Multikanal Sendesystem und 32-Kanal-Kopfspule für die Magnetresonanztomographie bei 7 Tesla
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Verwendung des 8-Kanal-Sendesystems ermöglicht es, eine deutlich gleichmäßigere Anregung des Gewebes bei 7 Tesla zu erzielen als dies mit herkömmlichen Einkanal-Sendesystemen der Fall ist. Dies gilt insbesondere in Bereichen des Körpers mit großem Querschnitt. Wir haben das Grundsystem vom Lieferanten so modifiziert, dass in-vivo-Messungen mit kurzer Akquisitionszeit und unter Einhaltung der entsprechenden Sicherheitsvorgaben durchgeführt werden können. Das System wurde mit verschiedenen selbstgebauten Mehrkanal-Sendespulen kombiniert, um den klinischen Nutzen der höheren Magnetfeldstärke von 7-Tesla in Körperregionen außerhalb des Hirns zu untersuchen, z.B. in den Karotiden im Halsbereich, in der Wirbelsäule, in den Nieren und in der Leber. Auf Basis dieser Forschungsergebnisse wurden erste Schritte zur Erweiterung des Anwendungsbereichs der Hochfeld-MRT für die Diagnostik von Erkrankungen im gesamten Körper gemacht. Das Sendesystem wurde zunächst im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts zur Entwicklung einer Ganzkörperspule eingesetzt, die als Oberflächenarray realisiert wurde. Auch ein Projekt, finanziert durch einen ERC Starting Grant, zur Erforschung neuer Bildgebungsmethoden bei Prostatakrebs basierte auf der mit dem Sendesystem entwickelten Technologie. Eine fast homogene Ausleuchtung der Prostatadrüse wurde ermöglicht; in Kombination mit Modifikationen der verwendeten Hochfrequenz-(HF-)Pulse konnte auch T2-Bildgebung in sehr hoher Qualität erzielt werden. Anhand der Ergebnisse, die mit dem 8-Kanal- Sendesystem erzielt wurden, streben wir nun die Erweiterung auf 32-Sendekanäle an. Diese Arbeiten werden mit einem ERC Advanced Grant unterstützt. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer Ganzkörperspule, die wie bei konventionellen Feldstärken unter der Verkleidung der Bohröffnung platziert ist. Die zusätzlichen Kanäle sollen eine deutlich feinere Manipulation der HF-Felder beim Senden ermöglichen und somit eine weitere Verbesserung der Bildqualität in großen Volumina erlauben. Durch die Verwendung der 32-Kanal-Kopfspule konnte die Bildqualität bei Aufnahmen im Kopf deutlich gesteigert werden. Die davor verfügbare Kopfspule war auf nur acht Empfangskanäle beschränkt. Durch die größere Anzahl von Empfangselementen mit kleinerer Abmessung wurde nicht nur das SNR (Empfindlichkeit), sondern auch die Beschleunigung bei parallelen Bildgebungstechniken verbessert. Als Beispiel sind funktionelle Aufnahmen (fMRT) mit einer 3D-EPI-Bildgebungsequenz nun routinemäßig mit einer Auflösung von 0,9 – 1,5 mm isotrop möglich. Um die erforderliche Wiederholungsdauer von 2 - 3 Sekunden zur Aufnahme des gesamten Hirnvolumens einzuhalten, wird ein Beschleunigungsfaktor von 8 - 12 eingesetzt. Ein solches Protokoll bedingt auch eine sehr hohe Datenrate, und da in der fMRT die Aufnahmen über längere Dauer (bis zu einer Stunde) wiederholt werden, konnten nur mit Hilfe des neuen Rekonstruktionsrechners die anfallenden Datenmengen bewältigt und solche Studien ermöglicht werden. Da am Erwin L. Hahn Institut die Mehrzahl der Studien bei 7 Tesla den Kopf betreffen (> 80 %), wurde die Kopfspule bei einer großen Anzahl Forschungsstudien eingesetzt. Nach einer Übergangszeit, um laufende Studien abzuschließen, hat die 32-Kanal-Kopfspule die anderen verfügbaren Kopfspulen fast gänzlich verdrängt. Sie wurde bei mehreren DFG-Einzelförderungen, im Rahmen einer DFG-Forschergruppe, bei zwei Marie-Curie-ITN-Initiativen sowie bei einer Förderung zur Stärkung