Als David Brunner im Oktober 2005 seine Doktorarbeit begann, waren die ETH und die Universität Zürich daran, einen neuen MRI-Scanner anzuschaffen – den weltweit vierten mit einer Feldstärke von sieben Tesla. Damit sollten noch bessere, höher aufgelöste Bilder aus dem Körperinnern «geschossen» werden können.

Seither sind über sechs Jahre vergangen, Brunner hat seine Dissertation abgeschlossen. Und für den 7-Tesla-MRI-Scanner ist eine neue Zeit angebrochen, denn der heute 31-jährige hat mit unkonventionellen Ideen einen Paradigmenwechsel bei MRI-Verfahren eingeleitet. Für seine hervorragende Doktorarbeit hat Brunner die Silbermedaille der ETH erhalten. Nun wird er dafür ein weiteres Mal geehrt: mit dem Hans-Eggenberger-Preis 2012.

Brunner studierte an der ETH Zürich Physik und diplomierte in Experimenteller Festkörperphysik bei Klaus Ensslin. Für die Dissertation wechselte er sein Forschungsgebiet. Auf der Suche nach einem Thema stiess er auf die Gruppe von Klaas Prüssmann, die eben im Aufbau begriffen war und sich vornehmlich mit bildgebenden MRI-Verfahren beschäftigte. Der talentierte Forscher erhielt die Aufgabe, sich mit den Problemen der Anregung der Wasserstoffkerne bei hohen magnetischen Feldern auseinanderzusetzen. Brunner nahm die Herausforderung an und erreichte mehr, als ursprünglich geplant.

Neue Taktik gegen blinde Flecken

Die Magnetresonanzspektroskopie und -bildgebung (MRI) basieren darauf, dass Kerne von Wasserstoffatomen zum Schwingen angeregt werden. Das starke Magnetfeld des MRI Tomografen richtet die Kernspins aus, wie dies mit der Kompassnadel im Erdmagnetfeld geschieht. Das Magnetfeld des MRI schwingt exakt in der Resonanzfrequenz der Kerne im statischen Feld. So angeregt, erzeugen die Atomkerne selbst ein schwaches Signal bei derselben Radiofrequenz. Dieses kann gemessen und in MR-Bildern sichtbar gemacht werden.

Um mehr Signale von den Kernen und letztlich bessere Bilder zu erhalten, braucht man höhere magnetische Felder. Je höher aber das Feld ist, desto grösser ist die Frequenz der Radiosignale, welche die Atomkerne anregen und von ihnen empfangen werden. Sobald aber diese Frequenz steigt, wird die Wellenlänge der Radiowellen kürzer. Das Problem daran ist: Ist die Wellenlänge kürzer als das Untersuchungsobjekt gross ist, gibt es Punkte im Objekt, in denen sich die Radiowelle selbst auslöschen kann, und somit dort keine Energie an die Kerne überträgt. Die Kerne werden nicht angeregt und geben folglich kein Signal ab. Das Bild bleibt an dieser Stelle schwarz.

In einem typischen 1,5 Tesla-MRI-Scanner, wie er in vielen Kliniken verwendet wird, ist die Frequenz relativ niedrig. Dadurch ist die Wellenlänge lange genug, sodass für das gesamte Untersuchungsobjekt gute Signale empfangen werden können. Der Nachteil kleiner Feldstärken ist aber ihre geringe Auflösung, weshalb mittlerweile Geräte hergestellt werden, die Magnetfelder von teilweise schon mehr als 7 Tesla erzeugen. Deren Wellenlänge wiederum ist kleiner, sodass im Untersuchungsgegenstand die erwähnten «blinden Flecken» entstehen.

Propagierende Welle löste Problem

Brunners geniale Idee war nun, statt einer stehenden Welle, wie sie in bisherigen Systemen verwendet werden, eine sich ausbreitende, eine sogenannte «propagierende Welle» einzusetzen. Dadurch gibt es nicht zwangsläufig stehende Nullpunkte innerhalb einer Wellenlänge. Dadurch können auch Objekte, die grösser sind als eine Wellenlänge, ohne lokale Signalausfälle abgebildet werden. (vgl. ETH Life vom 18.02.2009)

Brunner musste allerdings erst die Bedingungen erforschen, unter denen sich ausbreitende Wellen überhaupt in einem MRI-Scanner erzeugen lassen. Da sich das Objekt im Magneten befinden muss, muss dessen Durchmesser gross genug sein, damit die Welle sich wie gewünscht fortpflanzen kann. Hier hatte der Forscher auch das Glück auf seiner Seite; die Magnetröhre des Sieben-Tesla-Gerätes ist mit 58 Zentimetern just genug gross, um bei dessen Frequenz als Wellenleiter zu fungieren. Dadurch können sich die Wellen ausbreiten. So konnten die Forscher propagierende Wellen erzeugen, die das Untersuchungsobjekt durchdrangen und die ganze Röhre fast ohne Signalverluste durchliefen. Die Signale wurden schliesslich von einer Antenne empfangen, die Brunner eigens für dieses Verfahren konzipiert hat. «Im Prinzip genügte eine normale Antenne, um die Signale einzufangen», sagt er.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Empfänger für die Signale nicht mehr nah am Körper sein muss, sondern mehrere Meter hinter dem Untersuchungsobjekt platziert werden kann. Das Resultat: Hoch aufgelöste MRI-Scans, die ungewöhnlich gut ausgeleuchtet sind.

Mit ihrer neuen Methode haben Brunner und seine Mitstreiter aus Klaas Prüssmanns Team ein Paradigma der bisherigen MRI-Technik über den Haufen geworfen.

Hans-Eggenberger-Preis

Der Hans-Eggenberger-Preis wird seit 2008 jährlich an junge Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vergeben. Ziel ist, junge Forscherinnen und Forscher auf dem Gebiet der interdisziplinären Anwendung von Elektronik und / oder elektrischer Energietechnik zu fördern. Die Preissumme von 10'000 Franken wird als Auszeichnung für eine hervorragende Bachelor-, Master- oder Promotionsarbeit vergeben. Weiter übernimmt die Stiftung bei der Durchführung eines Folgeprojekts der ausgezeichneten Arbeit an einer Hochschule oder Universität im In- oder Ausland Projektkosten bis zu 100'000 Franken.