In der Arbeitsgruppe Medizinische Physik werden MRT-Bildgebungssequenzen entwickelt mit denen es möglich ist MRT-Daten mit ultra-kurzen Echozeiten (UTE) von 40µs aufzunehmen. Erreicht wird dies durch eine wie in nebenstehender Abbildung gezeigte dreidimensionale radiale Ortskodierung in Kombination mit einer nichtselektiven sehr kurzen Hochfrequenzanregung. Aktuelle Forschungsprojekte befassen sich dabei neben der Entwicklung der eigentliche MRT-Bildgebungssequenzen auch mit der Implementierung und Optimierung der Algorithmen welche zur Rekonstruktion und Verarbeitung der UTE-Daten notwendig sind.
MRT Bildgebung mit ultrakurzen Echozeiten (UTE)
Mit herkömmlichen MRT-Bildgebungssequenzen lassen sich kompakte Gewebe mit sehr kurzen T2*-Relaxationszeiten typischerweise nicht direkt darstellen. Das messbare MRT-Signal solcher Gewebe ist in der Regel wieder Zerfallen bevor die ersten Messdaten überhaupt aufgenommen werden können. Ursache hierfür ist bei klassischen MRT-Bildgebungssequenzen typischerweise die Ortskodierung im k-Raum die hier kartesisch, also Zeile für Zeile, durchgeführt wird. Durch diese kartesische Ortskodierung liegt bei klinischen MRT-Geräten die kürzestmögliche Echozeit, also die Zeit zwischen dem erzeugen eines messbaren MRT-Signals und der Datenakquisition bei 1 und 2 ms. Alle Gewebe dessen Signal deutlich schneller zefällt bzw. ins Gleichgewicht relaxiert sind damit nicht direkt darstellebar. Typischerweise betrifft dies kompakte Gewebe und Strukturen wie Sehnen und Bändern sowie Knochen.
Forschungsschwerpunkte
Die Forschungsschwerpunkte der MRT-Bildgebung mit ultrakurzen Echozeiten liegen in der Arbeitsgruppe Medizinische Physik in der direkten Darstellung von Sehnen und Bändern sowohl im statischen als auch dynamischen Zustand, der Segmentierung und Darstellung des Schädelknochens und der Herzbildgebung an Kleintieren. Ein weiterer Schwerpunkt stellt dabei die Quantifizierung von den Relaxationsparametern T1 und T2* mittels der UTE Bildgebungstechnik dar.
Ein wichtiges in der Arbeitsgruppe durchgeführtes Forschungsprojekt befasst sich aktuell mit der direkten Darstellung von Sehnen und Bändern im MRT. Neben der reinen Darstellung von Sehnen und Bändern mit Hilfe der UTE-Bildgebung steht hier auch die Quantifizierung verschiedener Parameter mit der Frage im Vordergrund wie die sich bei verschiedenen Krankheiten oder Belastungen ändern. Dazu zählt auch die Darstellungen von Sehnen und Bändern während der Bewegung. Zu diesem Zweck kommen verschiedene entwickelte Ergometerkonstruktionen zum Einsatz um gezielte und geführte Bewegungen des Knie- und Fußgelenkes direkt im MRT durchführen zu können. Die Anwendung der UTE Technik für die Bildgebung von Sehnen und Bändern wird aktuell durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert mit dem Projekttitel:
"Entwicklung MRT-basierter Verfahren und Technologie zur nicht-invasiven-Erfassung von mechanischen Beansprungen in Geweben: Bewegung und Dehnung von Weichgewebestrukturen am Beispiel des Kniegelenkes"
Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung mit ultrakurzen-Echozeiten stellt aktuell die MR-Bildgebung am mennschlichen Schädel dar. Die knöcherne Grundstruktur des Kopfes wird aus vielen verschiedenen teils paaringen und teils unpaarigen Schädelknochen gebildet, wobei die Knochenplatten der Schädelkalotte durch einen dreischichtigen Aufbau Charakterisiert sind. Besonders die äußere und innere Schicht sind äußerst kompakt und durch sehr kurze T2*-Relaxationszeiten mit dem MRT ohne die UTE-Bildgebung in der Regel nicht darstelltbar.
Im Rahmen der Forschung werden hier neue Bildverarbeitungsalgorithmen entwickelt um nicht nur den Schädel überhaupt durch die UTE-Bildgebung mit einem positivein Bildkontrast darstellen zu können, sondern um diesen auch vom restlichen Gewebe abzugrenzen und zu segmentieren. Dafür wird die UTE Bildgebung dahingehend erweitert um auch die T2*-Relaxationszeit jeden Voxel des Schädelknochens quantifizieren zu können.
Dabei wird untersucht ob sich anhand der extrahierten Relaxationszeit Änderungen in der Struktur und Zusammensetzung des Schädelknochens erkennen lassen. Eine Anwendung für die entwickelte Technik wird aktuell in der pädiatrische Bildgebung erforscht bei der der Wachstums und Verknöcherungsprozess des Schädelknochens bei Kindern zu untersucht wird.
Durch die ultra-kurzen Echozeiten der UTE Bildgebung ergibt sich neben der Möglichkeit Gewebe mit kurzen T2*-Relaxationszeiten darzustellen ein weiterer Vorteil: eine sehr hohe Robustheit gegenüber Suszeptbilitätsartefakten. Diese können besonders dann entstehen, wenn sich die magnetische Suszeptiblität sehr stark ändert, z.b. bei Übergängen zwischen Gewebe und Luft oder bei sehr schnellen Bewegungen. Dies kann besonders bei der Herzbildgebung zu Bildartefakten führen und wird bei der Herzbildgebung von Kleintieren aufgrund eines sehr schnellen Blutflusses nochmals verschlimmert.
