Um das Innere des menschlichen Körpers zu untersuchen, müssen Patienten oft aufgeschnitten oder lange Schläuche mit eingebauten Kameras geschluckt werden. Aber was wäre, wenn Ärzte einen besseren Einblick auf eine weniger teure, invasive und zeitaufwändige Weise erhalten könnten?

Ein Team des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT unter der Leitung von Professorin Dina Katabi arbeitet daran, genau das mit einem “In-Body-GPS”-System namens ReMix zu erreichen. Die neue Methode kann mit Hilfe von drahtlosen Signalen mit geringer Leistung den Standort von Implantaten im Körper bestimmen, die in den Körper eingeführt werden. Diese Implantate könnten als winzige Peilsender an wandernden Tumoren eingesetzt werden, um deren leichte Bewegungen zu überwachen.

In Tierversuchen hat das Team gezeigt, dass es die Implantate mit zentimetergenauer Genauigkeit verfolgen kann. Das Team sagt, dass ähnliche Implantate eines Tages dazu verwendet werden könnten, Medikamente an bestimmte Körperregionen zu verabreichen.

Verfolgung im Körper

Um ReMix zu testen, implantierte die Gruppe um Katabi zunächst einen kleinen Marker in tierisches Gewebe. Um dessen Bewegung zu verfolgen, verwendeten die Forscher ein drahtloses Gerät, das Funksignale vom Patienten reflektiert. Dieses Gerät basiert auf einer drahtlosen Technologie, die die Forscher bereits zur Erkennung von Herzfrequenz, Atmung und Bewegung eingesetzt haben. Ein spezieller Algorithmus nutzt dann dieses Signal, um die genaue Position des Markers zu bestimmen.

Interessanterweise muss der Marker im Körper kein drahtloses Signal aussenden. Er reflektiert einfach das Signal, das von dem drahtlosen Gerät außerhalb des Körpers gesendet wird. Daher benötigt er weder eine Batterie noch eine andere externe Energiequelle.

Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung drahtloser Signale auf diese Weise sind die vielen konkurrierenden Reflexionen, die vom Körper einer Person zurückgeworfen werden. Tatsächlich sind die Signale, die von der Haut einer Person reflektiert werden, 100 Millionen Mal stärker als die Signale des Metallmarkers selbst.

Um dieses Problem zu lösen, hat das Team einen Ansatz entwickelt, der die störenden Hautsignale von den zu messenden Signalen trennt. Dazu verwenden sie ein kleines Halbleiterbauelement, eine so genannte “Diode”, die die Signale miteinander mischt, so dass das Team anschließend die hautbezogenen Signale herausfiltern kann. Wenn die Haut beispielsweise die Frequenzen F1 und F2 reflektiert, erzeugt die Diode neue Kombinationen dieser Frequenzen, z. B. F1-F2 und F1+F2. Wenn alle Signale zurück zum System reflektiert werden, nimmt das System nur die kombinierten Frequenzen auf und filtert die ursprünglichen Frequenzen, die von der Haut des Patienten stammen, heraus.

Eine mögliche Anwendung für ReMix ist die Protonentherapie, eine Art der Krebsbehandlung, bei der Tumore mit magnetgesteuerten Protonenstrahlen beschossen werden. Dieses Verfahren ermöglicht es den Ärzten, höhere Strahlendosen zu verschreiben, erfordert jedoch ein hohes Maß an Präzision und ist daher in der Regel nur bei bestimmten Krebsarten anwendbar.

Der Erfolg des Verfahrens hängt davon ab, dass der Tumor während der Bestrahlung genau dort bleibt, wo er ist. Wenn sich ein Tumor bewegt, könnten gesunde Bereiche der Strahlung ausgesetzt werden. Aber mit einem kleinen Marker wie dem von ReMix könnten Ärzte die Lage eines Tumors in Echtzeit besser bestimmen und entweder die Behandlung unterbrechen oder den Strahl in die richtige Position lenken. (Um es klar zu sagen: ReMix ist noch nicht genau genug, um im klinischen Bereich eingesetzt zu werden. Katabi sagt, dass für eine tatsächliche Anwendung eine Fehlerspanne von einigen Millimetern erforderlich wäre.)

“Die Fähigkeit, das Innere des menschlichen Körpers kontinuierlich zu erfassen, war bisher ein ferner Traum”, sagt Romit Roy Choudhury, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of Illinois, der nicht an der Forschung beteiligt war. ReMix macht einen Sprung in diese Richtung, indem es zeigt, dass die drahtlose Komponente implantierbarer Geräte nicht mehr der Engpass sein muss.”

Ein Blick in die Zukunft

Als Nächstes hofft das Team, die drahtlosen Daten mit medizinischen Daten, z. B. aus Magnetresonanztomographien (MRT), zu kombinieren, um die Genauigkeit des Systems weiter zu verbessern. Außerdem wird das Team den Algorithmus und die verschiedenen Kompromisse, die erforderlich sind, um der Komplexität verschiedener Körper Rechnung zu tragen, weiter überarbeiten.

“Wir wollen ein Modell, das technisch machbar und gleichzeitig komplex genug ist, um den menschlichen Körper genau abzubilden”, sagt Deepak Vasisht, Doktorand am MIT und Hauptautor der neuen Arbeit. 

Den Forschern zufolge könnten solche Systeme dazu beitragen, dass Protonentherapiezentren in größerem Umfang eingerichtet werden. Derzeit gibt es weltweit nur etwa 100 Zentren.