Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Magnetresonanzbildgebung möglich auch bei Frequenzen unterhalb 1 kHz

Ansprechpartner: Dr. Rainer Körber

In der Magnetresonanzbildgebung (MRI) gibt es einen deutlichen Trend hin zu immer höheren Magnetfeldern für die Tomographen in der Klinik, von aktuell 1.5 T bis zu 7 T, dies entspricht Larmor Frequenzen von 63,8 MHz bis 298 MHz. Dieser Trend basiert darauf, dass mit steigendem Magnetfeld die Magnetisierung steigt und somit auch die erreichbare Bildauflösung. Andererseits gibt es in den letzten Jahren erfolgreiche Bildgebung verschiedener Forschergruppen bei Magnetfeldern unterhalb des Erdmagnetfelds (~ 50 mT, dies entspricht Frequenzen von ~ 2 kHz). Das Ziel unserer Entwicklung ist die Bildgebung bei noch niedrigeren Frequenzen, die bei menschlicher Hirnaktivität im Kopf ausgelöst werden. Diese Frequenzen liegen im Bereich von DC bis etwa 1 kHz. Dazu wurde an der PTB ein Prototyp eines solchen Messgeräts hergestellt und erfolgreich bei Larmor Frequenzen von 100 Hz und 731 Hz getestet. Bei diesen Frequenzen kann die Hirnaktivität die Magnetresonanzbildgebung direkt beeinflussen und würde dann eine direkte funktionelle Bildgebung von Hirnaktivität erlauben.

Prototyp eines Magnetresonanzbildgebungsaufbaus innerhalb einer magentisch geschirmten Kabine. Foto: PTB

Eine Grundvoraussetzung der Magnetresonanzbildgebung unterhalb des Erdmagnetfelds (~ 50 mT, dies entspricht einer Frequenz von ~ 2 kHz) ist eine ausreichende Unterdrückung des Erdmagnetfeldes und anderer äußerer Umgebungsstörfelder. Die auf dem PTB-Gelände gemessenen Umgebungsstörungen betragen bei einer Frequenz von 1 kHz etwa 1-2 pT/√Hz und bei 100 Hz etwa 15 pT/√Hz. Deshalb wurden die MRI Experimente alle innerhalb einer speziell gestalteten magnetischen Schirmkabine AK3b von der Vaccumschmelze Hanau (VAC) durchgeführt. Sie besteht aus 2 Lagen Mu-Metall und einem Wirbelstrom-Schirm aus verkupfertem Aluminium, ist begehbar und hat innere Maße von 2,5   2,5   2,3 m³. Ein speziell designtes Spulensystem um die Mu-Metall-Lagen herum ermöglicht eine ausgezeichnete Entmagnetisierung der Schirmkabine. Nach der Entmagnetisierung sind die magnetischen Restfelder im Messvolumen von 1 m³ kleiner als 1.5 nT mit einem Gradienten < 20 pT/cm.

Als Magnetfeldsensor wird ein 1-Kanal-SQUID-System der PTB mit einem angeschlossenen axialen Gradiometer 1. Ordnung aus Niobdraht mit einer Pickup-Spule mit 20 mm Durchmesser und einer Gradiometerbasislänge von 120 mm verwendet. Das SQUID selbst ist innerhalb einer supraleitenden Niob-Schirmung untergebracht, um es vor den relativ hohen Polarisationsfeldern von bis zu 50 mT zu schützen. Das SQUID-System arbeitet in einem für diese Aufgabe umgebauten Glasfaser-Helium-Kryostaten und hat ein Rauschniveau von etwa 1,9 fT/√Hz bei 1 kHz.

Ergänzt wurde das SQUID-System mit einem Spulenaufbau, der aus der Polarisationsspule zum Aufmagnetisieren der Proben und aus den Bildgebungsspulen besteht. Die Polarisationsspule kann Magnetfelder bis maximal 50 mT erzeugen. Dieses Feld wird dann sehr schnell abgeschaltet und ist während der eigentlichen Bildsequenz nicht mehr aktiv. Die Bildgebungsspulen erzeugen einerseits das Haltefeld (2 mT für eine Frequenz von 100 Hz bzw 17 mT für eine Frequenz von 731 Hz) sowie die nötigen Gradientenfelder (~ 30 μT/m). Der ganze Aufbau ist im Foto zu sehen.

Mit diesem Aufbau konnten 2D Magnetresonanzbilder von verschiedenen Proben bei Frequenzen von 731 Hz und 100 Hz erzeugt werden. Diese Proben bestanden aus kleinen Behältern mit Flüssigkeiten, die dem Gehirn ähnliche T1 und T2-Relaxationszeiten besaßen. Die notwendigen Messzeiten lagen in der Größenordnung von etwa 1 Stunde.

Der Messaufbau könnte bei einer weiteren Steigerung der Messempfindlichkeit Hirnströme direkt messen. Dazu muss die Empfindlichkeit noch um mindestens eine Größenordnung verbessert werden. Dies kann durch verschiedene Massnahmen (Rauschreduzierung, Polarisationserhöhung, Verbesserung der Stromquellen für die Bildgebungsspulen) erreicht werden.

Die hier vorgestellte Methode zur Messung von Hirnströmen mittels Niederfeld MRI würde dann die direkte Darstellung der Hirnströme im anatomischen Bild ermöglichen und somit die fehlerbehaftete Schätzung der Ursprünge der Hirnströme aus dem EEG vermeiden. Somit hätte die Neurowissenschaft dann einen direkten Zugang zu den Hirnströmen und ihren Entstehungsorten.

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Ingo Hilschenz, Rainer Körber, Hans-Helge Albrecht, Antonino Cassara, Tommaso Fedele, Stefan Hartwig, Hans-Jürgen Scheer, Lutz Trahms, Jürgen Haase and Martin Burghoff
MAGNETIC RESONANCE IMAGING AT FREQUENCIES BELOW 1 kHz
J MRI, 2012, accepted.