Die Expertise nationaler Metrologieinstitute wird mit klinischen und akademischen Forschungsansätzen gebündelt, um die metrologischen Barrieren bei der Diagnostik und Therapie neurodegenerativer Erkrankungen zu überwinden. Das Projekt wird zu einer metrologischen Infrastruktur beitragen, die a) eine Frühdiagnose erlaubt, b) den Krankheitsverlauf verfolgt, c) den Erfolg therapeutischer klinischer Studien monitort und d) den Verlauf von Interventionen zur Verbesserung der Lebensqualität verfolgt.

In der AG 8.12 wird in Kooperation mit der Charité bei Patienten mit Alzheimer-Erkrankung, leichter kognitiver Beeinträchtigung und gesunden Kontrollpersonen ein zu etablierendes Protokoll von MR-Messungen im Ultrahochfeld angewendet, um Biomarker zu identifizieren und quantifizieren.

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Cancer patients are treated with radiotherapy in which a high dose of ionizing radiation is used to target and kill cancerous cells. MR-guided radiotherapy, the simultaneous use of Magnetic Resonance (MR)-imaging and Megavolt (MV) photon irradiation allows to see what you treat, and will lead to a step change in radiotherapy the coming years. Improved metrology in dosimetry and imaging for the safe clinical implementation and to support future innovations in MR guided radiotherapy is of great importance.

A special problem of MR-guided radiotherapy in presence of intra-fractional anatomy changes consists of inner organ landmark tracking by real-time MR imaging. Before utilization in radiotherapy the robustness and reliability of such MR procedures must be independently assessed and verified. It was shown previously [24] that the synergetic use of multi-channel UWB radar and MRI is capable of gaining complementary information to reduce uncertainties and to improve reliability of inner organ landmark tracking. The project will go beyond state of the art by using the technique in MR-guided radiotherapy and will overcome the challenges to process the UWB radar data and to fuse them with the MRI information in real-time.

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Schwere Operationen bei älteren Menschen (> 65 Jahre) führen in vielen Fällen kurzfristig zu schweren kongitiven Störungen (postoperatives Delirium, POD), die u.a. die spätere Anfälligkeit für dementielle Erkrankungen erhöhen können. Im Rahmen einer umfangreichen multimodalen Studie an 800 Personen wird bei einer Subgruppe von n = 80 im Ultrahochfeld (7 T) MR-Spektroskopie zur Identifikation von Biomarkern sowie resting-state-fMRI durchgeführt. Für die Volumenbestimmung des Nucleus basalis Meynert, eines in diesem Zusammenhang bedeutenden Kerns im basalen Vorderhirn, wird eine Quantifizierungstechnik mittels hochaufgelöster UHF-Bildgebung entwickelt.

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Teilprojekt: Untersuchung der Altersabhängigkeit des Effekts der transkraniellen Gleichstromsimulation auf die GABA-Konzentration und die Ruhekonnektivität im Gehirn

Das Teilprojekt untersucht den Einfluss von anodaler transkraniellen Gleichstromsimulation (tDCS) auf Neurotransmitterkonzentrationen und Ruhekonnektivität im Gehirn. An gesunden Probanden aus drei Altersgruppen werden in einem Innersubjektdesign mittels MR-Spektroskopie vor und nach Intervention die Konzentrationen des inhibitorischen Neurotransmitters GABA sowie von Glutamat quantifiziert. Während der Intervention wird die Ruhekonnektivität des Gehirns bestimmt.

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Entwicklung von neuen bewegungskompensierten T₁-Mapping-Verfahren, die Modelle des MR-Signalverhaltens in der Bildrekonstruktion verwenden, um eine genaue T₁-Quantifizierung in der kürzestmöglichen Aufnahmezeit zu erreichen. Die Kooperation mit klinischen Partner an der Charité ermöglicht eine Evaluierung von neuen Methoden in der klinischen Praxis und eine Anwendung direkt am Patienten.

