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Hoch-Ortsauflösende Bildgebung bis in den Mikroskopiebereich auf einem Human MR-scanner

Die räumliche Ortsauflösung ist neben dem Kontrast das wichtigste Qualitätskriterium für die Diagnostische Bildgebung.

Auf klinischen MR-scannern können typischerweise strukturelle Änderungen im mm-Bereich aufgelöst werden. Die kleinsten Voxel-Größen als kleinstes Infromations-tragendes Bildelement liegen selbst bei UHF MR-scannern bei nur ca. (0.4 mm)3.

Unsere zentrale Forschungsfragen sind:

  • Welche Ortsauflösungen sind auf einem Human-scanner mit Zusatzausstattung möglich?
  • Welche Faktoren begrenzen die Ortsauflösung und wie kann sie Proben-spezifisch verbessert werden?
  • Wie stellen sich pathologische Veränderungen MR-mikroskopisch im Gewebe dar?
  • Kann eine MR basierte Histologie an entnommenen Gewebe wertvolle Informationen für schnelle Diagnosen liefern, ohne die Proben unbrauchbar für weitere Untersuchungen zu machen?
  • Können mit speziellen MR-Messverfahren (Ultra-short Time Encoding) auch Gewebe und Implantate strukturell dargestellt werden, die mit Standard-Methoden nicht dargestellt werden können (z.B. Sehnen, Zähne, Polymere)?
  • Welchen Beitrag kann die MR-gestützte hoch-orts-auflösende 3D Polymergel-Dosimetrie für die Validierung von Bestrahlungsplänen in der Strahlentherapie leisten?

Die obigen Forschungsfragen wurden in verschiedenen Themenbereichen und Forschungsprojekten behandelt. Die wichtigsten sind im folgenden aufgeführt:

1.) Hardware-Aufbau einer Mikroskopie Einheit am UHF MR-scanner

Wir haben dazu in Forschungskooperation mit der Fa- Siemens Healthineers und einem separaten Forschungsprojekt zur MR-basierten Gel-Dosimetrie eine Prototyp Zusatzausstattung entwickelt und an unserem Ultrahochfeld MR-scanner implementiert (s. auch MR-Mikroskopieinschub) [Berg et al. Proc. ISMRM 2010, progr nr. 1048].

2.) Qualitätskontrolle der Ortsauflösung (Phantome für die MR-Mikroskopie)

Zur Qualitätsbeurteilung wurden speziell entwickelte Testobjekte (Phantome) entwickelt, um die räumliche Auflösung mittels Modulations-Übertragungs-Funktion (MTF) in zwei und drei Dimensionen quantitativ zu überprüfen [Berg, Deutsches Patentamt, DE19904635]; [Berg et. al., Front. Phys. 2023].

3.) Bildgebung von dunklem Gewebe (z.B. Sehnen) und Polymeren (z.B. Implantatmaterialien): UTE/Broadline-Imaging 

Es gibt eine Reihe von Geweben im menschlichen Körper (z.B. Sehnen, Meniskus, Zähne), die aufgrund des sehr schnellen Signalabfalls nicht hinsichtlich ihrer inneren Struktur sichtbar gemacht werden können. Methoden mit ultrakurzer Detektionszeit (UTE) in Verbindung mit der MR-Mikroskopie sind in der Lage, eine einzigartige morphologische Substruktur zu erkennen, z.B. die selbstähnliche Gewebeanatomie der Sehne (Abb. links). Auch die fraktale Dimension der selbstähnlichen Gewebetextur der Sehne kann mit Hilfe von MR-mikroskopischer Bildgebung und spezieller Datenverarbeitungssoftware ausgewertet werden [Berg et al. Proc. ISMRM 26, 2831 (2018)].

4.) Entwicklung von MR-sichtbaren Polymeren für Phantome, Markierungen (MR-geführte Strahlentherapie)

Alternativ können auf Polymeren basierende Objekte mittels MRT visualisiert werden, indem der Polymer-Matrix während des Herstellungsprozesses Zusätze hinzugefügt werden [Rausch et. al. European Patent Office publication server 2022], Berg et al. ISMRM Proc. 2025]

5.) Anwendungen der MR-Mikroskopie

5.1 MR-basierte Histologie

Obwohl die MR-Mikroskopie nicht die hohe Auflösung der Lichtmikroskopie erreichen kann, lassen sich Multi-Schicht-Bilder mit unterschiedlichem Kontrast mit einer Pixelgröße von etwa 30x30 µm2 erzeugen, was für die Erkennung von vielen pathologischen Veränderungen ausreichend ist. Der Hauptvorteil der MR-Mikroskopie mit unterschiedlich gewichteten Kontrastparametern liegt in der nicht-invasiven Bildgebung, ohne dass die Probe in dünne Scheiben geschnitten werden muss. Auch einige Färbevorgänge können vermieden werden, da die MR die Gewichtung des Signals mit unterschiedlichen Kontrastparametern ermöglicht (z.B. sd, T1, T2, T2*, Suszeptibilität, DWI, MT, ...)

