Medizinische Bildgebung – globalisiert
Open-Source-Projekt eines Postdoktoranden am MDC soll MRT weltweit verfügbar und bezahlbar machen.
Dr. Lukas Winter, Postdoktorand im Labor von Prof. Thoralf Niendorf, hat eine Vision. Winter ist Experte für magnetische Resonanztomographie (MRT) – ein Verfahren, mit dem Ärzte und Wissenschaftler ganz ohne invasive chirurgische Eingriffe innere Organe und Gewebe von Patienten betrachten können. Zurzeit wirbt er innerhalb der MRT-Community für ein „Open-Source“-Projekt zum Bau von Geräten, die erschwinglich und für Menschen in aller Welt zugänglich sind.
Winters Arbeit in der Arbeitsgruppe Niendorf konzentriert sich auf die so genannten Ultrahochfeld-MRT-Geräte, bei denen riesige supraleitende Magnete zum Einsatz kommen, die in extrem kaltem flüssigem Helium liegen. Die in den Kliniken der Industrieländer üblichen Geräte sind etwas kleiner, jedoch sehr teuer in Hinblick auf Anschaffung und Unterhalt. Daher sind MRT-Geräte zum Nachteil der Patienten in weniger wohlhabenden Ländern nicht oder nur sehr selten verfügbar.
Während seiner Doktorarbeit im Labor von Prof. Niendorf kam Winter die Idee, wie durch ein Open-Source-Gerät, das durch weltweite Zusammenarbeit von MRT-Experten entstehen soll, MRT-Geräte einschließlich ihrer Wartung wesentlich kostengünstiger werden könnten. Nach Monaten sorgfältiger Planung präsentierte er im Mai sein Konzept auf einer internationalen MRT-Konferenz in Singapur. Und stieß auf ein begeistertes Echo. Mittlerweile bilden Wissenschaftler Arbeitsgruppen, um die Auslegung und andere Projektbereiche zu bestimmen. Hier im Interview erläutert Dr. Winter seine Idee und die nötigen Schritte, um funktionierende MRT-Geräte für Patienten und Ärzte weltweit bereitzustellen.
MDC: Sie sind Postdoktorand am MDC. Zu welchem Thema forschen Sie?
Dr. Lukas Winter: Ich betreibe Geräte- und Methodenentwicklung im Bereich der Ultrahochfeld-MR bei einer magnetischen Feldstärke von 7 Tesla. Diese Geräte der höchsten Leistungsklasse werden in der Forschung für viele Zwecke benötigt und werden in den nächsten Jahren auch in vielen Kliniken stehen. Allerdings sind sie sehr teuer. Selbst die heute weit verbreiteten Maschinen für die Klinik mit ihren Feldstärken von 1,5 T und 3,0 T sind an vielen Orten der Welt unerschwinglich. Je nach Feldstärke liegen die Anschaffungskosten bei 1 bis 2,5 Millionen Euro und die Wartungs- und Betriebskosten bei fast einer halben Million Euro jährlich.
Das ist wirklich sehr viel. Wie lassen sich diese Gerätekosten Ihrer Meinung nach reduzieren?
Technisch gesehen ist der teuerste Teil eines modernen MRT-Geräts der riesige Elektromagnet, der auch hohe Wartungskosten verursacht. Diese Magneten bestehen aus Supraleitern, die mit kostspieligem Flüssig-Helium gekühlt werden müssen. Sie sind 24 Stunden am Tag eingeschaltet, müssen ständig überwacht werden und brauchen eigene Räume.
Wir planen, eine Reihe kleiner Magneten zu verwenden, die dauerhaft in einer bestimmten Konfiguration montiert sind – diese sind nur ein wenig stärker als Kühlschrankmagnete! Sie brauchen keine externe Stromversorgung und auch kein Helium! Mithilfe dieser Konfiguration erzeugen wir zudem einen magnetischen Feldgradienten, der sich zur Ortskodierung nutzen lässt. So können wir auf einige der klassischen Anforderungen an die Homogenität des Magneten verzichten, und auch auf teure Gradientenverstärker und Gradientenspulen.