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Das Schwerpunktprogramm hat zum Ziel, mithilfe von Experimenten mit langsamen und ultrakalten Neutronen fundamentale Fragen der modernen Teilchen- und Astrophysik zu beantworten. Zu diesen gehören das Verständnis der Naturkräfte und der damit verbundenen Symmetrien sowie Untersuchungen zur Gravitationskraft bei sehr kleinen Abständen. Die PTB bearbeitet dabei das Teilprojekt "Development of a procedure to optimize magnetic shielding for spin precession experiments like nEDM".  2015 wurde in diesem Teilprojekt ein transportabler magnetisch abgeschirmter Raum mit einem Restfeld von < 700 Pikotesla und einem Feldgradienten von weniger als 300 pT/m in Betrieb genommen. In den magnetisch geschirmten Kabinen in der PTB Berlin und der TU München sollen Präzisionsmessungen der freien Präzession von hoch polarisierten Edelgaskernspins zur Suche nach einem elektrischen Dipolmoment im Xenonkern durchgeführt werden. Neben der apparativen Arbeit ist zudem die Datenanalyse ein wichtiges Arbeitsfeld, um die Unsicherheiten der zu bestimmenden Schranken aus den Messungen konsistent angeben zu können. Von derartigen Experimenten im Bereich extrem niedriger Energien werden neue Erkenntnisse in der Grundlagenphysik erwartet.

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A collaboration consisting of a specialist MRI enterprise, clinicians, physicists, and national metrology institutes was formed in order to develop a phantom-based quality assurance system for verification of T₁-measurement stability over time at individual sites. A phantom was designed and produced (by http://www.resonancehealth.com) covering clinically relevant ranges of T₁ and T₂ in blood and myocardium. At 16 sites the phantoms are regularly scanned using different T₁-mapping sequences and hardware, leading to a dataset for quality assessment and standardization.

Der Einsatz von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe-Gas in der Kernspintomographie erfährt in den letzten Jahren sowohl für den Einsatz im Tiermodell wie auch bei Humananwendungen deutlichen Auftrieb. Das natürliche Vorkommen von Xenon in der Atmosphäre und die Möglichkeit, nicht nur aus der Gasphase, sondern auch gelöst im Organismus Signale zu generieren, haben dazu beigetragen. Beim Standardverfahren zur Erzeugung der Hyperpolarisierung ist es aber nötig, ein Gasgemisch mit vergleichsweise geringem Anteil an Xenongas zu verwenden. Bisher wurde das Xenon meist durch kryogenes Ausfrieren von den Prozessgasen getrennt. Dieses Verfahren ist kompliziert und macht eine kontinuierliche Versorgung mit hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe nur sehr schwer möglich. Durch den Einsatz von semipermeablen Gastrennmembranen soll nun versucht werden, diese Nachteile zu eliminieren, so dass ohne aktive Steuerelemente ein kontinuierlicher Gasstrom von hoch polarisiertem Xenongas in hoher Konzentration am Ort der Verwendung zur Verfügung steht.

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Das erste Teilprojekt untersuchte 14-jährige Jugendliche und deren familiären Hintergrund in einer europaweiten Studie. Dabei wurden in acht Forschungszentren (London, Nottingham, Dublin, Berlin, Hamburg, Mannheim, Paris, Dresden) insgesamt ca. 2000 Jugendliche untersucht. Ziel war es, Aussagen zur mentalen Gesundheit und zum Verhalten gegenüber Risikofaktoren (Drogen, Glücksspiel ...) zu erhalten, und diese mit unabhängigen Messmethoden wie MRT und Genanalytik zu korrelieren. Hierzu erfolgten Befragungen, psychologische Tests, genetische Untersuchungen sowie ein zweistündiges MR-Untersuchungsprogramm mit fMRI, DTI und anatomischer Bildgebung. Durch die Wiederholung der Untersuchung an denselben Probanden im Alter von 18 und 21 Jahren werden wertvolle Daten zur Entwicklung gewonnen.

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In der Forschergruppe „Learning & habitization as predictors of the development & maintenance of alcoholism” untersucht das Teilprojekt die Rolle der dopaminergen und glutamatergen Neurotransmission in Alkoholmissbrauchsstörungen. Dazu wird bei alkoholabhängigen Patienten während des Entzugs mittels [18F]Fallypride-PET in der Charité und mit quantitativer Glutamatspektroskopie in der PTB der Einfluss der Dopmain-Glutamat-Interaktion auf Lerndefizite untersucht.