Beispiele: 

5.2 MR-basierte Polymergel-Dosimetrie

In der Strahlentherapie zur Tumorbehandlung stellt die Dosimetrie von kleinen Strahlenfeldern (Photonen oder Teilchen (z.B. Protonentherapie) aufgrund der relativ großen Ionisationskammern und der langen Meßzeit für einen vollständigen Volumendatensatz ein kritisches Problem dar. Mehr-schichtige (3D) dosimetrische Bilder können durch T2-Parameter- selektive Bildgebung (T2-Maps) gewonnen werden. Die Parameter-selektive T2-µ-Bildgebung ermöglicht eine hochauflösende 3D-Dosimetrie kleinster Bestrahlungsfelder für die Tumortherapie in der klinischen Routine, z.B. mit Gamma-knife. Auch die Visualisierung der Dosisverteillung von mm-grossen Partikelstrahlen für die Tumortherapie in Gewebeähnlichem Material ist möglich. Wir haben ebefalls niedrig-toxische Polymergele im Haus für moderne Flattening-Filter-Free (FFF) Hochdosisraten Felder an klinischen LINACs entwickelt [Khan et. al. Polymers 11(10): 1717 (2019)].

5.3 MR-basierte nicht-zerstörende Visualisierung von gedrucktem Text auf  übereinanderliegenden Papierschichten (Perspektive für nicht-zerstörendes Lesen wertvoller Handschriften oder Drucken in Büchern oder Papier-Rollen). Die erreichten minimalen Voxelgrössen  (VS: (20 µm)3 sind auf einem Humanscanner einzigartig [Berg und Seewald Nature Comm. Eng. 2026]. 

Die obigen Themenforschungsbereiche sind im folgenden detaillierter, unterstützt durch Bilder, beschrieben:

In Forschungskooperation mit der Fa- Siemens Healthineers und einem separaten Forschungsprojekt zur MR-basierten Gel-Dosimetrie wurde eine Prototyp Zusatzausstattung entwickelt und an unserem Ultrahochfeld MR-scanner implementiert (s. auch MR-Mikroskopieinschub, und [Berg et. al. ISMRM Proc. 2010]).

Zur Qualitätsbeurteilung wurden speziell entwickelte Testobjekte (Phantome) entwickelt, um die räumliche Auflösung mittels Modulations-Übertragungs-Funktion (MTF) in zwei und drei Dimensionen quantitativ zu überprüfen [Berg, Deutsches Patentamt, DE19904635]; [Berg et. al., Front. Phys. 2023].

Es gibt eine Reihe von Geweben im menschlichen Körper (z.B. Sehnen, Meniskus, Zähne), die aufgrund des sehr schnellen Signalabfalls nicht hinsichtlich ihrer inneren Struktur sichtbar gemacht werden können. Methoden mit ultrakurzer Detektionszeit (UTE) in Verbindung mit der MR-Mikroskopie sind in der Lage, eine einzigartige morphologische Substruktur zu erkennen, z.B. die selbstähnliche Gewebeanatomie der Sehne (s. Abbildungen in Detail-Liste unten). Auch die fraktale Dimension der selbstähnlichen Gewebetextur der Sehne kann mit Hilfe von MR-mikroskopischer Bildgebung und spezieller Datenverarbeitungssoftware ausgewertet werden [Berg et al. Proc. ISMRM 26, 2831 (2018)].

Alternativ können auf Polymeren basierende Objekte mittels MRT visualisiert werden, indem der Polymer-Matrix während des Herstellungsprozesses Zusätze hinzugefügt werden (  [Rausch et. al. European Patent Office publication server 2022], [Berg et. al ISMRM 2025]).

5.1 MR-basierte Histologie

Obwohl die MR-Mikroskopie nicht die hohe Auflösung der Lichtmikroskopie erreichen kann, lassen sich Multi-Schicht-Bilder mit unterschiedlichem Kontrast mit einer Pixelgröße von etwa 30x30 µm2 erzeugen, was für die Erkennung von z.B. osteoarthritischen Veränderungen im Knorpel ausreichend ist. Der Hauptvorteil der MR-Mikroskopie mit unterschiedlich gewichteten Kontrastparametern liegt in der nicht-invasiven Bildgebung, ohne dass die Probe in dünne Scheiben geschnitten werden muss. Auch einige Färbevorgänge können vermieden werden, da die MR die Gewichtung des Signals mit unterschiedlichen Kontrastparametern ermöglicht (z.B. sd, T1, T2, T2*, Suszeptibilität, DWI, MT, ...) [Berg et. al. Proc. ECR EPOS #2914 (2011)], [Hager et. al., JMRI, 2022].