Dank der Verwendung solcher Magneten bei geringer Feldstärke von 0,2 Tesla können wir die Materialkosten für einen kompletten MRT Scanner einschließlich Elektronik auf rund 10.000 € senken.
Diese Ultrahochfelder sind also nicht immer nötig?
Genau! Oft muss man nicht mit Kanonen auf Spatzen schießen. MRT mit kleineren Magnetfeldern kann sehr hilfreich bei der Diagnose vieler Krankheitsbilder sein. Natürlich bieten stärkere Magnetfelder höhere Auflösung und Empfindlichkeit, aber bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass die kleineren Magneten auch Vorzüge haben.
Die niederfrequenten Felder sind zum Beispiel viel sicherer. Die Anziehungskraft eines schwächeren Magneten ist geringer und das ist ein Vorteil für Patienten mit Metall- oder Magnetimplantaten. Außerdem besteht ein geringeres Risiko, dass Patienten während des MRT durch magnetische Gegenstände wie Füllfederhalter, Ketten oder Autoschlüssel verletzt werden. Die Geräte werden auch kleiner und leiser sein – sehr wichtig, wenn es um Neugeborene oder Kinder geht. Dank der geringeren Größe wäre es auch denkbar, ein Gerät in eine abgelegene Klinik mitzunehmen – also das Gerät zu den Patienten zu bringen statt umgekehrt. Mit einer großen Anlage ist das unmöglich. Wahrscheinlich gibt es noch viele andere Möglichkeiten, die auszuloten wären.
Sie sagen, die Gerätekosten machen nur einen Teil aus. Wie würden Sie denn die restlichen Kosten der MR-Tomographie reduzieren?
Jim Pipe, Präsident der International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM), hat kürzlich gesagt: „…die gesamten Betriebskosten [eines MRT-Geräts] gliedern sich in vier Bereiche: den Tomographen, die Wartung, das Personal und den ganzen Rest – wie zum Beispiel Stromkosten.“
Mit einem Open-Source-Ansatz lassen sich all diese Bereiche angehen. Das Konzept „Open-Source“ kommt aus der Softwareentwicklung, wo ganze Communities den Quellcode für Programme schreiben und diesen kostenlos für alle zur Verfügung stellen. Genau dieser Ansatz ließe sich auch auf die Medizintechnik übertragen. Weitergabe von Wissen und Zusammenarbeit sind schließlich wissenschaftliche Grundprinzipien. Open-Source-Software und -Hardware gehen etwas weiter als sonst in der Wissenschaft üblich, indem nicht nur Publikationen und Daten zugänglich sind, sondern auch der Code bzw. die Auslegung eines Geräts, sodass Benutzer darauf zugreifen und auch Änderungen vornehmen können.
Die Gerätekosten für den Tomographen lassen sich ebenfalls verringern, durch neue Bauteilentwürfe und die Auslagerung von Forschung und Entwicklung weg von den Herstellern hinein in die Community. Um Wartungskosten zu verringern ist eine sehr effektive, transparente Dokumentation entscheidend. So lassen sich auch Personal oder Studenten schulen, wenn wir die Dokumentation weniger kompliziert machen und von Anfang an den Aspekt Schulung berücksichtigen. Und der „ganze Rest“ wird sich unserer Überzeugung nach aus dem großen Pool an Wissen und Kreativität der Forschungs- und Herstellungsgemeinschaft ergeben. Wir würden MRT-Experten weltweit bitten, ein wenig von ihrer Zeit und Fachkompetenz aufzuwenden und ihre Entwürfe für dieses große gesellschaftliche Ziel frei verfügbar zu machen – was ja eigentlich Kern jeder Forschung ist.
Aber gerade die Dokumentation bei Open-Source-Projekten ist ja oft chaotisch – niemand verbringt gern seine Freizeit mit zwar wichtigem, aber langweiligem Kleinkram.