Bei modernen Methoden der externen Strahlentherapie mit Beschleunigern müssen die Bestrahlungsparameter so gewählt werden, dass eine möglichst große Wirkung im Tumorgebiet erzielt und gleichzeitig umliegendes, gesundes Gewebe optimal geschont wird. Dies wird erst durch den Einsatz bildgebender Verfahren möglich, wobei Bildgebung und Bestrahlung bisher sequenziell mit getrennten Geräten erfolgen. Eine Steigerungsform dessen stellt die Kombination eines bildgebenden Verfahrens, wie z.B. der MRT, mit einem Linearbeschleuniger in einem Gerät dar. Solche MR-Linac-Geräte erlauben es, auf zeitliche Änderungen der Anatomie einzugehen, bis hin zu einer Anpassung der Bestrahlung in Echtzeit (4-D). Dieser neue Entwicklungsschritt in der Strahlentherapie kann nicht nur die Erfolgschancen der Therapie in bestehenden Anwendungsfeldern erhöhen, sondern auch neue Anwendungsgebiete erschließen, z.B. bei der Therapie von Tumoren, die sich aufgrund von Atmung oder Herzschlag stark bewegen. Andererseits stellt die Zusammenführung zweier hochkomplexer Methoden auch vor eine Reihe neuer Herausforderungen im Bereich der Medizinphysik und -technik. Ein Aspekt ist hierbei die qualitätsgesicherte Dosimetrie im Strahlungsfeld eines MR-Linac-Gerätes. Zentrale Idee des vorliegenden Projekts ist es, die Eignung der Alanin-Elektronenspinresonanz für die qualitätsgesicherte Dosimetrie im Strahlungsfeld von kombinierten MR-Linac-Geräten zu untersuchen. Parallel dazu wird die Entwicklung eines MR-kompatiblen Sekundärnormals auf Alaninbasis vorangetrieben.

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The goal of this research project is to promote the safe use of MRI by providing the metrological underpinning for future safety standards and regulations. Specific topics of interest are:

• The distribution of radio-frequency electromagnetic fields within the human body
• Induced effects due to movements in the stray magnetic field of an MRI scanner
• Emerging technologies 1: "Ultrahigh" magnetic field strengths and parallel transmission
• Emerging technologies 2: Photon dosimetry for an MRI-accelerator combination
• Metallic implants

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Es sollte geprüft werden, ob sich MR-spektroskopisch erhöhte GABA-Konzentrationen bei Patienten mit wiederholten Schädelhirntraumata (SHT) nachweisen lassen. Da GABAerge Aktivität bei gesunden Probanden durch transkranielle Gleichstromsimulation (tDCS) polaritätsspezifisch moduliert werden kann, war auch in der Patientengruppe eine GABA-Modulation i. S. einer „Normalisierung“ zu erwarten. Zusätzliche TMS-Untersuchungen sollten darüber hinaus indirekt Aufschlüsse über die Veränderung der GABA-Konzentration bei Patienten nach SHT geben. Außerdem sollten Korrelationsanalysen zeigen, ob die Verringerung der GABA-Konzentration mit dem Lernerfolg in behavioralen Tests und in der kortikalen Plastizität assoziiert ist.

In  zwei  separaten  Sitzungen  (atDCS  vs.  sham)  wird  der  Einfluss  von  atDCS  auf  die  GABA-Konzentration  und  die funktionelle Konnektivität untersucht. T1 = T1-gewichtete MRT-Sequenz, atDCS = anodal transcranial direct current stimulation, fMRT = funktionelles MRT („resting state“-fMRT)

Einer der Schwerpunkte des Projekts war die Untersuchung des Zusammenhangs der Ruhe-GABA-Konzentration in einem sensorisch relevanten kortikalen Netzwerk (wie dem Gyrus temporalis superior) und der multisensorischen Integration durch neuronale Synchronisation. Dazu wurde GABA lokalisiert mittels MRS bestimmt und mit der EEG-Aktivität während multisenorischer Verarbeitung korreliert.

Ziel des Vorhabens war die systematische Untersuchung der Struktur-Funktions-Relation für Peptide in ihrer Wechselwirkung mit Mikrobenmembranen oder entsprechenden Modelsystemen. Im Mittelpunkt stand dabei die metrologische Charakterisierung antimikrobieller Substanzen für die Medizin. Im Ergebnis wurden Verfahren für die Quantifizierung relevanter Messgrößen für die Interaktion von Peptiden sowohl mit Liposomen als auch mit lebenden Zellen sowie Strategien für ihre Darstellung durch Bildgebung entwickelt und etabliert.

