Quantitative Suszeptibilitätskartierung (QSM)

Bei der quantitativen Suszeptibilitätskartierung (Quantitative Susceptibility Mapping; QSM) handelt es sich um ein neuartiges Verfahren, das die Möglichkeiten der Magnetresonanztomographie (MRT) in vieler Hinsicht erweitert. Das Verfahren basiert auf dem physikalischen Phänomen, dass Objekte, die einem magnetischen Feld ausgesetzt sind, sich selbst magnetisieren und das angelegte Magnetfeld verzerren.

Projektbeschreibung

Mathematisch gehört die Suszeptibilitätskartierung zu der Klasse der sogenannten inversen Probleme, deren Lösbarkeit in der Regel sehr schwierig ist und absolut artefaktfreie Eingangsdaten erfordert. Bei inversen Problemen gehen in der Regel schon geringe Fehler in den Eingangsdaten mit einer erheblichen Verschlechterung der erhaltenen Lösung einher. Die Arbeitsgruppe Medizinische Physik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Strategien zur Erzeugung hochwertiger Eingangsdaten und zur Lösung des inversen Problems. Darüber hinaus untersuchen wir das klinische Potential dieser neuen Methode.

Wissenschaftliche Motivation

Abb. 1: Konventionelles Gradientenecho-Betragsbild (links) und dazugehöriges Phasenbild (rechts) des menschlichen Gehirns. Bei den dargestellten Bildern handelt es sich um unprozessierte Bilder, wie sie an einem klinischen MRT-Gerät gemessen werden können (Magnetfeldstärke 3T).

Durch ständige Verbesserungen der Bildqualität und Reduktion der Messzeit hat sich die MRT in den vergangenen Jahrzehnten zu einem der bedeutendsten Verfahren der medizinischen Bildgebung entwickelt. Dies liegt nicht zuletzt an der einzigartigen Möglichkeit der MRT, eine Vielzahl verschiedenartiger und komplementärer Gewebekontraste zu produzieren. Dazu gehören beispielweise das gezielte Ausnutzen unterschiedlicher Relaxations-, Diffusions- oder Perfusionseigenschaften zwischen verschiedenen Geweben, die auf den MRT-Bildern sichtbar gemacht werden. Einer der letzten, bisher nicht nutzbaren Kontraste ist die direkte Darstellung der magnetischen Suszeptibilität auf einem MRT-Bild. Diese Größe stellt zwar die Grundlage der seit längerem etablierten funktionellen Bildgebung dar, in der anatomischen Bildgebung war sie aber lange Zeit nur als „Suszeptibilitätsartefakt“ bekannt war. Tatsächlich ist die magnetische Suszeptibilität eine grundlegende intrinsische physikalische Gewebeeigenschaft, die bisher weder klinisch noch in der Grundlagenforschung direkt zugänglich war. Der immense diagnostische Nutzen des Suszeptibilitätskontrastes wurde erst kürzlich durch die Etablierung der sogenannten suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung (SWI) demonstriert. Der SWI-Kontrast repräsentiert die zugrunde liegende Suszeptibiliätverteilung jedoch lediglich indirekt und rein qualitativ. Die SWI stellt somit keinen echten Suszeptibilitätskontrast dar.

Bedeutung

Abb. 2: Links ist ein korrigiertes Phasenbild dargestellt, das mit einem in unserer Gruppe entwickelten Korrekturverfahren, SHARP, aus den Messdaten berechnet wurde. Basierend auf diesem Bild kann eine Karte der magnetischen Suszeptibilität berechnet werden. Eine solche Karte ist im rechten Bild dargestellt. Der variierende Eisengehalt in den Kernen der Basalganglien wie Pallidum, Thalamus oder Putamen, ist in diesem Bild deutlich sichtbar.

