1H Spektroskopie

Diese halbzylinderförmige Spule verfügt über 2 Kanäle für ¹H-Bildgebung und 3 Kanäle für ³¹P-Spektroskopie (und Bildgebung) und ermöglicht die Untersuchung des Stoffwechsels energiereicher Phosphate im Wadenmuskel. Aufgrund ihres hervorragenden Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wurden mit dieser Spule bereits zahlreiche Studien zur Muskelphysiologie durchgeführt.

Die Kohlenstoff-13-Spektroskopie kann durch die Messung von Glykogen und Glukose Einblicke in den Zuckerstoffwechsel im Körper liefern. Aufgrund der Natur des 13C-MR-Signals sind diese Signale in verschiedene Frequenzen aufgeteilt, was die Datenanalyse erschwert. Dies kann durch Senden mit der 1H-Larmorfrequenz bei gleichzeitigem Empfang des 13C-Signals unterbunden werden, eine Technik, die als „Protonenentkopplung“ bekannt ist. Für den Spulenbauer bedeutet dies, dass äußerst effiziente Filter (~100 dB) in die Spule eingebaut werden müssen, um ein Übersprechen zwischen dem starken 1H-Sendesignal und dem sehr kleinen 13C-MR-Signal zu vermeiden. Die von uns entwickelte Spule erfüllt dieses Kriterium und bietet vier Sende-/Empfangskanäle 1H kombiniert mit drei Sende-/Empfangskanälen 13C.

Einleitung

Multiple Sklerose (MS) ist eine chronische Erkrankung des zentralen Nervensystems, die zu Demyelinisierung und Neurodegeneration führt. Krankheitsmodifizierende Therapien können Schübe sowie die damit verbundenen, überwiegend reversiblen neurologischen Defizite in der entzündungsgetriebenen schubförmig-remittierenden Phase minimieren. Bis heute existiert jedoch keine Behandlung, die Behinderung und funktionellen Abbau in der sekundär progredienten Phase verhindern kann. Trotz enormer Forschungsfortschritte sind die Ursachen der MS und die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanismen weiterhin nur unzureichend verstanden, was verbesserte Therapien oder die Entwicklung einer tatsächlichen Heilung verhindert. Die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ermöglicht es, pathologische Veränderungen und Hirnschädigungen bereits im frühesten Stadium zu erfassen und das Fortschreiten der Erkrankung zu überwachen.

Zielsetzung

Unser Ziel ist es, entscheidende Werkzeuge bereitzustellen, um frühzeitig Informationen über die Entwicklung von Behinderungen bei MS zu gewinnen, diagnostische Biomarker zur frühen Identifikation zu etablieren sowie direkte Erkenntnisse über pathophysiologische Mechanismen zu liefern.

Aktuelle Arbeiten

Frühere MRS-Studien konzentrierten sich auf die strukturelle und zelluläre Integrität und zielten daher hauptsächlich auf die Quantifizierung der Neurochemikalien N-Acetylaspartat (NAA), Cholin und Myo-Inositol ab. Neuere Forschungen beginnen, die Bedeutung bestimmter Neurochemikalien für die pathologischen Prozesse selbst aufzuzeigen. Vor allem auf Grundlage von in-vitro-Untersuchungen und Tiermodellen wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Fehlfunktion des Glutathion-(GSH)-Stoffwechsels die körpereigene Schutzfunktion des Gehirns gegen oxidativen Stress beeinträchtigt und dadurch Demyelinisierung, Neurotoxizität und Zelltod fördert – als Grundlage des funktionellen Abbaus bei MS. In welchem Ausmaß die GSH-Neurochemie bei MS tatsächlich beeinträchtigt ist, bleibt jedoch weitgehend unbekannt, unter anderem aufgrund der Schwierigkeit, GSH bei klinischen Populationen und gesunden Kontrollpersonen nicht-invasiv in vivo zu messen.

Wir konnten kürzlich die Quantifizierung von GSH zusammen mit weiteren zentralen Faktoren der MS (Glutamat, GABA), etablierten Biomarkern der MS (NAA, Cholin, Myo-Inositol) sowie der gesamten biochemischen Umgebung innerhalb einer einzigen einstündigen Untersuchung demonstrieren (Prinsen et al., Proc ISMRM, 2014). Wir erwarten, dass dieser metabolomikartige Ansatz entscheidende Einblicke in die Rolle des GSH-Stoffwechsels bei MS liefern und die Grundlage für longitudinale klinische Studien zur Pathobiochemie des oxidativen Stresses schaffen wird.