In der Strahlentherapie zur Tumorbehandlung stellt die Dosimetrie von kleinen Strahlenfeldern (Photonen oder Teilchen (z.B. Protonentherapie) aufgrund der relativ großen Ionisationskammern und der langen Messzeit für einen vollständigen Volumendatensatz ein kritisches Problem dar. Mehr-schichtige (3D) dosimetrische Bilder können durch T2-Parameter- selektive Bildgebung (T2-Maps) gewonnen werden. Die Parameter-selektive T2-µ-Bildgebung ermöglicht eine hochauflösende 3D-Dosimetrie kleinster Bestrahlungsfelder für die Tumortherapie in der klinischen Routine, z.B. mit Gamma-knife. 

Auch die Visualisierung der Dosisverteillung von mm-grossen Partikelstrahlen (Protonenstrahl-Therapie)  für die Tumortherapie in Gewebe-ähnlichem Material (Gel) ist möglich. In nebenstehendem Bild ist die Dosisverteilung eines Protonestrahls mit 14 mm Durchmesser in Falschfarben-kodierung der Strahlendosis dargestellt. Typisch ist für die Protonestrahl-Therapie die Erhöhung der Strahlendosis (Bragg-Peak) bei Erreichen der Reichweite der Partikelstrahlen (im Bild: weiss-gelb als Zeichen hoher Dosiswerte) im menschlichen Gewebe ohne Strahlenbelastung dahinter). 

Wir haben ebenfalls niedrig-toxische Polymergele im Haus für moderne Flattening-Filter-Free (FFF) Felder mit hohen Dosisraten an klinischen LINACs entwickelt [Khan et. al. Polymers 11(10): 1717 (2019)].

3D-MR-Mikroskopie mit isotrophen Voxeln bietet bei derzeit beschränkten Probengrössen (ca. 40 mm x 19 mm x 19 mm) die Perspektive für nicht-zerstörendes Lesen wertvoller Handschriften oder Drucken in Büchern oder Papier-Rollen). Die erreichten minimalen Voxelgrössen  (VS: (20 µm)3) sind auf einem Humanscanner einzigartig [Berg und Seewald Nature Comm. Eng. 2026]. 

Team

Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik

Andreas Berg

Gruppenleiter

Jasmin Lafental

Forschungsthemen

Hardware 

Special samples and materials

Applications

 

 

 

12.) Multi-Center CORREL µ-imaging of a tendinopathy model). KNMF Projectnr. 2025-033-032280. 

11.) Multi-Purpose-Phantoms for the Quality Control in Multimodal Slice-selective MR-Microscopy, μ-CT and slice- selective optical Microscopy (OCT). KNMF Projectnr. 2021-025-030114 (finished 2026).

10.) Magnetic resonance –Broadline-imaging. Hochschuljubiläumsfonds der Stadt Wien; Projectnr.: H-247/2001 (finished 2025). 

9.) MR-based dosimetry of High-LET radiation" (3D )proton and neutron dosimetry . Hochschuljubiläumsfonds (HSJ) der Stadt Wien,  Projectnr.: H-1208/2003 (finished 2025).

8.) Two- and three-dimensional Phantoms for Quantification of spatial Resolution in multimodal MR-Microscopy, μ-CT and 3D-optical Microscopic Methods (OCT). KNMF Projectnr. 2017-018-019611 (finished 2023).

7.) MR visible polymer for medical imaging applications. Austria Wirtschafts-Service (AWS) mit Mitteln aus der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und EntwicklungAWS P2372591 (finished 2023),

6.) Anisotropic Phantoms for quantitative Tests on the Limits in spatial Resolution in MRI using PSF and Diffusion Anisotropy. KIT Projectnr. 2015-015-009869 (finished 2019).

5.) 2-3-Dimensional μ-Structures for Magnetic Resonance Microscopy. KIT  Projectnr. 2015-013-006488 (finished 2017).

4.) Multi-parametric visualization of knee joint ultra-structure. FWF Projectnr.: I690. 

3.) Magnetic resonance (MR-) based Polymer-Gel-Dosimetry for applications in precision therapy (Brachytherapy, IMRT, stereotactic irradiation). Österreichische Nationalbank Wissenschaftsfonds.

2.) Dosimetry of highly selective therapeutic radiation procedures using parameter selective MR-microscopy. Hochschuljubiläumsfonds der Stadt Wien HSJ Wien H194/99.

1.) NMR-Microscopy for the early detection of diabetic Neuropathy". FWF Project: P12041, 1996.

Berg AG and Seewald A. Visualization of text on bowed sheets via High-resolution 3D-Magnetic Resonance Micro-imaging for potential reading of closed books: the proof-of-concept. Nature Communications engineering 2026. https://doi.org/10.1038/s44172-026-00614-7. https://scienmag.com/3d-mri-uncovers-text-hidden-in-closed-books/.

