Ärzte sind in der Lage, einen gebrochenen Knochen zu identifizieren, einen Tumor zu erkennen oder ein Baby im Mutterleib zu beobachten - und das alles auf eine für die Patienten nicht invasive Weise. Wie weit können wir in den menschlichen Körper hineinschauen? Der Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt sich ständig weiter, um immer genauere Bilder zu erhalten und kleinere Anomalien zu erkennen. Professor Dimitri Van De Ville sieht zwei Trends in der Magnetresonanztomographie (MRT). "Ein erster Forschungsbereich entwickelt Maschinen mit einem stärkeren Magnetfeld, um kleinere Anomalien wie Mikroverletzungen oder Krebszellen in einem frühen Entwicklungsstadium zu erkennen", erklärt der Leiter des Labors für medizinische Bildverarbeitung an der EPFL.
Die gängigsten MRT-Geräte in Krankenhäusern verfügen über ein Magnetfeld von 1,5 oder 3 Tesla. Wissenschaftler des Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives in der Nähe von Paris haben dagegen das weltweit stärkste Gerät entwickelt, bei dem das Magnetfeld 11,7 Tesla erreicht.
Auf Seiten der EPFL arbeiten die Wissenschaftler mit einer eigenen Maschine, die sich im Centre d’imagerie biomédicale (CIBM) befindet und 7 Tesla anzeigt. Diese Art von Hochleistungsmaschine ermöglicht es, menschliche Gehirne in vivo nach neuronalen Schichten zu kartografieren. "Friedhelm Hummel, Professor und Inhaber des Defitech-Lehrstuhls für klinische Neuroengineering-Forschung und Mensch-Maschine-Interaktion am Neuro-X-Institut, erklärt: "Auf diese Weise können wir die Strukturen des Gehirns besser verstehen, denn bis heute ist nicht klar, was sie wirklich darstellen.
Der zweite Trend besteht darin, das Magnetfeld auf deutlich unter 1,5 Tesla zu reduzieren, ohne den Informationsgehalt des Diagnosebildes zu beeinträchtigen, um billigere Geräte herzustellen, die leichter zu transportieren und zu installieren sind, insbesondere in Entwicklungsländern. "Dies wird durch Fortschritte in der Technologie ermöglicht, wie z. B. bei Sensoren, Geräten oder der Datenverarbeitung, die zum Teil an der EPFL stattfinden", erklärt Dimitri Van De Ville.
Je höher wir im Magnetfeld aufsteigen, desto feinere und subtilere Informationssignale messen wir.
Jean-Philippe Thiran, Professor und Direktor des Labors für Signalverarbeitung
Ultraschall rückt wieder in den Vordergrund
Die Ultraschalltechnologie, mit der unter anderem Ultraschalluntersuchungen durchgeführt werden, hat sich seit ihrer Erfindung nur geringfügig weiterentwickelt. "Man nutzt Ultraschall, um eine Bewegung zu beobachten, wie den Herzschlag oder ein sich bewegendes Baby", veranschaulicht Jean-Philippe Thiran.Seit etwa zehn Jahren erlebt der Ultraschall jedoch eine Renaissance dank der Möglichkeit, Berechnungen in Echtzeit durchzuführen. "Die modernsten Geräte sind mit extrem leistungsfähigen Rechnern ausgestattet, die große Datenmengen in Echtzeit verarbeiten können. Wir können nun die physikalischen Eigenschaften von Stoffen, wie z. B. die Elastizität, erkennen. Das ist nützlich, um Lebererkrankungen wie Zirrhose zu erkennen", erklärt der Professor.
Hinzu kommt die Verbesserung der Geschwindigkeit. Ultraschallgeräte sind in der Lage, zwischen 30 und 40 Bilder pro Sekunde zu erzeugen. Dank der höheren Rechenleistung wird die Ärzteschaft in naher Zukunft von Geräten profitieren, die zwischen 1000 und 2000 Bilder pro Sekunde erzeugen. "Damit wird es möglich sein, dynamische Prozesse wie den Blutfluss zu messen, insbesondere im Bereich der Gehirnbildgebung", sagt Jean-Philippe Thiran.
Die Revolution der künstlichen Intelligenz
Die medizinische Bildgebung der Zukunft wird auch mithilfe von künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen, Datenverarbeitung und Algorithmen erfolgen - Elemente, die heute nicht mehr wegzudenken sind. "Die KI revolutioniert die Praxis, da sie die Verknüpfung von Informationen aus mehreren medizinischen Modalitäten ermöglichen wird. Bald werden Ärzte die Ergebnisse einer Kernspintomographie mit denen eines Röntgenbildes oder sogar mit Arztberichten kombinieren können, um sich ein umfassendes Bild von einer Erkrankung oder einem Organ zu machen", erklärt Dimitri Van De Ville.Er stellt sich ein interaktives Tool vor, dem Spezialisten Fragen stellen, um Vorhersagen zu treffen. "Künstliche Intelligenz segmentiert bereits Bilder und erkennt Anomalien, aber das wird noch weiter gehen und mächtiger werden", fährt er fort, der an der Modellierung des menschlichen Gehirns forscht. "Wir werden bald von computergestützter oder berechnender medizinischer Bildgebung sprechen. Das Ziel dieser technischen Entwicklungen bleibt das bessere Verständnis der menschlichen Organe und die Erkennung von Krankheiten", fügt Jean-Philippe Thiran hinzu.
Der auf Ultraschall spezialisierte Professor weist jedoch auf die Grenzen dieser Fortschritte hin. "Die künstliche Intelligenz muss anhand von Modellen, die wir beherrschen, trainiert werden, damit sie korrekte Bilder und Vorhersagen erstellt. Andernfalls kann sie Halluzinationen erzeugen", warnt Jean-Philippe Thiran. Die KI muss also große Datenmengen und robuste Algorithmen verarbeiten, um sich als optimal zu erweisen.
Friedhelm Hummel wirft seinerseits ethische Fragen auf, die mit dem Einsatz künstlicher Intelligenz verbunden sind. "Wenn die medizinische Bildgebung der Zukunft eine Erkrankung wie die Alzheimer-Krankheit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Jahre vor ihrem klinischen Auftreten vorhersagen kann, müssen wir dann - und wie - diese Vorhersage dem Patienten mitteilen, ohne sicher sein zu können, dass sie eintritt, zumal es bis heute keine Behandlung gibt", fragt er. Wie jeder technologische Fortschritt muss auch dieser mit wichtigen moralischen Fragen einhergehen, zumal er die Individualität des Einzelnen berührt.