Um eine verbesserte Herzbildgebung an Mäusen zu realisieren wurde in Kooperation mit dem Instituts für Medizinische Mikrobiologie die UTE Bilgebungstechnik um eine sogenannten Flusskodierung erweitert. Dies ermöglicht am 9.4T Kleintier Forschungs MRT der Arbeitsgruppe die Durchführung von Herzmessungen an Mäuse, wobei durch die Flusskodierte UTE-Technik quantitative Aussagen zur Richtung und Stärke des Blutflusses im schlagenden Mausherz getroffen werden können.
Kontakt
Wir suchen immer nach naturwissenschaftlichen Studenten die sich bei Interesse jederzeit für Forschungspraktika oder eine Abschlussarbeit bewerben können. Bewerber sollten herausragende Leistungen vorweisen können und bereit sein, mit vollem Engagement ein Forschungsprojekt im Rahmen der Bildgebung mit ultra-kurzen Echozeiten zum Erfolg zu führen.
Die Forschung mit ultra-kurzen Echozeiten wird in der AG Medzinischen Physik des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radilogie geleitet durch:
Publikationen
Fachzeitschriften
NM Brisson, M Krämer, LAN Krahl, A Schill, JR Reichenbach, GN Duda (2022). A novel multipurpose device for guided knee motion and loading during dynamic magnetic resonance imaging. Zeitschrift fur Medizinische Physik, Online ahead of print
MB Maggioni, M Krämer, JR Reichenbach (2021). Optimized gradient spoiling of UTE VFA-AFI sequences for robust T1 estimation with B1-field correction. Magnetic Resonance Imaging (82), 1-8
M Krämer, MR Kollert, NM Brisson, MB Maggioni, GN Duda, JR Reichenbach (2020). Immersion of Achilles tendon in phosphate-buffered saline influences T1 and T2* relaxation times: An ex vivo study. NMR in Biomedicine, e4288
M Krämer, B Herzau, JR Reichenbach (2019). Segmentation and visualization of the human cranial bone by T2* approximation using ultra-short echo time (UTE) magnetic resonance imaging. Zeitschrift Fur Medizinische Physik
M Krämer, MB Maggioni, NM Brisson, S Zachow, U Teichgräber, GN Duda, JR Reichenbach (2019). T1 and T2* mapping of the human quadriceps and patellar tendons using ultra-short echo-time (UTE) imaging and bivariate relaxation parameter-based volumetric visualization. Magnetic Resonance Imaging (63), 29-36
M Krämer, A Motaal, K-H Herrmann, B Löffler, J R Reichenbach, G Strijkers, V Hoerr (2017). Cardiac 4D phase-contrast CMR at 9.4 T using self-gated ultra-short echo time (UTE) imaging. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance (19),39
K Herrmann, M Krämer, J R Reichenbach (2016). Time Efficient 3D Radial UTE Sampling with Fully Automatic Delay Compensation on a Clinical 3T MR Scanner. PLOS ONE (11),e0150371
Konferenzbände
M Krämer, A G Motaal, K-H Herrmann, B Löffler, J R Reichenbach, G J Strijkers, V Hoerr (2017). Cardiac 4D phase-contrast MRI at 9.4 T using self-gated ultra-short echo time (UTE) imaging. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (25), 3214
M Krämer, K-H Herrmann, A G Motaal, J R Reichenbach, G J Strijkers, V Hoerr (2016). Self-Gated 4D Phase Contrast in Mice using Ultra-Short Echo Time Imaging. Proceedings of the European Society of Magnetic Resonance in Medicine and Biology (33), 179
K-H Herrmann, A Mheryan, M Stenzel, H J Mentzel, U Teichgräber, Richenbach J R (2015). Ultra short echotime MRI to locate foreign objects: Initial phantom results. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (23)
M Krämer, K-H Herrmann, H Boeth, C Tycowicz, C König, S Zachow, R M Ehrig, H-C Hege, GN Duda, J R Reichenbach (2015). Measuring 3D knee dynamics using center out radial ultra-short echo time trajectories with a low cost experimental setup. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (23)
K-H Herrmann, M Krämer, J R Reichenbach (2014). Scantime optimized 3D radial Ultra-short Echo Time imaging for breathhold examinations. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (22)
K-H Herrmann, M Krämer, M Stenzel, H-J Mentzel, J R Reichenbach (2014). First promising results using Ultra-short Echo time MR imaging for bone tumor diagnosis. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (22)
K-H Herrmann, M Krämer, J R Reichenbach (2013). High resolution radial 3D ultra-short Echo time imaging in vivo. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (21)
L Huang, F Schweser, K-H Herrmann, M Krämer, A Deistung, J R Reichenbach (2013). Conductivity Imaging Using An Ultra-short Echo Time Sequence. Proceedings of the German Chapter of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (16)
F Schweser, L Huang, K-H Herrmann, M Krämer, A Deistung, J R Reichenbach (2013). Evidence of tissue conductivity as a source of signal inhomogeneities in Ultrashort Echo Time (UTE) imaging. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (21)
F Schweser, L Huang, K-H Herrmann, M Krämer, A Deistung, J R Reichenbach (2013). Conductivity mapping using Ultrashort Echo Time (UTE) imaging. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (21)
F Schweser, L Huang, K-H Herrmann, M Krämer, A Deistung, J R Reichenbach (2013). Tissue conductivity can introduce signal inhomogeneities in Ultrashort Echo Time (UTE) imaging (MRT). Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik (44)