Erste klinische Anwendungen konnten erfolgreich demonstrieren, dass die Suszeptibilitätskartierung eine hochspezifische Differenzierung von Blutungen und Kalzifikationen im menschlichen Gehirn ermöglicht. Weiterhin wurde in den eisenbeladenen Kernregionen der Basalganglien, des Mesencephalons und des Kleinhirns eine anatomische Darstellung erreicht, die den derzeit mit konventionellen Verfahren möglichen Kontrast weit übertrifft (siehe Abb. 2 rechts). Eine anatomisch korrekt lokalisierte Darstellung tiefer Kernregionen ist insbesondere in der neurochirurgischen Praxis von herausragender Bedeutung, wie beispielsweise – im Zusammenhang mit der tiefen Hirnstimulation bei Behandlung der Parkinson-Krankheit – die korrekte Abbildung der subthalamischen Kerne. Mithilfe der Suszeptibilitätskartierung ist prinzipiell auch eine Darstellung der lokalen Eisenverteilung im Gehirn möglich. Eine in vivo Kartierung von Eisen im Gehirn könnte einen völlig neuen Zugang zur Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen zahlreicher neurodegenerativer Krankheiten ermöglichen. Aus post mortem Untersuchungen ist beispielsweise bekannt, dass Alterungsvorgänge oder Multiple Sklerose mit Veränderungen der Eisenverteilung im Gehirn verbunden sind. Da bisher die Ursache dieser neurologischen Veränderungen nicht abschließend geklärt werden konnte, ist die klinische Nutzbarmachung der Suszeptibilitätskartierung nicht nur ein substantieller Beitrag zur medizinischen Grundlagenforschung, sondern könnte darüber hinaus perspektivisch zur Etablierung eines neuartigen, bisher nicht verfügbaren (Früh-)Markers für diese Krankheiten führen.

Abb. 3: Suszeptibilitätskarte der linken Hirnhälfte (links) und histologisch aufbereitete Eisenfärbung der rechten Hirnhälfte (rechts) desselben Gehirns. Helle Signalintensitäten im MRT-Bild und verstärkte Bräunung in der Eisenfärbung kennzeichnen erhöhte Eisenkonzentrationen. Diese Darstellung konnte durch Unterstützung von Kollegen der Fachhochschule Klagenfurt und der Medizinischen Universität Wien realisiert werden.

Wir sind momentan dabei mit Hilfe nationaler und internationaler Kollegen das Potential der Suszeptibilitätskartierung für verschiedene klinischen Fragestellungen (z.B. Multiple Sklerose, spontane und heriditäre Ataxie, Schlaganfall) und die biophysikalischen Ursachen des Suszeptibilitätskontrastes (s. Abb. 3) genauer zu untersuchen.

Die langfristige Bedeutung der magnetischen Suszeptibilitätskartierung für die medizinische Grundlagenforschung und klinische Routine ist derzeit noch nicht abzusehen. Da die magnetische Suszeptibilität eine intrinsische Gewebeeigenschaft darstellt, ist davon auszugehen, dass die Verfügbarkeit dieser grundlegenden Größe, wie zuletzt die Verfügbarkeit der diffusionsgewichteten Bildgebung, einen revolutionären Schritt zu einer verbesserten Gewebecharakterisierung, aber auch zur Erforschung, Diagnose und Therapie zahlreicher neurologischer Erkrankungen darstellen wird.

Kontakt

Wir suchen immer nach naturwissenschaftlichen Studenten die sich bei Interesse jederzeit für Forschungspraktika oder eine Abschlussarbeit bewerben können. Die Bewerber sollten herausragende Leistungen vorweisen können und bereit sein, mit vollem Engagement ein Forschungsprojekt im Bereich der quantiativen Suszeptibililitätskartierung zum Erfolg zu führen.

Die Forschung der quantitativen Suszeptibilitätskartierung wird in der AG Medizinischen Physik des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie geleitet durch:

Prof. Dr. rer. nat. med. habil. Jürgen R. Reichenbach

Medizinische Physik / IDIR,
Leiter der Arbeitsgruppe Medizinische Physik

Philosophenweg 3
07743 Jena

Telefon: +49 3641 9-390701
Fax: +49 3641 9-390728
Web

Publikationen

Fachzeitschriften

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Deistung, A., Schäfer, A., Schweser, F., Biedermann, U., Turner, R., Reichenbach, J.R., 2013b. Toward in vivo histology: a comparison of quantitative susceptibility mapping (QSM) with magnitude-, phase-, and R2*-imaging at ultra-high magnetic field strength. Neuroimage 65, 299-314.

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