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In der quantitativen MRS des Gehirns entspricht es dem Stand der Technik, das Messsignal aus einem quaderförmigen Zielvolumen (Voxel) in der interessierenden Hirnregion zu gewinnen. An die Windungen der Großhirnrinde sind Quader allerdings nur schlecht anzupassen, so dass solche MRS-Voxel entweder sehr klein ausfallen müssen oder in hohem Maße durch Substanz von außerhalb des Zielareals kontaminiert sind. Die neue MRS-Sequenz SHAVE (SHAped Voxel Excitation) erlaubt es, in zwei Dimensionen anatomisch angepasste Volumina anzuregen. Durch ein Zwei-Schuss-Verfahren zur Lokalisierung auch in der dritten Raumrichtung ist es gelungen, das MR-Signal mit einer sehr kurzen Echozeit auszulesen. Über die bessere anatomische Anpassung des Zielvolumens hinaus können damit auch Metabolite mit kurzer T₂-Zeit detektiert werden.

Obwohl die verwendeten Frequenzen von Infra- und Ultraschall (8 bis 20 Hz bzw. 20 bis 24 kHz) außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegen, ist es möglich, mit hohem Schallpegel eine Wahrnehmung auszulösen. An 20 Probanden wurde bei unterschiedlichen Frequenzen und Schallpegeln Messungen der Gehirnaktivität und der kognitiven Leistung durchgeführt. Die Zusammenarbeit von vier Arbeitsgruppen ermöglichte eine standardisierte Verwendung der Messmethoden MEG und fMRT.

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In diesem Projekt wurde ein in der PTB entwickeltes Verfahren zur spektroskopischen Quantifizierung von Glutamat (Glu) im Gehirn eingesetzt. Bei der chronischen Alkoholaufnahme wird die glutamaterge Neurotransmission kompensatorisch hochgeregelt. Andererseits modulieren Polymorphismen der Glu-assoziierten Gene das Risiko der Alkoholabhängigkeit. Das Ziel des Teilprojekts SP14 des Integrierten Genomforschungsnetzwerks „Genetics of Alcohol Addiction“ in NGFN Plus war die Erforschung der Assoziation genetischer Varianten mit zerebralen Glu-Konzentrationen, der Prädiktion des Behandlungserfolgs durch erhöhtes Glu sowie des Zusammenhangs von Glu mit Suchtrisikofaktoren bei Gesunden.

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Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben ultraMEDIS, das innerhalb des DFG-Schwerpunktprogramms 1202 "Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik" (UKoLoS) angesiedelt war, zielte auf die Nutzung der Ultrabreitband-Radartechnik (UWB-Radar, Bandbreite 1-10 GHz) für biomedizinische Anwendungen. Dabei nutzt man die hohe zeitliche und räumliche Auflösung der Radarsensoren, deren Kompatibilität zu Schmalbandsystemen sowie die geringe Leistung der Sondierungssignale einschließlich deren Fähigkeit zur Objektdurchdringung. Gerade letztere Eigenschaft macht das UWB-Radar sehr attraktiv für Anwendungen in der Medizin.

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Ziel des INUMAC-Konsortiums war die Erforschung von Hochfeld-Magnetresonanztomographie-Verfahren und neuen zielgerichteten Kontrastmitteln, die für die Diagnostik neurologischer Erkrankungen geeignet sind. Das Projekt war in drei Arbeitspakete gegliedert:

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Ziel des Projektes war es, bei der Fa. Rapid Biomedical ("Rapid") ein Verfahren zu implementieren, das einen sicheren Betrieb der dort entwickelten Hochfrequenz(HF)-Spulen an MR-Systemen mit hohen Feldstärken (überwiegend 3 T und 7 T) gewährleistet. Diese Sicherheit betrifft insbesondere die SAR-Belastung von Patienten, die in MR-Untersuchungen nicht vermeidbar, aber minimierbar ist. Die gesetzlichen Grenzwerte sind zwar klar definiert, aber nur schwer genau bestimmbar. Hierfür sollte die Kooperation mit der PTB weiterhelfen. Grundsätzliche Konzepte zu dieser Fragestellung existierten an der PTB bereits vor Projektbeginn, waren jedoch nicht unmittelbar in das KMU übertragbar, da sie Zugang zu teuren MRT-Scannern und weiterem High-End-Equipment voraussetzten. Die Erarbeitung einer kostengünstigen und aufgabenangepassten Implementierung dieser Verfahren bei Rapid war eine zentrale Aufgabenstellung des Projekts.