Berg AG and Börner M. A phantom for the quantitative determination and improvement of the spatial resolution in slice-selective 2D-FT magnetic resonance micro-imaging and -microscopy based on Deep X-ray Lithography (DXRL).Front. Phys. 11:1144112 (2023). https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1144112.

Hager B, Schreiner MM, Walzer SM, Hirtler L, Mlynarik V, Berg A, Deligianni X, Bieri O, Windhager R, Trattnig S and Juras V. Transverse Relaxation Anisotropy of the Achilles and Patellar Tendon Studied by MR Microscopy.  J Magn Reson Imaging, 56: 1091-1103 (2022). https://doi.org/10.1002/jmri.28095.

Muzafar Khan, Gerd Heilemann, Wolfgang Lechner, Dietmar Georg and Andreas Georg Berg. Basic Properties of a New Polymer Gel for 3D-Dosimetry at High Dose-Rates Typical for FFF Irradiation Based on Dithiothreitol and Methacrylic Acid (MAGADIT): Sensitivity, Range, Reproducibility, Accuracy, Dose Rate Effect and Impact of Oxygen Scavenger. Polymers 11(10):1717 (2019) (ISSN 2073-4360); DOI: 10.3390/polym11101717.

Berg A, Heilemann G, Georg D. MR-µ-imaging based 3-dimensional-polymer gel dosimetry in comparison to 2D-film and 1D-diamond dosimetry of mm-sized photon pencil beams; Biomedical Engineering-Biomedizinische Technik 62(s1) S519 V175 (Sept 2017). https://doi.org/10.1515/bmt-2017-5099.  

Berg A, Sailer J, Rand T, Moser E. Diffusivity- and T2-imaging at 3 Tesla for the Detection of Degenerative Changes in Human-Excised Tissue with High Resolution: Atherosclerotic Arteries. Investigative Radiology 38 (7), 452-459 (2003) 10.1097/01.RLI.0000068620.17569.83.

Rausch I, Valladares A, Unger E, Berg A, Rosenbüchler P, inventor; Medical University of Vienna, assignee. METHOD FOR PRODUCING A LIGHT-CURABLE RESIN COMPOSITION. United States Patent  US 12,140,656 B2. Nov. 12,2024.

 

 

  • Andreas Weiland (FH Campus Wien, Bsc. 26.05.2024); Parameter selective Magnetic Resonance Imaging of micro-capsule modified polymers manufactured for MR-visibility.
  • Paul Perry (TU-Wien, Diplomarbeit, 01.09.2023); High-field Magnetic Resonance-based visualization of new polymer and resin materials for tissue mimicking phantoms.
  • Katharina Buchner (TU Wien, Atominstitut, Dipl. Ing.,  26.01.2022); The impact of high Z elements as add-ons to gel dosimeters for increasing local dose in radiation therapy.
  • Muzafar Khan (Medizinische Universität Wien, PhD, 08/2018); Magnetic Resonance Imaging based polymer gel dosimetry for radiation therapy: basic properties of new normoxic polymer gels for high dose rates.
  • Markus Ziegner (ULG Medical Physics Medical Univ. Vienna, Abschlussarbeit, 2016); MR-based polymer gel dosimetry on MAGIC type polymer gels: neutron dosimetry.
  • Fabian Valka (Univ. Vienna, Master, 25.11.2015); MRI Microscopy on Biocompatible Materials and Polymers with Short T2* Times: Validation and Quality Control of UTE Pulse Sequences for Short Detection Times on a Microscopy Insert to a High-Field Human MR Scanner.
  • Dr. Karin Wiesauer (Medical Univ. Vienna, Postgradualer Universitätslehrgang/ULG Medical Physics, Abschlussarbeit, 08/2012); MR Microscopy at 7T using the UTE pulse sequence with special focus on imaging of dental composites.
  • Christian Horn (TU Wien, master, 2012); Parameter selective MR-microimaging of Biomaterials with short T2.
  • Christian Bayreder ( Dr. , Medizin. Universität Wien, 05/2008,) High resolution Magnetic Resonance based  dosimetry using nomoxic polymer gels.
  • Markus Pfleger (Techn, Univ. Vienna., master, 19.08.2007); Magnetresonanz-Breitlinienbildgebung an halbfestem biologischem Gewebe, Polymeren und Dental-Compositen.
  • Peter Jungbauer (Univ. Vienna, master, 2001); Hochortsauflösende Hochfeld-Magnetresonanz-Bildgebung and halbfesten Biologischen Materialien.
  • Thomas Singer (Techn. Univ. Wien, master, 2001): Diffusivität in einem arthritisch geschädigtem Knopel-Modell.