Erhöhung der räumlichen Auflösung eines MR-Scanners für Human-Applikationen und biomedizinische Anwendungen
Hard-/Softwareentwicklung und Qualitätskontrolle für die MR-Mikroskopie
Durch den Einsatz spezieller Prototyp-Hard- und -Software kann die räumliche Auflösung von Hochfeld-MR-Scannern für die MR-Diagnostik am Menschen bis in den mikroskopischen Bereich (Pixelgröße < 100 µm) deutlich erhöht werden. Die hohen räumlichen Auflösungen ermöglichen prinzipiell die frühzeitige und detailliertere Diagnose von Pathologien ex vivo und in vivo am Menschen, aber auch die Forschung an biologischen Modellsystemen.
Wir haben einen starken Mikroskopie-Einsatz und mehrere empfindliche Hochfrequenz-Sensoren auf der Patientenliege eines für Human-Applikationen entwickelten Ultrahochfeld 7T-MR-Scanners implementiert. Zur Qualitätsbeurteilung wurden speziell entwickelte Testobjekte (Phantome) entwickelt, um die räumliche Auflösung mittels Modulationsübertragungsfunktionen in zwei und drei Dimensionen quantitativ zu überprüfen [Berg, Deutsches Patentamt, DE19904635]; [Berg et al. Proc. ISMRM 2010, progr nr. 1048]; [Berg et. al., Front. Phys. 2023].
Broadline/UTE-Bildgebung von starrem Gewebe und biokompatiblen Materialien mit schnellem Signalabfall (z.B. Sehnen)
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 kann mit Hilfe von unterschiedlich Kontrast-gewichteten MR-mikroskopischen Daten 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].
Anwendungen der MR-Mikroskopie
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].
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. Mehrschichtige (3D) dosimetrische Bilder können durch T2-Parameter- selektive Bildgebung (T2-Maps) gewonnen werden. Die T2-µ-Bildgebung ermöglicht eine hochauflösende 3D-Dosimetrie kleinster Bestrahlungsfelder für die Tumortherapie in der klinischen Routine, z.B. mit γ-knife (mittleres Bild). Auch die Visualisierung von mm-großen Dosis-Bragg-Peak Spitzen-Dosiswerten am Ende der Partikeltherapie (unten) ist möglich [Khan et. al. Polymers 11(10): 1717 (2019)].
Hochfrequenzspulen (RF) für die MR-Mikrobildgebung am Menschen
Unsere selbst entwickelten hochempfindlichen Hochfrequenzspulen ermöglichen die Mikrobildgebung menschlicher Extremitäten in vivo an einem Ultrahochfeld-MR-Scanner (7T). Mit einer speziellen Fingerspule ist es möglich, die inneren Strukturen des menschlichen Fingers in vivo in patientengerechter Messzeit darzustellen. Verschiedene anatomische Merkmale wie Knochen und Knochenmark, Sehnen und Ringbänder, Knorpel, Arterien und Venen, Nerven und Vater-Pacinische Tastkörperchen können mit einer Pixelgröße von etwa 80×80 µm2 dargestellt werden. Dies kann zur Diagnose und Behandlungsüberwachung bei Pathologien dienen, die von entzündlichen oder erosiven Gelenkerkrankungen über Verletzungen von Sehnen und Bändern bis hin zu Nerven- oder Gefäßstörungen im Finger reichen (Laistler et al. Magn Reson Med 79:588–592, 2018).