Forschende der Empa in St. Gallen haben in Zusammenarbeit mit TI Solutions AG eine bahnbrechende Innovation für die medizinische Bildgebung entwickelt. Sie stellten Polymerkabel her, die sicher in MRT-Geräten verwendet werden können. Diese Neuentwicklung löst ein langjähriges Problem der Medizintechnik, da herkömmliche Metallkabel im starken Magnetfeld des MRT Störungen verursachen und sich gefährlich erhitzen können.
Wichtige Erkenntnisse
- Empa und TI Solutions entwickeln MRT-kompatible Polymerkabel.
- Die neuen Kabel verhindern Erhitzung und Bildstörungen im MRT.
- Sie ermöglichen die Kombination von MRT mit EEG und Hirnstimulation.
- Die Technologie nutzt Polymerfasern mit hauchdünner Silber-Titan-Beschichtung.
- Die Herstellung ist industriell skalierbar mittels Magnetronsputtern.
Ein Problem der modernen Diagnostik
Die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, ist ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Medizin. Sie liefert detaillierte Bilder von Geweben und Organen. So lassen sich selbst kleinste Verletzungen, Entzündungen und Tumore präzise erkennen. Das Verfahren basiert auf starken Magnetfeldern und Radiowellen. Dies birgt jedoch eine grosse Herausforderung: Metallische Gegenstände können im MRT-Gerät problematisch sein.
Herkömmliche Metallkabel, wie sie für Elektroden bei kombinierten Untersuchungen benötigt werden, können sich im starken Magnetfeld der MRT-Geräte stark erhitzen. Dies führt zu Verbrennungen bei Patienten. Zudem stören sie die Bildgebung erheblich. Gerade bei der Kombination von MRT mit anderen Verfahren wie Elektrokardiogramm (EKG) oder Elektroenzephalogramm (EEG) war dies bisher eine Grenze. Patienten müssen dafür zusätzliche Elektroden tragen, die über Kabel mit Messgeräten verbunden sind.
Faktencheck MRT
- MRT nutzt starke Magnetfelder und Radiowellen.
- Metall kann sich im MRT erhitzen und die Bildqualität stören.
- Kombinierte Verfahren wie MRT mit EEG waren bisher nur eingeschränkt möglich.
Die innovative Lösung aus St. Gallen
Im Empa-Labor «Advanced Fibers» in St. Gallen, unter der Leitung von Dirk Hegemann, forschten Wissenschaftler an einer Lösung. Zusammen mit der TI Solutions AG entwickelten sie Elektrodenkabel, die hauptsächlich aus Kunststoff bestehen. Dies ist ein entscheidender Schritt. Anstelle von Kupferdrähten verwenden sie Bündel aus Polymerfasern, die mit einer extrem dünnen Metallschicht überzogen sind.
«Unser Ziel war es, ein Kabel mit einer sehr geringen, aber genau definierten metallischen Leitfähigkeit zu entwickeln», erklärt Dirk Hegemann. «Die Leitfähigkeit muss gross genug sein, um das Signal zu übertragen, aber nicht so gross, dass es zu einer Interaktion mit den Radiowellen kommt.»
Diese präzise Kontrolle der Leitfähigkeit ist der Schlüssel. Sie ermöglicht die sichere Signalübertragung, ohne die MRT-Bilder zu beeinträchtigen oder eine Erhitzung zu verursachen. Das Innosuisse-Projekt, das diese Entwicklung ermöglichte, wurde erfolgreich abgeschlossen.
Robuste Materialien für den medizinischen Einsatz
Die Entwicklung der neuen Kabel stellte hohe Anforderungen an die Materialwissenschaftler. Neben der vordefinierten elektrischen Leitfähigkeit mussten die Kunststoffkabel auch robust und langlebig sein. Sie mussten Korrosion widerstehen und mechanischen Belastungen standhalten, wie sie beim regelmässigen An- und Abstecken entstehen.
Die Forschenden testeten etwa ein Dutzend verschiedene Beschichtungen. Sie experimentierten mit verschiedenen Materialien und Techniken. Eine Kombination aus Silber und Titan erwies sich als die beste Lösung. Silber ist bekannt für seine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Titan hingegen reduziert die Leitfähigkeit auf das gewünschte Mass und stabilisiert die Beschichtung zusätzlich gegen Korrosion. Die hauchdünne Beschichtung ist weniger als einen halben Mikrometer dick.
Hintergrund TI Solutions AG
Die TI Solutions AG ist spezialisiert auf die Entwicklung von Elektroden für die Stimulation und Messung von Hirnströmen. Ihre Expertise in der Hirnstimulation mittels temporaler Interferenz-Stimulation (TI) und EEG war entscheidend für den Erfolg dieses Projekts.
Industrielle Produktion und Zukunftsperspektiven
Die Beschichtung der Polymerfasern erfolgt mittels Magnetronsputtern. Dieses Verfahren ist etabliert und lässt sich industriell im sogenannten Rolle-zu-Rolle-Prozess anwenden. Die Empa-Forschenden haben bereits rund einen Kilometer beschichteter Fasern für erste Kabel hergestellt. Dies zeigt das Potenzial für eine grossflächige Produktion.
Sven Kühn, Forschungsleiter bei TI Solutions, betont die Bedeutung der neuen Kabel: «Mit den ‹MRIComplead›, den im Empa-Labor entwickelten MRT-kompatiblen Kabeln, haben unsere medizinischen Forschungspartner zum ersten Mal die Möglichkeit, die Wirkung von TI im Hirn mittels MRT sicher und störungsfrei sichtbar zu machen.»
Die Zusammenarbeit zwischen Empa und TI Solutions bleibt auch nach Abschluss des Innosuisse-Projekts eng. Niels Kuster, Präsident der TI Solutions AG, lobt die effiziente Unterstützung der Empa in der Nullserienphase. Sollten sich die Kunststoffkabel in den ersten praktischen Einsätzen bewähren, steht der industriellen Produktion nichts mehr im Wege. Dies könnte die Diagnostik und Therapie in der Neurologie und Kardiologie revolutionieren.
- Technologie: Polymerfasern mit Silber-Titan-Beschichtung
- Dicke der Beschichtung: Weniger als 0.5 Mikrometer
- Herstellungsverfahren: Magnetronsputtern (industriell skalierbar)
- Erste Produktion: Rund 1 Kilometer beschichteter Fasern
Langzeittests und Stabilität
Die Forschenden haben die ersten beschichteten Kunststoffkabel bereits über ein Jahr lang getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ihre Leitfähigkeit über diesen Zeitraum kaum verändert hat. Diese Langzeitstabilität ist entscheidend für den Einsatz in der medizinischen Forschung und Praxis. Sie garantiert die Zuverlässigkeit der Messergebnisse und die Sicherheit der Patienten.
Die Möglichkeit, MRT mit EEG oder TI-Stimulation zu kombinieren, eröffnet neue Wege in der Hirnforschung und bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen. Ärzte könnten so beispielsweise die Auswirkungen einer Hirnstimulation direkt im MRT beobachten und optimieren. Dies wäre ein grosser Fortschritt für personalisierte Therapien.
