7 Tesla Multikern-MRT

Zusätzliche Erkenntnisse durch MR-Bildgebung von weiteren Kernen neben Wasserstoff

Die Abbildung zeigt zwei verschiedene medizinische Bilder. Teil a) zeigt ein dreidimensionales Bild eines menschlichen Körpers, während Teil b) eine Querschnittsansicht des Gehirns darstellt, mit unterschiedlichen Farbverläufen, die verschiedene Gewebe oder Strukturen hervorheben.
a) Quantitative 23Na-MRT im Torso (koronale Ansicht). b) Reduzierter 17O-Signalanstieg nach Inhalation in einem Gliom (abgegrenzte Region).

Neben der konventionellen Magnetresonanztomographie (MRT), bei der die Magnetisierung von 1H-Kernen gemessen wird, können auch andere Atomkerne mit einem Spin I > 0 zur Signaldetektion verwendet werden. Diese Kerne werden als X-Kerne bezeichnet. In unserer Abteilung entwickeln wir sowohl Hardware als auch Aufnahme-, Rekonstruktions- und Nachbearbeitungsmethoden, um MR-Signale von Natrium (23Na), Kalium (39K), Chlorid (35Cl), Sauerstoff (17O), Magnesium (25Mg), Phosphor (31P) und Kohlenstoff (13C) in-vivo zu erfassen. Die Untersuchung dieser Kerne ist für die klinische Forschung von besonderem Interesse, da sie bei vielen zellulären Prozessen eine entscheidende Rolle spielen. So hängen beispielsweise die Konzentrationen von 23Na, 39K und 35Cl stark vom physiologischen Zustand einer Zelle ab. Und die 17O-MRT kann verwendet werden, um den Sauerstoffumsatz direkt und nicht-invasiv zu bestimmen.

Forschungsthemen

  • Erforschung neuer und Verbesserung bestehender multinuklearer Bildgebungshardware, Pulssequenzen, Rekonstruktions- und Nachbearbeitungsmethoden
  • Quantifizierung von Ionenkonzentrationen, z. B. [23Na+], [39K+], [35Cl-]
  • Bestimmung des zerebralen Sauerstoffumstzes mittels 17O-MRT
  • Klinische Translation der Bildgebungsverfahren, welche in der Gruppe entwickelt werden
Die Abbildung zeigt vier medizinische Scans: Der erste zeigt den Sauerstoffverbrauch in einem Gehirntumor, gefolgt von zwei Grafiken, die die Natriumkonzentration in einem Gehirntumor und einem gesunden Bauch darstellen. Der letzte Scan zeigt die Natriumkonzentration im Herzen eines gesunden Freiwilligen.

X-Kerne sind physiologisch relevante Kerne mit einem Kernspin I > 0, die somit neben Wasserstoff zur Signaldetektion verwendet werden können. Die Anforderungen an die Bildgebung von X-Kernen sind stark mit ihren atomaren Eigenschaften verbunden. Aufgrund des kernspezifischen gyromagnetischen Verhältnisses haben die verschiedenen Kerne unterschiedliche Resonanzfrequenzen bei 7 Tesla (1H: ca. 297 MHz, 23Na: ca. 79 MHz, 35Cl: ca. 29 MHz, 39K: ca. 14 MHz). Dies hat zur Folge, dass der MR-Scanner diese Frequenzen zusätzlich zur Protonenfrequenz unterstützen muss und spezielle Spulen für die jeweiligen Kerne benötigt werden (z. B. 23Na-Kopfspule, 23Na-Körperspule). In Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen „7 Tesla MR: RF Systems and Concepts“ und „Electromagnetic Simulations and RF Safety“ entwickeln und bauen wir MR-Spulen für die X-Kern-MRT, wie z. B. eine Natrium-Körperspule (Platt et al., Magn Reson Med, 2018).

Darüber hinaus haben 17O, 23Na, 39K und 35Cl einen Kernspin größer als 1/2 und weisen daher sehr kurze Relaxationszeiten auf. Dies erfordert die Verwendung spezieller Pulssequenzen wie einer dichteangepassten Radialsequenz (Nagel et al., Magn Reson Med, 2009). Außerdem ist die In-vivo-Konzentration von X-Kernen um Größenordnungen niedriger als die Konzentration von 1H. Die X-Kern-MRT profitiert daher in hohem Maße von ultrahohen statischen Magnetfeldern wie 7 Tesla, und X-Kern-MR-Untersuchungen können durch fortschrittliche Bildrekonstruktions- und Nachbearbeitungstechniken weiter verbessert werden.

 

Referenzen:

  • Gast LV, Platt T, Nagel AM, Gerhalter T: Recent technical developments and clinical research applications of sodium (23Na) MRI. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 2023.
  • Platt T, Ladd ME, Paech D: 7 Tesla and beyond: advanced methods and clinical applications in magnetic resonance imaging. Investigative radiology. 2021; 56:705-725.
  • Kratzer FJ, Flassbeck S, Schmitter S, Wilferth T, Magill AW, Knowles BR, ... & Nagel AM. 3D sodium (23Na) magnetic resonance fingerprinting for time‐efficient relaxometric mapping. Magnetic Resonance in Medicine. 2021; 86(5):2412-2425.
  • Kratzer FJ, Flassbeck S, Nagel AM, Behl NGR, Knowles BR, Bachert P, ... & Schmitter S. Sodium relaxometry using 23Na MR fingerprinting: A proof of concept. Magnetic Resonance in Medicine. 2020; 84(5):2577-2591.
  • Lott J, Platt T, Niesporek SC, Paech D, Behl NGR, Niendorf T, ... & Nagel AM. Corrections of myocardial tissue sodium concentration measurements in human cardiac 23Na MRI at 7 Tesla. Magnetic resonance in medicine. 2019; 82(1): 159-173.
  • Niesporek SC, Nagel AM, & Platt T. Multinuclear MRI at ultrahigh fields. Topics in Magnetic Resonance Imaging. 2019; 28(3):173-188.
  • Platt T, Umathum R, Fiedler TM, Nagel AM, Bitz AK, Maier F, Bachert P, Ladd ME, Wielpütz MO, Kauczor HU, Behl NGR: In vivo self-gated 23Na MRI at 7 T using an oval-shaped body resonator. Magnetic Resonance in Medicine. 2018; 80:1005-1019.
  • Nagel AM, Laun FB, Weber MA, Matthies C, Semmler W, Schad LR. Sodium MRI using a density-adapted 3D radial acquisition technique. Magn Reson Med 2009; 62(6):1565-1573. 

Kontakt

  • Mitarbeiterbild

    Dr. Tanja Platt

    Gruppenleiterin

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