Die simultane, freie Präzession von hoch polarisierten Edelgaskernspins in ultraniedrigen Magnetfeldern von hoher Homogenität erlaubt aufgrund der sehr langen Kohärenzzeiten sehr lange Messzeiten (Stunden bis Tage) und somit eine extrem hohe Frequenzauflösung. Durch die Verwendung zweier Atomsorten stellt dieses Verfahren eine Art Uhrenvergleich dar, mit dem es möglich ist, Einflüsse durch Magnetfeldschwankungen zu eliminieren und so nach hypothetischen Effekten zu suchen, die von Theorien jenseits des Standardmodells der Kernphysik postuliert werden. In diesem Projekt wurden die bestehenden unteren Energieschwellen für die beiden Wechselwirkungen herabgesetzt, die zur Lorentz-Invarianz-Verletzung führen und die kurzreichweitige Spin-Masse-Wechselwirkung - vermittelt durch pseudoscalare Bosonen - erzeugen würden.

Thema des von der PTB geleiteten Verbundvorhabens war die Entwicklung einer Technologie zur molekularen Bildgebung durch Einsatz von hyperpolarisiertem Xenon 129 in der Magnetresonanztomographie am Beispiel immunologisch relevanter Systeme. Dazu sind in der PTB ein mobiler Polarisator zum Einsatz in der Tierbildgebung (Fremdlabor) und ein Tierbeatmungsgerät für Mäuse oder Ratten entwickelt und gefertigt und die grundlegenden Mechanismen der Wechselwirkung von hyperpolarisiertem Xenon 129 mit bindenden Substanzen (Kontrastmittel) für die molekulare Bildgebung aufgeklärt worden.

Die Berliner Ultrahochfeld Facility (BUFF) wurde von einem Konsortium Berliner Forschungseinrichtungen unter Führung des Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) Berlin-Buch auf dem MDC-Campus errichtet. Kernstücke der neuen Einrichtung waren zunächst ein 7-Tesla-Ganzkörper-MRT für die klinische Forschung und ein 9,4-Tesla-MRT für Untersuchungen an Kleintieren.

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Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, microscopy and imaging techniques (MRI) play a crucial role in numerous fields of science ranging from physics, chemistry, and material sciences to biology and medicine. However, despite all their versatility, a common key issue is sensitivity, which limits the applicability of NMR spectroscopy and imaging techniques in the case of fast dynamic processes and detection of low concentrated molecules in both in vitro and in vivo applications. The action aims to stimulate and accelerate collaborations and joint research efforts between European groups into hyperpolarization physics and methodology with the goal to develop robust strategies for sensitivity enhancement in NMR and MRI.

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Das Imaging Netzwerk Berlin (INB) hat das Ziel, die Zusammenführung und Koordination der verteilten Aktivitäten im Bereich der medizinischen Bildgebung voranzutreiben und mögliche Lücken im Wertschöpfungsprozess zu schließen. Das Imaging Netzwerk Berlin (INB) ist als offenes Netzwerk konzipiert, in dem neue Partner willkommen sind. Seit 2012 ist es bundesweit für neue Mitglieder geöffnet.

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Innerhalb der vergangenen Jahre wurden in Deutschland sieben Zentren für humane Ultrahochfeld(UHF)-MR-Bildgebung eingerichtet. Um diese hochkomplexe Technologie einer größeren Anzahl von Forschern zugänglich zu machen, bedarf es einer Zusammenarbeit der UHF-MR-Zentren. Zur Erlangung dieses Ziels haben alle deutschen UHF-Zentren beschlossen, ein nationales Netzwerk mit dem Namen German Ultrahigh Field Imaging (GUFI) zu etablieren. Dreizehn Standorte gehören derzeit zu GUFI. Weitere UHF-Einrichtungen sind herzlich eingeladen, sich dem GUFI-Netzwerk anzuschließen. Dieses Projekt wird im Rahmen der Förderung „Gerätezentren – Core Facilities“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Fördernummer: LA 1325/5-1, gefördert.

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