Ein biophysikalisches Modell des Blutflusses und Wasseraustauschs im Gehirn mit Anwendungen für die MRT-Bildgebung

• Antragsteller: Grant Hartung, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543670971

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist nach wie vor eine der wichtigsten Methoden zur Beobachtung der Gehirn- und hämodynamischen Gesundheit beim Menschen. Somit hat die MRT das Potenzial, hämodynamische Biomarker aufzudecken, die schwerwiegenderen Symptomen wie Verhaltens-, Motor- oder Persönlichkeitsveränderungen vorausgehen, und die präventive Medizin bei altersbedingten kognitiven Störungen zu verbessern. Leider können die aktuellen Methoden zur Bildgebung des hämodynamischen Gesundheitszustands nicht zwischen Funktionsänderungen (z. B. Blutfluss) und Strukturänderungen (z. B. Blutvolumen) unterscheiden. Da diese beiden Kategorien unterschiedliche und unabhängige Artefakte in potenziellen Biomarkern aufweisen, ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Beiträge zum MRT-Signal zu identifizieren. Das vorliegende Projekt entwickelt ein simulationsbasiertes Framework zur Berechnung von MRT-Signalen aus intravaskulärem Kontrast. Das Ziel ist es, ein MRT-Signal zu berechnen und den Beitrag einzelner Blutgefäße zu untersuchen. Dazu wird eine Simulationsplattform erweitert, welche dreidimensionale Modelle der Gefäßanatomie (VAN) verwendet, die mit biophysikalischen Gleichungen des Blutflusses während der Baseline und mit Veränderungen, die mit der neuronalen Aktivierung einhergehen, gekoppelt sind. Diese Simulationen werden erweitert, um den Wasseraustausch mit dem umgebenden Gehirngewebe einzubeziehen, der für die in vivo-Vermischung von Kontrasten zwischen Blut und Gewebe mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften verantwortlich ist. Dieses Framework ermöglicht zum ersten Mal die stochastische Simulation der Protonenbewegung in einem MRT-Magnetfeld; beginnend mit der Durchquerung des Blutstroms, gefolgt von Bewegung durch und Austausch mit dem umliegenden Gewebe und letzendlich resultierend in einer Vorhersage des MRT-Signals. Anschließend wird die das Framework zur Berechnung der MRT-Sequenzen VAscular Space Occupancy (VASO) und Functional Arterial Spin Labeling (fASL) angewendet, um die diesen Signalen zugrunde liegenden biophysikalischen Beziehungen zu beschreiben.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle