7Tesla MRT: Protonenbildgebung und RF-Puls-Design

7-Tesla-MRT: Protonenbildgebung und RF-Puls-Design

Das Bild zeigt eine Röntgenaufnahme des menschlichen Oberkörpers, auf der die Lunge, das Herz und die Wirbelsäule deutlich sichtbar sind. Die Weichteile sind schwächer ausgeprägt, während die knöchernen Strukturen klarer hervortreten.

Die Forschungsgruppe konzentriert sich auf die MR-Protonenbildgebung beim Menschen bei einem Ultrahochfeld (UHF) von 7 Tesla mit besonderem Interesse an der Körperbildgebung bei dieser Feldstärke. Aufgrund der kurzen Radiofrequenz (RF)-Wellenlänge ist die räumliche Verteilung der magnetischen Komponente des RF-Feldes (B1+), die für den Bildgebungsprozess notwendig ist, sehr inhomogen. Dies führt zu inhomogenen Signal- und Kontrastverteilungen im Körper (siehe Abbildung), was eine Diagnose erschwert oder unmöglich macht. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, verwenden wir Multi-Transmission (Tx)-Körperspulen in Kombination mit parallelen Transmissionstechniken (pTx) und speziellen HF-Pulsen.
Die räumliche Variation des B1+-Feldes kann durch pTx verändert werden, wodurch homogene Flip-Winkel der Protonenspins erreicht werden können, was den Kontrast homogenisiert. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist der Einsatz der „MRExcite“-Körperspule (RF-Arrays), die im Gegensatz zu konventionellen Sendespulen nicht lokal auf dem Körper platziert, sondern im Scanner hinter der Innenrohrverkleidung installiert wird. Diese Spule enthält 32 Sendekanäle (Mehrkanal-Sendesysteme) und bietet damit im Vergleich zu den meisten lokalen Spulen einen höheren Freiheitsgrad für pTx. Eines der Ziele der Forschungsgruppe ist es, die Vorteile des Systems zu nutzen und die Vorteile und Herausforderungen der 7-Tesla-Körperbildgebung für künftige klinische Anwendungen zu bewerten. 

Mehrere Projekte der Gruppe werden in enger Zusammenarbeit mit der UHF-Gruppe an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin durchgeführt.

Forschungsthemen

  • Bildgebung des menschlichen Körpers bei UHF unter Verwendung von Körperspulen mit mehreren Sendekanälen
  • Entwicklung neuartiger pTx-Methoden für die UHF-Körper- und Gehirnbildgebung, insbesondere bei Verwendung der 32-Tx-Kanal-„MRExcite“-Körperspule
  • Entwicklung und Untersuchung von B1+ Mapping-Techniken für die „MRExcite“-Spule hinsichtlich Anwendbarkeit, Genauigkeit und Präzision
  • Untersuchung von quantitativen Geschwindigkeitsabbildungsmethoden für UHF

  • Klinische Umsetzung der entwickelten Methoden in Patientenstudien

     

Das Bild zeigt zwei Objekte im Zusammenhang mit elektrischen Bauteilen. Links ist ein zylindrischer Teil mit Kupferdrähten und Isolierung zu sehen, während rechts ein gebogener, flacher Bereich mit ähnlichen Kupferstrukturen dargestellt wird.
Links: 32-Kanal-Sende-Array für die Bildgebung mit großem Sichtfeld, das im 7T-MRT des DKFZ eingesetzt wird. Das Array ist auf der Bohrlochverkleidung montiert. Rechts: Innenansicht der einen Hälfte des Arrays. Zu sehen sind 16 Sendeelemente in 3 Reihen.

Hochfrequenz (HF)-Anordnungen spielen bei der MRT eine entscheidende Rolle. In allen modernen MRT-Systemen werden Arrays von HF-Spulen verwendet, um die von den Spins im menschlichen Körper ausgehenden Signale zu erfassen. Eine größere Anzahl von Elementen in solchen Empfangsarrays kann den SNR erhöhen und eine höhere Beschleunigung der Erfassung ermöglichen.

Während klinische MRT-Systeme bei 1,5T und 3T Birdcage-Volumenspulen für die Übertragung und Arrays für den Empfang verwenden, werden bei der Ultrahochfeld-MRT (UHF) HF-Arrays nicht nur für den Empfang, sondern auch für die Übertragung eingesetzt. Dies dient dazu, mehr Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Sendefeldes zu gewinnen, da Volumenspulen bei UHF kein homogenes Erregungsfeld erzeugen. Ähnlich wie bei der Strahlformung in der modernen Radartechnik werden die Elemente eines Sende-Arrays in der MRT mit individuellen Amplituden und Phasen und sogar unterschiedlichen Impulsformen angesteuert.

Diese Arrays können durch eine Vielzahl von Kriterien charakterisiert werden. Sie sollten eine hohe Sendeeffizienz aufweisen, um mit der vom System bereitgestellten Sendeleistung ein starkes Anregungsfeld zu erzeugen, sowie eine hohe SAR-Effizienz, um ein starkes Anregungsfeld zu ermöglichen, ohne das Gewebe durch übermäßige Erwärmung zu schädigen. Darüber hinaus müssen die Elemente des Arrays gut entkoppelt sein und ihre jeweiligen Sendeprofile müssen sich voneinander unterscheiden, um einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Sendefeldes zu gewährleisten.

Während es sich bei Sende-HF-Arrays im UHF-Bereich fast ausschließlich um lokale Arrays handelt, die direkt auf dem Körper platziert werden, zielt unsere Gruppe auf die Entwicklung von HF-Arrays ab, die in das MRT-System hinter der Innenverkleidung der Bohrung integriert werden, genau wie die Sende-Volumen-Spulen von MRT-Geräten mit niedrigerem Feld [1]. 

Unsere derzeitigen und zukünftigen Arbeiten in diesem Bereich umfassen:

  • Suche nach Sendeantennen, die sich am besten für integrierte Arrays eignen
  • Entwicklung sehr dünner Arrays, die zwischen Boreliner und Gradientenspule der modernsten MRI-Systeme passen
  • Entwicklung von Metamaterialien für eine verbesserte Spulenleistung

 

Referenzen: [1] Orzada, S., et al. (2019). "A 32-channel parallel transmit system add-on for 7T MRI." PLoS One 14(9): e0222452

Kontakt

  • Mitarbeiterbild

    Sebastian Schmitter

    Arbeitsgruppenleiter

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