der interuniversitären Zusammenarbeit im Ruhrgebiet eingesetzt. Zur Sicherung der Bildqualität dient sie ebenfalls als Vergleichsspule zwischen den meisten Hochfeld-MRT-Zentren im Rahmen des von der DFG geförderten Gerätezentrums „German Ultrahigh Field Imaging (GUFI)“. Zusammenfassend kann man sagen, dass diese Förderung einen wichtigen Schritt zur weiteren Ausschöpfung des Bildgebungspotentials bei 7 Tesla und zur Verbesserung der Forschungsinfrastruktur am Erwin L. Hahn Institut ermöglicht hat. Künftig werden diese Ansätze (eine hohe Kanalzahl auf der Sendeseite sowie eine hohe Kanalzahl auf der Empfangsseite) kombiniert, um die Bildqualität in verschiedenen Körperregionen noch weiter zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- RF excitation using time interleaved acquisition of modes (TIAMO) to address B1 inhomogeneity in high-field MRI. Magn Reson Med. 2010 Aug;64(2):327-33
Orzada S, Maderwald S, Poser BA, Bitz AK, Quick HH, Ladd ME
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mrm.22527) - A transmit/receive radiofrequency array for imaging the carotid arteries at 7 Tesla: coil design and first in vivo results. Invest Radiol. 2011 Apr;46(4):246-54
Kraff O, Bitz AK, Breyer T, Kruszona S, Maderwald S, Brote I, Gizewski ER, Ladd ME, Quick HH
(Siehe online unter https://doi.org/10.1097/RLI.0b013e318206cee4) - Dynamic contrast-enhanced renal MRI at 7 Tesla: preliminary results. Invest Radiol. 2011 Jul;46(7):425-33
Umutlu L, Kraff O, Orzada S, Fischer A, Kinner S, Maderwald S, Antoch G, Quick HH, Forsting M, Ladd ME, Lauenstein TC
(Siehe online unter https://doi.org/10.1097/RLI.0b013e31820e1467) - Timeinterleaved acquisition of modes: an analysis of SAR and image contrast implications. Magn Reson Med. 2012 Apr;67(4):1033-41
Orzada S, Maderwald S, Poser BA, Johst S, Kannengiesser S, Ladd ME, Bitz AK
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mrm.23081) - Direct visualization of cerebellar nuclei in patients with focal cerebellar lesions and its application for lesion-symptom mapping. Neuroimage. 2012 Nov 15;63(3):1421-31
Maderwald S, Thürling M, Küper M, Theysohn N, Müller O, Beck A, Aurich V, Ladd ME, Timmann D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.07.063) - In vivo 31P MR spectroscopic imaging of the human prostate at 7 T: safety and feasibility. Magn Reson Med. 2012 Dec;68(6):1683-95
Kobus T, Bitz AK, van Uden MJ, Lagemaat MW, Rothgang E, Orzada S, Heerschap A, Scheenen TW
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mrm.24175) - Time-of-flight magnetic resonance angiography at 7 T using venous saturation pulses with reduced flip angles. Invest Radiol. 2012 Aug;47(8):445-50
Johst S, Wrede KH, Ladd ME, Maderwald S
(Siehe online unter https://doi.org/10.1097/RLI.0b013e31824ef21f) - Whole brain, high resolution spin-echo resting state fMRI using PINS multiplexing at 7 T. Neuroimage. 2012 Sep;62(3):1939-46
Koopmans PJ, Boyacioglu R, Barth M, Norris DG
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.05.080) - Contrast-enhanced ultra-high-field liver MRI: a feasibility trial. Eur J Radiol. 2013 May;82(5):760-7
Umutlu L, Bitz AK, Maderwald S, Orzada S, Kinner S, Kraff O, Brote I, Ladd SC, Schroeder T, Forsting M, Antoch G, Ladd ME, Quick HH, Lauenstein TC
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ejrad.2011.07.004) - Nonenhanced magnetic resonance angiography of the lower extremity vessels at 7 tesla: initial experience. Invest Radiol. 2013 Jul;48(7):525-34
Fischer A, Maderwald S, Orzada S, Johst S, Schäfer LC, Ladd ME, Nassenstein K, Umutlu L, Lauenstein TC
(Siehe online unter https://doi.org/10.1097/RLI.0b013e3182839c2b)
