Next Generation CEST MRI for Accelerated Non-invasive Metabo

Die Magnetresonanzbildgebung (MRI) ist ein wichtiges medizinisches Bildgebungsverfahren, das exzellenten Weichteilkontrast mit einer hohen räumlichen Auflösung vereint und auch funktionelle Informationen liefern kann. Pathologische Prozesse sind aber oft durch molekulare oder metabolische Veränderungen charakterisiert die vor morphologischen Effekten zu beobachten sind. Manche Metaboliten sind mit der verwandten Methode der MR-Spektroskopie erfassbar, die Sensitivität dieses Verfahrens ist jedoch relativ gering und sie wird meist auch nur lokal für ein bestimmtes Volumen eingesetzt. Das CEST MRI ist ein Verfahren, das Bilder der Verteilung von bestimmten Metaboliten im Gewebe anfertigen kann und daher die Anwendungsmöglichkeiten des MRI für die Präzisionsmedizin entscheidend verbreitert. Dazu wird der sogenannte Chemical Exchange Saturation Transfer von Wasserstoffkernen genutzt. Mit diesem Effekt kann durch den hohen Wassergehalt im Gewebe die Sensitivität für spezifische Molekülgruppen bis zum tausendfachen oder auch darüber erhöht werden. Diese vielversprechende Technik verlangt aber noch essentielle methodische Entwicklungen für die diagnostische Anwendung in der Klinik. Dementsprechend zielt diese Projekt zielt darauf ab, CEST-MRI entscheidend weiterzuentwickeln, indem es neue Methoden in der Bild- und Kontrastkodierung mit aktuellen mathematischen Ansätzen zur Bildrekonstruktion und Datenanalyse kombiniert. Damit soll eine schnelle und quantitative metabolischer Bildgebung an klinischem verwendbaren MR-Systemen erreichen werden. Dabei werden etablierten Grenzen, wie sie zum Beispiel vom Nyquist-Shannon-Abtasttheorem vorgegeben werden, deutlich überschritten. Das Projekt gliedert sich in zwei überlappende Arbeitsbereiche. Einerseits wird die Signalanregung zur Kodierung der metabolischen Information optimiert. Anderseits wird durch die Entwicklung neuer Mess- und Rekonstruktionsverfahren die Untersuchungszeit massive verkürzt. Die neu entwickelten Verfahren werden auf verschiedenen Magnetfeldstärken untersucht, von 3T bis zu allerhöchsten in-vivo Feldstärken mit 9.4T. Um diese Ziel zu erreichen bedarf es einer interdisziplinären internationalen Kooperation. Die österreichische Gruppe (R. Stollberger, K. Bredies) hat ihre Stärke in der Entwicklung und Implementierung neuer MRI-Methoden, die auf mathematischer Optimierung und variationellen Bildrekonstruktionsverfahren basieren. Die deutsche Gruppe (M. Zaiss) verfügt über umfassende Erfahrungen mit allen Aspekten des CEST-MRI und hat auch Zugang zu modernsten in-vivo UHF-Systemen. Bei erfolgreicher Projektumsetzung kann ein entscheidender Beitrag für eine bessere und patienten- freundlichere Erfassung metabolischer Information mittels MRI geleistet werden. Dies ist eine wichtige Basis für breitere klinische Anwendung im Biomarker Imaging und in der Präzisionsmedizin.

Pathologische Prozesse sind typischerweise durch molekulare und metabolische Veränderungen charakterisiert. Die in-vivo Bestimmung diese Größen ist daher von großem Interesse für die Medizin. Im Bereich der MR-Tomographie bietet das CEST ("chemical exchange saturation transfer") Verfahren eine Möglichkeit molekulare Information als Bild zu bestimmen. Die Nutzung dieser Methode ist nach wie vor Gegenstand von Forschung und Entwicklung. In diesem Projekt wurden nun wesentliche Elemente der noch immer gegebenen Herausforderungen substantiell verbessert. So ist es gelungen die gepulste Kodierung der CEST-Information so zu optimieren, dass die gemessene spektrale Information den theoretischen Voraussetzungen für Quantifizierungsverfahren genügt, dass sie robust in verschiedenen Anwendungsfällen ist und darüber hinaus auf den üblichen klinischen MR Tomographen gewonnen werden können. Im einem weiteren Projektbereich wurde untersucht wie dynamische Ausgleichsvorgänge der Kernmagnetisierung von wassergebundenen Protonen und solchen in sogenannten labilen Molekülen für die integrierte Messung aller notwendigen Informationen verwendet werden kann. Durch neu entwickelte bio-physikalische Modelle ist es nun möglich die quantitative Auswertung mittels modellbasierter Rekonstruktion durchzuführen. Dieser Ansatz führt in einem Schritt zum gewünschten quantitativen Ergebnis. Darüber hinaus kann durch die Art der Rekonstruktion eine deutlich bessere Bildqualität bei kürzere Messzeit erzielt werden. Das Rekonstruktionsverfahren verwendet mathematische Optimierungsverfahren, die auch elementare Bestandteil des Maschine Learning sind. Im Rahmen der internationalen Kooperation wurde bei Messungen an Ultra-Hochfeldsystem entdeckt, dass die Annahmen von singulären Pools für spezifische CEST Resonanzen nicht hinreichend ist und, dass für die Optimierung der Sättigungspulse bei diesen Feldstärken ein Multipool Model verwendet werden muss. Dadurch und durch Änderung einer Randbedingung der Optimierung konnte auch in diesen Fällen die gepulste Sättigung die gewünschte Performance erreichen. Im Kooperationsteil des Projektes wurde auch erfolgreich an Strategien geforscht damit die Messequenzen die gewünschten und modellierten Signalverläufe erzielen.