Flexibles Spulenarray für hochauflösende MRI bei 7T

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich zu einem der wichtigsten nicht-invasiven medizinische Diagnoseverfahren entwickelt, nicht zuletzt durch die Fülle an quantitativer und funktioneller Information, die mit stetig wachsender Genauigkeit mit dieser Methodik gewonnen werden kann. Für Anwendungen, die besonders hohe räumliche oder zeitliche Auflösung erfordern, wird dennoch die Messempfindlichkeit und damit verbunden die Bildqualität zum limitierenden Faktor. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, können MR Tomographen mit höherer Magnetfeldstärke installiert werden, die Leistungsfähigkeit der Hochfrequenz-Empfangssysteme verbessert oder effizientere Bildaufnahme- und Rekonstruktionstechniken entwickelt werden. Das wissenschaftliche Ziel dieses multidisziplinären Projekts ist es, all diese Strategien zu vereinen und damit die bis dato vorhandenen Technologien für ultra-hochaufgelöste MR-Bildgebung zu übertreffen. Die biomedizinische Anwendung dieses Projekts ist ultra-hochaufgelöste Bildgebung (<100 m) von Gelenken der Extremitäten zur Untersuchung von Gelenksverletzungen, Nervenschäden und der Früherkennung von Knochenerosionen bei chronischer Polyarthritis. Als technologisches Ziel steht die Entwicklung eines flexiblen und hochsensitiven Hochfrequenz-Spulen-Arrays im Vordergrund, bestehend aus 32 miniaturisierten Spulenelementen mit 23 cm Durchmesser für die Bildgebung bei einer Feldstärke von 7 Tesla im Ganzkörper-MRT. Dieses innovative Instrument passt sich durch seine Flexibilität der Oberfläche des zu untersuchenden Organs an und dient somit als multifunktionales Empfangsinstrument für verschiedenste anatomische Regionen. Das Empfangsgerät wird auf Basis des "monolithic transmission line resonator" Prinzips entwickelt. Das Design erfolgt durch numerische Simulation, die Prototypen werden auf flexiblem Teflonsubstrat realisiert. Parallel dazu werden die elektronischen Schaltungen und Aufnahmetechniken entwickelt. Elektromagnetische Labortests werden durchgeführt und die Leistungsfähigkeit des Bildaufnahmesystems evaluiert, um den diagnostischen Mehrwert der erhaltenen Bilddaten darzustellen. Als Endprodukt des Projekts wird ein innovatives, hochempfindliches Empfangssystem samt optimierter Bildaufnahmetechniken zur Verfügung stehen, welches die 3D-Darstellung von Gelenks- und Nervenstrukturen in vivo bei bis dato unerreichter räumlicher Auflösung erlaubt. Es wurden vier thematisch abgegrenzte Arbeitspakete definiert, um effiziente, parallele Fortschritte in Instrumentierung und Methodik zu gewährleisten. Alternativstrategien für alle kritischen Aufgaben garantieren den Erfolg des Projekts im geplanten Zeitrahmen. Das vorliegende Projekt nützt auf optimal synergetisch Weise die Multidisziplinarität und die komplementären Kompetenzen der Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (IR4M, Université Paris-Sud, Orsay, Frankreich) und des Exzellenzzentrums für Hochfeld-Magnetresonanz (MRCE, Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik, Medizinische Universität Wien). Das Konsortium wurde speziell zusammengestellt, um alle wichtigen Fragen, die in diesem Zusammenhang auftreten können, abzudecken. Die Kombination der langjährigen Expertise des IR4M in Methodik und Instrumentation für die MRT, sowie der international herausragenden Erfahrung des MRCE in der hochauflösenden Ultra-Hochfeld MRT bietet eine einzigartige Plattform von wissenschaftlichem und technologischem Wissen, das diesem ambitionierten Projekt gerecht wird. Der Sensitivitätsgewinn, der in diesem Projekt erreicht wird, ist für die Diagnose von Gelenks- und Nervenschäden wesentlich, kommt aber ebenso anderen biomedizinischen Anwendungen der MRT, für die die Detektionsempfindlichkeit der limitierende Faktor ist, zugute. Dazu zählen Untersuchungen in der Kardiologie, Dermatologie und den Neurowissenschaften.

Die Magnetresonanztomografie (MRT) erlaubt in der medizinischen Bildgebung wertvolle Einblicke in den menschlichen Körper und ermöglicht so das frühzeitige Erkennen von Krankheiten. Zur Aufnahme der Bilder werden zusätzlich zur Magnetröhre sogenannte Spulen benötigt. Diese liefern umso bessere Datenqualität, je dichter sie sich an der untersuchten Stelle am Körper befinden. Das Forschungsprojekt FLEXAR7 beschäftigte sich mit ebensolchen Spulen mit der Besonderheit, dass diese flexibel gebaut sind, und sich somit eng an die Körperform anlegen können. Zusätzlich werden die Spulen in MR Geräten mit besonders hohem Magnetfeld (3 bzw. 7 Tesla) betrieben, wodurch das gemessene Signal ebenfalls erhöht wird. Mit der dadurch gewonnenen Datenqualität kann die Messung nun schärfere Bilder liefern und/oder in kürzerer Zeit durchgeführt werden. Im Rahmen einer österreichisch-französischen Kooperation haben die Forscherteams um Ass.-Prof. Dr. Elmar Laistler (Medizinische Universität Wien) und Assoc.-Prof. Jean- Christophe Ginefri (Universität Paris Süd) ein Verfahren entwickelt, mit dem flexible Spulen hergestellt werden können. Der wesentliche technologische Fortschritt besteht in der Verwendung von Strukturen, die ohne diskrete Elemente oder Lötstellen auskommen und durch vorherige Berechnung der Geometrie trotzdem die passende Resonanzfrequenz aufweisen. Angewandt wurde die Technik im Zuge des Forschungsprojekts auf eine Spule für die Herzbildgebung, eine Mehrzweckspule für detaillierte Messungen des Gehirns und diverser Gelenke, sowie einer Spule für die MR-mikroskopische Untersuchung von Gewebeproben. Der Gedanke der Flexibilität aus dem erfolgreich abgeschlossenen FLEXAR7 Projekt wird von den beiden Forscherteams unter Einbeziehung einer dritten Gruppe um Prof. Jacques Felblinger (Universität von Nancy/Lothringen, Frankreich) in einem nächsten, bereits gestarteten Forschungsvorhaben fortgeführt. Ziel ist es, eine flexible, weiche Weste zu entwickeln, mit der Brustkrebsuntersuchungen im MRT durchgeführt werden können.