 

Wir haben ein neuartiges Spulenarraysystem namens „ModFlex“ für die Magnetresonanztomographie (MRT) unter Verwendung flexibler, leichter 4-Kanal-Koaxialspulenmodule entwickelt. Mit diesen Spulen werden hochwertige Bilder verschiedener Körperteile aufgenommen. In einer Studie haben wir ModFlex mit herkömmlichen MRT-Spulen in sechs verschiedenen anatomischen Regionen verglichen: Hals, Knöchel, Wirbelsäule und Hüfte. Die Ergebnisse zeigten, dass ModFlex herkömmliche Spulen übertraf oder eine ähnliche Leistung aufwies. Dies bedeutet, dass schnellere und höher aufgelöste MRT-Scans möglich sind, insbesondere bei der Knöchel- und Wirbelsäulenbildgebung. ModFlex ist vielseitig und für unterschiedliche Patientengrößen geeignet, wodurch der Patientenkomfort bei MRT-Untersuchungen möglicherweise erhöht wird, was es zu einem vielversprechenden Fortschritt in der medizinischen Bildgebungstechnologie macht.

Wir haben ein flexibles, anwendungsfertiges 23-Kanal-HF-Spulenarray entwickelt. Das Array besteht aus Spulen, die auf einer starr-flexiblen Leiterplatte gefertigt sind. Die für die Spulenschnittstelle benötigten Komponenten werden auf dem starren Teilen der Leiterplatte platziert, die von einem robusten Gehäuse abgedeckt werden. Flexible Leiterplattenteile dazwischen sorgen für die mechanische Flexibilität des Geräts. Diese Spule eignet sich für die hochauflösende MRT verschiedener anatomischer Ziele, z.B. Hand, Knöchel, Knie, Schulter, wobei die wichtigste Anwendung die MRT des okzipitalen Kortex ist.

Um sowohl anatomische (¹H-Bildgebung) als auch metabolische (³¹P-Spektroskopie) Informationen vom Herzen zu erhalten, haben wir ein flexibles Array entwickelt, das sich an die Form des Brustkorbs anpasst und auf “transmission line”-Elementen für ¹H und flexiblen Drähten für ³¹P basiert. In die 3D-gedruckten Gehäuse musste eine beträchtliche Menge elektronischer Schaltkreise eingebaut werden: Leistungsverteiler, Sende-/Empfangsschalter, Abstimm- und Anpassungsnetzwerke, Mantelwellensperren und Vorverstärker. Wir verwendeten elektromagnetische 3D-Simulationen, um die optimale Phaseneinstellung zwischen den Sendekanälen zu bestimmen.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Technik, die starke gepulste Magnetfelder verwendet, um eine Gehirnstimulation im Bereich unter dem Stimulatorgerät hervorzurufen. Mithilfe der funktionellen MRT (fMRT) kann diese Stimulation sichtbar gemacht werden. Traditionell musste das TMS-Gerät in einer großen “birdcage”-Kopfspule untergebracht werden, was die Nachteile einer schlechten MR-Bildqualität, einer langsamen Datenaufnahmen und sehr eingeschränkten Möglichkeiten zur Platzierung des TMS-Geräts mit sich bringt. Unser Ansatz bestand darin, ein sehr dünnes HF-Spulenarray zu entwickeln, das zwischen das TMS-Gerät und den Kopf passt. Dies ermöglicht eine drastisch verbesserte MR-Bildqualität und eine sehr flexible Positionierung des TMS-Geräts bei nur minimalem Verlust der TMS-Stimulationseffizienz aufgrund des nur leicht vergrößerten Abstands des TMS zum Kopf.

Die Positronenemissionstomographie (PET) basiert auf radioaktiven Tracern, die sich in Krebsgewebe ansammeln und beim Zerfall Photonen mit 511 keV emittieren. Auf ihrem Weg aus dem Körper werden sie durch das umliegende Gewebe abgeschwächt. Um das PET-Signal korrekt zu quantifizieren, muss die räumliche Verteilung des Abschwächungskoeffizienten berücksichtigt werden, was die Messung einer Karte des Abschwächungskoeffizienten erfordert. Unsere Spule ist von einem deuteriumgefüllten Schlauch umwickelt, durch den ein Pellet mit radioaktivem Tracer mit kontrollierter Geschwindigkeit gepumpt werden kann, was eine Transmissionsmessung der Dämpfung ermöglicht. Die HF-Spule ist so konzipiert, dass die Abschwächung im Sichtfeld des PET-Systems minimiert wird, und deckt den gesamten Kopf einschließlich des Halses ab.

Um die kleinen Strukturen des menschlichen Fingers sichtbar zu machen, haben wir eine Spule mit optimierter Wicklungssteilheit entwickelt, um die Signalhomogenität zu verbessern. Dieser Spule ermöglicht Bilder mit einer isotropen Auflösung von 100–200 µm³. anhand derer Knochen, Knorpel, Sehnen (einschließlich ihrer inneren Struktur), Riemenscheiben, Arterien und Venen, Nerven und Vater-Pacini-Körperchen sowie Fett und Haut segmentiert und visualisiert werden können.

Mit sehr kleinen Oberflächenspulen kann ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis nahe der Körperoberfläche erreicht werden, was eine hochauflösende Abbildung der menschlichen Haut ermöglicht und beispielsweise die Darstellung kleiner Gefäßstrukturen in der Dermis und Hypodermis ermöglicht. Bei einer Reduzierung der Spulengröße erzeugen normalleitende Spulen jedoch mehr Rauschen als das vom Gewebe ausgehende Rauschen, was die Bildqualität einschränkt. Mit unseren Kooperationspartnern in Paris haben wir daher mithilfe supraleitender Spulen Bilder mit einer isotropen Auflösung von bis zu 20 µm³ erhalten.