Stimmt, genau wie in der Forschung. Und trotzdem verbringen Wissenschaftler viel Zeit mit der Dokumentation beim Schreiben von Artikeln und Förderanträgen, oder? Genau das ist der Punkt. Die Währung der Wissenschaft sind Veröffentlichungen und Zitierquoten. Die Editoren und Peer Reviewer der Fachzeitschriften können die Autoren motivieren, ihre Forschung Open Source zu veröffentlichen – also mit Offenlegung sämtlichen Quellcodes oder Hardware-Schaltpläne zur Reproduktion der Ergebnisse – und in einer verständlichen Art und Weise zu dokumentieren. Im Gegenzug erhält man eine Veröffentlichung. Und außerdem können andere Wissenschaftler die Ergebnisse leichter und oft kostengünstiger reproduzieren, was die Forschung beschleunigt, ganz wie bei der Open-Access-Bewegung. Open Source und Wissenschaft sind also ein Traumpaar.
Wenn die Community das Gerät entwirft, wer bestimmt dann, wo es lang geht, gibt es einen Projektleiter oder Hauptentwickler?
Ich koordiniere die Entwicklung des Open-Source-MRT in Buch. Generell wird es aber mehrere Projektleiter oder Entwickler geben, je nach Anwendungsziel und Komplexität. Geht es darum, ein Schulungs- oder Forschungsgerät zu bauen, oder eine Komplettanlage für eine spezifische klinische Fragestellung? Jedes Szenario hat seine eigenen Anforderungen und Vorgaben.
Für eine Einzelperson oder ein Labor ist es schwierig, eine komplette Anlage von Grund auf selbst zu bauen. Aber wenn man den Tomographen in einzelne Module unterteilt, sieht das schon anders aus. Da gibt es Experten für HF-Verstärker, für HF-Spulen, für Gradientenspulen, für Magneten, für Spektrometer usw. Diese Kompetenzen muss man zusammenbringen, die Module transparent gestalten und die Schnittstellen definieren. Durch Zugang zu Informationen kann Kreativität frei werden, das beste Beispiel sind die 3D-Drucker: Wenn die nicht Open-Source wären, gäbe es nicht diese Vielfalt von Anwendungen, vom Drucken von Haushaltsgegenständen bis zu Lebensmitteln, Häusern oder sogar funktionierenden Robotern.
Sobald die Anfangsphase einschließlich technischer Entwicklung und praktischer Erprobung abgeschlossen ist, werden klinische Fragestellungen aufkommen. An diesem Punkt wird das kommerzielle Interesse steigen, was für die Verbreitung der Technologie gut und notwendig ist. Wenn das Gerät nicht mehr nur der Forschung oder als Prototyp dient, sondern zu medizinischen Zwecken eingesetzt wird, müssen Qualität, Verlässlichkeit und Sicherheit für die Zielanwendung sichergestellt werden. Dafür sind häufig Ressourcen aus der Wirtschaft erforderlich. Und da ja die Entwicklung ausgelagert wurde, kann die Investition für die Markteinführung geringer ausfallen. Wenn also eine Nachfrage nach bezahlbaren, tragbaren MRT-Geräten besteht, wovon ich fest überzeugt bin, wird es mehr Wettbewerb geben, und die Preise für Geräte und Wartungsverträge werden sinken.
Bei so einem Gemeinschaftsprojekt wird natürlich die Kommunikation entscheidend sein. Wie lässt sich die Idee, einen Open-Source-MRT zu bauen, praktisch umsetzen?
Einige Freunde und ich haben viel von unserer Freizeit investiert, um OpenSourceImaging.org aufzubauen, eine Schnittstelle für die Zusammenarbeit. Diese Website gehört zur „Open Source Imaging Initiative (OSI²)“an der Wissenschaftler von Charité, Stanford, MIT, MGH, PTB, LUMC, Universität Mainz und TU Berlin mitgearbeitet haben.
Wir haben die Initiative vor einigen Wochen der Community bei der Versammlung der International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) in Singapur, der größten Konferenz zur Magnetresonanztechnologie, vorgestellt. Das Echo war überwältigend! Wir hoffen, die Diskussion am Laufen zu halten und in der Community etwas bewirken zu können.
Soweit ich weiß, wurde dieser Ansatz bisher noch nicht genutzt, um medizinische Geräte dieser Größenordnung zu bauen. Wenn wir das schaffen, könnten wir sogar als Vorbild für andere dienen, die dann viele andere Technologien kostengünstiger herstellen und weltweit verfügbar machen. Dies könnte auch bei einer Reihe weiterer komplexer medizinischer und wissenschaftlicher Fragestellungen funktionieren.
