken arbeiten, fühlt sich die Geschwindigkeitsverbesserung wie ein lang erwarteter Wendepunkt an. „Wir wussten immer, dass die Mikrowellenbildgebung das Potenzial hat, tragbar und erschwinglich zu sein. Aber ohne eine schnelle Rekonstruktion könnte die Technologie den Sprung in echte klinische Anwendungen nicht schaffen“, sagte Hielscher. „Jetzt schließen wir endlich diese Lücke.“

Das Versprechen geht weit über die Schlaganfallerkennung hinaus. Tragbare Mikrowellengeräte könnten eines Tages eine zugängliche Alternative zur Mammographie in ressourcenarmen Umgebungen darstellen, Gehirnschwellungen auf Intensivstationen ohne wiederholte CT-Scans überwachen oder Tumorreaktionen auf eine Therapie durch Beobachtung subtiler Veränderungen in der Gewebezusammensetzung verfolgen.

Das Team konzentriert sich nun darauf, den Algorithmus auf eine vollständige 3D-Bildgebung zu erweitern, ein Schritt, der die Mikrowellentomographie noch näher an den praktischen Einsatz bringen würde. Aber der Schwung ist spürbar. „Wir nehmen eine Technologie, die jahrelang im Labor feststeckte, und geben ihr die Geschwindigkeit, die sie braucht, um klinisch von Bedeutung zu sein“, sagte Kim. „Das ist der Teil, der uns begeistert: die Vorstellung, wie viele Patienten eines Tages davon profitieren könnten.“

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