Unsere Kooperationspartner am Messerli-Institut/Veterinärmedizinische Universität Wien haben Hunde darauf trainiert, sich freiwillig in einen MR-Scanner zu begeben und still zu liegen, um eine funktionelle MRT-Untersuchung für Verhaltensstudien durchzuführen. Zu diesem Zweck haben wir eine spezielle Spule entwickelt. Um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten und die Untersuchung für den Hund so angenehm wie möglich zu gestalten, verfügt sie über eine in Position und Höhe verstellbare Kinnstütze und die Gehäuseform ist so gestaltet, dass die Hunde ihre Pfoten entweder unter oder neben der Spule platzieren können. Die Spulenanordnung ist an den Kopf eines durchschnittlichen Border Collies angepasst, wobei die Größe der Spulenelemente in der Nähe des Gehirns (oben auf der Spule) kleiner ist und mit zunehmendem Abstand zu den Seiten hin größer wird.

Wir haben eine 4-Kanal Sende-/Empfangsspule für die Bildgebung des Rattengehirns in einem human Ganzkörper 7T-Scanner entwickelt. Das Spulenlayout wurde mittels elektromagnetischer Simulation optimiert, um höchste Effizienz zu erreichen. Als besonderes Merkmal kann die Höhe der Spulenanordnung angepasst werden, um sie perfekt an Rattenköpfe unterschiedlicher Größe anzupassen, von jungen bis hin zu großen erwachsenen Ratten.

“Parallel plate transmission line” Resonatoren können als selbstresonante HF-Spulen in der MRT eingesetzt werden. Die entscheidende Innovation hierbei ist eine neuartige Entkopplungstechnik, die auf überlappenden Annexen basiert, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Elementen des Arrays zu verhindern. Um elektronische Bauteile und Lötstellen auf den TLRs vollständig zu vermeiden, wird eine Pick-up-Loop-Impedanzanpassung verwendet, die ein monolithisches Spulendesign ermöglicht, das für den flexiblen Spulenaufbau geeignet und mit der Supraleitungstechnologie kompatibel ist.

Aufgrund des Eigenresonanzverhaltens können diskrete Bauteile und Lötstellen vermieden werden und sie eignen sich hervorragend zur Herstellung flexibler oder supraleitender Spulen. Durch die Einführung des Multi-Turn-Multi-Gap (MTMG)-Designs – im Gegensatz zu zuvor verfügbaren Single-Turn-Multi-Gap- oder Multi-Turn-Single-Gap-Designs – haben wir die Anzahl der Spulengeometrien, aus denen Sie für eine bestimmte Zielfrequenz und Anwendung wählen können, erheblich erhöht. Die Proof-of-Concept-Studie wurde in Zusammenarbeit mit unseren französischen Forschungspartnern veröffentlicht.

In Folge haben wir Multi-Turn-Multi-Gap-Koaxialspulen (MTMG-CCs) eingeführt, die Flexibilität und Formanpassungsmöglichkeiten bieten. MTMG-CCs ermöglichen die Anpassung des Spulendurchmessers, wenn die Spule bei einer Eigenresonanz gleich der Larmorfrequenz bei 3 T und 7 T betrieben wird, wodurch die Bildgebung für bestimmte Körperteile optimiert werden kann. Die Studie umfasst auch ein Ersatzschaltbildmodell zur Vorhersage der Resonanzfrequenz dieser Spulen. Durch Experimente und Simulationen haben wir herausgefunden, dass MTMG-CCs eine mit Standardspulen vergleichbare Leistung erbringen und gleichzeitig einen besseren Patientenkomfort bieten, was den Weg für tragbare MRT-Spulen bereitet.

Das anhaltende Interesse an der Erhöhung der Empfindlichkeit von HF-Spulen in der MRT prägte die Idee eines neuen Spulenkonzepts: der Multi-Loop-Spule. Eine Multi-Loop-Spule ist eine Oberflächenspule, die aus mehreren kleinen in Reihe geschalteten Schleifen besteht. Für die biomedizinische MRT bringt der Wechsel vom herkömmlichen Single-Loop- zum Multi-Loop-Design einen Empfindlichkeitsgewinn bei hohen Feldstärken (3 T und mehr). In einer mit französischen Kooperationspartnern durchgeführten Vorstudie konnten wir zeigen, dass der Empfindlichkeitsgewinn in der Nähe der Spule am höchsten ist. Daher eignet sich das neuartige Spulenkonzept am besten für oberflächliche Zielregionen, z. Haut, Großhirnrinde, kleine Gelenke.

Die aus elektromagnetischen Simulationen abgeleiteten individuellen Verlustbeiträge übertragener HF-Felder können mithilfe des Q-Matrix-Formalismus quantifiziert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung und Optimierung von HF-Spulendesigns und Anregungsimpulsen, insbesondere für die parallele Übertragung (pTx) bei ultrahoher Feldstärke.