Wie sieht Ihr Zeitplan aus? Wo steht das Projekt zurzeit?
Zurzeit sind wir dabei, einen Prototypen für den Magneten zu bauen und die Elektronik fertigzustellen. Wir hoffen, bis Jahresende ein erstes Signal zu erhalten. Das Ziel für nächstes Jahr ist unser erstes Bild – drücken Sie die Daumen!
Wir stecken derzeit in der praktischen Erprobung und konnten bereits das Interesse von Labors und Forschern weltweit wecken. Wir lassen uns zu rechtlichen und regulatorischen Aspekten und Genehmigungsverfahren beraten und auch zur Kommunikation im Rahmen des Projekts. Prof. Niendorf unterstützt uns sehr, obwohl das Projekt nicht zu den Kernaufgaben des Labors zählt; er hält jedoch unsere Bemühungen für absolut sinnvoll. Ihm ist klar, dass wir als wichtiges Nebenprodukt dieser Art Arbeit zu bedeutenden neuen Forschungserkenntnissen zu dieser Technologie und ihren Anwendungen gelangen werden. Felix Arndt und Dr. Claudia Thurow aus der Rechtsabteilung sowie Dr. Jeanette Libera-Körner aus der Abteilung Technologietransfer haben das Projekt ebenfalls intensiv unterstützt, zum Beispiel durch ihre Hilfe bei der Entwicklung eines Arbeitsablaufs für die Open-Source-Gerätelizenz, die wir nutzen werden, und durch rechtliche Beratung zu Haftungsfragen.
Wir wurden als „Impressive Change Agent” von der Shuttleworth Foundation anerkannt, einer Stiftung zur Förderung sozialer Innovationen für eine offene Wissensgesellschaft, und haben für unser Projekt einen Schnellzuschuss erhalten. Und ich bin seit kurzem Mitglied der Redaktionsleitung von HardwareX, einer neuen Open Access Fachzeitschrift, die Open-Source-Hardware Entwürfe wissenschaftlicher Infrastruktur publiziert und mit dem Open Science Framework verknüpft ist. Es ist also generell viel Schwung in der Sache – aufregend!
Natürlich wird es auch Herausforderungen geben, aber meine Erfahrung mit Forschungsprojekten hat mich gelehrt, dass sich immer eine Lösung findet. Der Bau von MRT-Geräten ist ohne Frage machbar, und die Open-Source-Software-Bewegung ist ja heute unbestreitbar ein Markt mit einem Milliardenumsatz. Der einzig begrenzende Faktor dabei, wie schnell wir unser Ziel erreichen, wird der Umfang an Ressourcen sein, die wir mobilisieren können.
Ich denke, die Zeit ist reif für ein Projekt wie dieses, und alle, mit denen wir darüber gesprochen haben, waren begeistert – wie gesagt, es ist sehr motivierend. Zum Teil entsteht das aus einer echten Notwendigkeit heraus: Statistische Daten der Weltgesundheitsorganisation zeigen, dass sich der Zugang zur MRT gemessen an der Geräteanzahl pro Kopf weltweit um einen Faktor von bis zu 100 oder mehr unterscheidet – in den Ländern, wo es MRT überhaupt gibt. In manchen Teilen der Welt gibt es weder Geräte noch geschultes Personal. Vielerorts herrscht Frustration, weil vorhandene Geräte nicht repariert werden können. Selbst in Industrieländern bestehen große Unterschiede bei der Verfügbarkeit; in Frankreich ist die Wartezeit für einen Termin oft viel länger als ein Monat, und das kann großen Einfluss auf Krankheitsverlauf und Behandlungsmöglichkeiten haben. Wir glauben, dass all diese Probleme lösbar sind.
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Mehr zum Projekt und den Möglichkeiten, sich zu beteiligen unter: www.opensourceimaging.org oder per E-Mail an Lukas.winter@mdc-berlin.de.
Beitragsbild: Katharina Bohm/MDC.
