Herzkrankheiten sind die häufigste Todesursache in den westlichen Industrienationen. Ihre möglichst einfache, schonende und preiswerte Diagnostik hat darum größte medizinische Bedeutung. Einen neuen, vielversprechenden Ansatz bietet die Magnetokardiographie. An den Membranen der Muskelzellen eines schlagenden Herzens fließen elektrische Ströme und induzieren dabei schwache Magnetfelder, die ungehindert durch das Körpergewebe nach außen dringen und sich dort nachweisen lassen. Ihre Messung erfordert keinerlei Eingriff in die natürliche Körperfunktion, ist also für den Patienten absolut unschädlich und frei von jeglicher Belastung.

Allerdings sind die magnetischen Herzmuskelsignale extrem schwach: Ihre Intensität beträgt nur einige Millionstel der Stärke des Erdmagnetfeldes. Deshalb erfordert ihr Nachweis eine besondere Art äußerst empfindlicher Sensoren: supraleitende Quanteninterferometer oder kurz SQUIDs (nach englisch superconducting quantum interference devices). Sie enthalten eine Schleife oder Spule aus einem Material, das unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur jeden elektrischen Widerstand verliert. Dieser Supraleiter ist durch (mindestens) ein kurzes nichtleitendes Stück unterbrochen, das den Stromfluß eigentlich unterbinden sollte, dies wegen des quantenmechanischen Tunneleffektes jedoch nur unvollkommen tut. Wieviel Strom die Barriere passieren kann oder – was dasselbe ist – welche elektrische Spannung zwischen beiden Seiten herrscht, hängt ganz wesentlich davon ab, ob sich die Schleife in einem Magnetfeld befindet und welche Stärke dieses hat. Auf diese Weise kann man Änderungen des magnetischen Flusses in Spannungsänderungen umsetzen und mit höchster Empfindlichkeit nachweisen.

Metallische Supraleiter sind seit Beginn des Jahrhunderts bekannt, verlieren aber erst bei so tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand, daß sie mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen. Das ist nicht nur teuer, sondern verlangt auch einen erheblichen apparativen Aufwand. Einen großen Fortschritt bedeutete deshalb die Entdeckung der keramischen Hochtemperatur-Supraleiter durch Karl Alex Müller und Johannes Georg Bednorz im Jahre 1986 – eine schon ein Jahr später mit dem Physik-Nobelpreis honorierte Leistung. Diese Materialien haben eine so hohe Sprungtemperatur, daß Kühlung mit flüssigem Stickstoff aus der Luft genügt. Damit eröffnen sie der supraleitenden Meßtechnik viele neue Möglichkeiten (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1994, Seite 58). Allerdings gelang es erst vor zwei Jahren, die für den kardiologischen Einsatz erforderlichen höchstempfindlichen Sensoren in größeren Stückzahlen daraus zu erzeugen und ihre Handhabung so zu vereinfachen, daß ein breiter praktischer Einsatz in greifbare Nähe gerückt ist.

Da SQUIDs Sensoren für den magnetischen Fluß sind, im allgemeinen aber die Flußdichte – bildlich gesprochen: die Zahl der Feldlinien pro Fläche – am meisten interessiert, sprechen supraleitende Magnetometer mit großen Flächen am empfindlichsten an. Solche großflächigen Sensoren lassen sich seit kurzem mit sehr hoher Qualität und guter Ausbeute in Form von Sandwich-Strukturen aus bis zu vier dünnen Schichten herstellen. Dabei kann man auch mehrere SQUIDs nebeneinander anordnen und dadurch Vielkanalsysteme realisieren, die Meßwerte von benachbarten Orten gleichzeitig erfassen.

Zur Herstellung solcher Sensoren aus keramischen Hochtemperatur-Supraleitern haben zwei von uns (Schilling und Merkt) und unsere Mitarbeiter am Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg eine Dünnschicht-Technologie entwickelt, mit der sich supraleitende Schichten derart übereinander abscheiden lassen, daß sie ein einheitli-ches Kristallgitter aufweisen – und zwar selbst dann, wenn die einzelnen Lagen zwischendurch strukturiert werden müssen. Eine solche epitaktische Mehrlagenabscheidung bildet die Voraussetzung für rauscharme integrierte SQUID-Magnetometer; denn jede Unregelmäßigkeit in der kristallinen Struktur verursacht störende Hintergrundsignale.

Bei diesem Verfahren werden innerhalb einer geschlossenen, mit Sauerstoff als Trägergas gefüllten Apparatur die Ausgangsmaterialien durch einen fokussierten ultravioletten Laserstrahl verdampft; es entsteht ein Plasma aus ionisierten, gasförmigen Atomen, die zu dem auf 850 Grad Celsius geheizten Substrat diffundieren und sich schichtweise darauf abscheiden – unter Beibehaltung des Kristallgitters der Unterlage. Zur anschließenden Strukturierung der dünnen Schichten dienen Verfahren, die aus der Halbleitertechnologie gut bekannt sind und für die Bearbeitung von Hochtemperatur-Supraleitern angepaßt und optimiert wurden.

Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit bei vertretbarem technologischem Aufwand zu erreichen, wurde am Institut für Angewandte Physik ein neuer Typ von SQUID-Sensor entwickelt: ein Magnetometer mit integrierter Mehrschleifen-Einkoppelspule (Bild 1). Vier äußere Aufnehmerspulen koppeln darin den zu messenden magnetischen Fluß in eine Spule im Zentrum ein, unter der sich das eigentliche SQUID befindet. Solche Sensoren erlauben, auch noch die winzigen Magnetfeldänderungen durch die Herzströme mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis zu registrieren.

Um die Stromverteilung im Gewebe mit einer Ortsauflösung von einem Kubikzentimeter und darunter bestimmen zu können, muß man die räumliche Magnetfeldverteilung im Herzen mit möglichst vielen SQUID-Sensoren an verschiedenen Stellen gleichzeitig messen. Trotzdem läßt sich aus diesen Daten allein die lokale Stromdichte noch nicht eindeutig rekonstruieren. Dazu ist zusätzlich – etwa anhand kernspintomographischer Aufnahmen – die Oberfläche zu ermitteln, auf der die Ströme fließen.

Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens dokumentieren biomagnetische Messungen (allerdings noch mit herkömmlichen SQUIDs auf Basis des Tieftemperatursupraleiters Niob) an Herzinfarktpatienten, mit denen einer von uns (Leder) an der Klinik für Innere Medizin III der Universität Jena die geschädigten Gewebebereiche auf der Herzoberfläche sichtbar machen konnte: Dort ist die Stromdichte nur mehr sehr gering (Bild 2). Wenn es gelingt, lebensfähiges von abgestorbenem Gewebe zu unterscheiden, kann man einen Infarkt sehr viel gezielter behandeln und zuverlässiger entscheiden, ob ein Bypaß oder die Aufweitung von Engstellen in den Herzkranzgefäßen angebracht ist. Auch bei Herzrhythmusstörungen sollte die Magnetokardiographie eine präzisere Therapie ermöglichen, indem sie die Ausgangspunkte der Arrhythmien aufzeigt.

Zur Zeit müssen die Messungen noch in einer Abschirmkammer durchgeführt werden, die alle zivilisationsbedingten Störfelder – etwa durch die 50-Hertz-Wechselspannung des Stromnetzes und die 162/3-Hertz-Stromversorgung der Bahn – so weit unterdrückt, daß die äußerst schwachen Herzsignale nicht darin untergehen. Eine günstigere Alternative wäre, das Störrauschen separat zu messen und auf elektronische Weise aus dem Meßsignal zu entfernen. Solche Filterverfahren würden die Abschirmkammer entbehrlich machen und die Anschaffungskosten des Systems von ein bis zwei Millionen auf rund 500000 Mark senken.

Tatsächlich hat die Philips Medizinsysteme GmbH in Hamburg im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit dem Institut für Angewandte Physik bereits den Prototyp eines Mehrkanalsystems mit neun gleichzeitig messenden SQUIDs für den Einsatz in unabgeschirmter Umgebung hergestellt und in Betrieb genommen (Bild 3 links). Damit die magnetischen Störeinflüsse von metallischen Komponenten minimal bleiben, bestehen alle tragenden Teile aus Holz oder Kunststoff. Primär soll dieses System dazu dienen, die erforderlichen Filtertechniken zu entwickeln und zu testen. Es erlaubt aber auch jetzt schon die Aufnahme von magnetischen Herzsignalen und die Weiterentwicklung des Verfahrens für den Forschungseinsatz in der Klinik.

Die Verwendung von flüssigem Stickstoff macht voluminöse Kühlaggregate überflüssig und ermöglicht damit die Konstruktion wesentlich kleinerer Geräte. Dementsprechend wurde am Institut für Angewandte Physik ein portables SQUID-Magnetometersystem gebaut, das Messungen aus der Hand ermöglicht (Bild 3 rechts). Weil beim Bewegen des Geräts große Störungen durch das Erdmagnetfeld auftreten, kann es vorerst nur in einer abgeschirmten Umgebung eingesetzt werden; doch ist man dabei, die Verfahren zur elektronischen Unterdrückung von Fremdsignalen auf solch kleine Systeme auszudehnen.

Wir hoffen, daß durch den Einsatz von Handgeräten in normaler Umgebung mehr Ärzten als bisher ein Diagnoseverfahren zur Verfügung gestellt werden kann, das die medizinische Erforschung und Diagnostik von Herzkrankheiten wesentlich bereichert. So lassen sich wegen der hohen Meßgeschwindigkeit von SQUID-Sensoren bis zu tausend Bilder pro Sekunde aufnehmen und damit sogar Filme der Stromverteilung auf dem Herzmuskel während seiner Kontraktion erstellen. Da das Verfahren berührungs- und einwirkungsfrei ist, belastet es den Patienten zudem weit weniger als die bisherigen Standardmethoden, bei denen entweder ein Katheter eingeführt oder eine radioaktive Substanz in den Blutkreislauf injiziert wird.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1998, Seite 25
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