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Probleme der Magnetresonanztomographie bei ultrahohen Feldern und erste Schritte zu ihrer Lösung

17.03.2010

Im Januar 2009 ist in der Berliner Ultrahochfeld-Einrichtung am Max-Delbrück-Centrum (MDC) für Molekulare Medizin in Berlin-Buch ein 7-Tesla-Magnetresonanztomograph (7-T-MRT) in Betrieb gegangen. Die Einrichtung, an der neben dem MDC auch die Charité – Universitätsmedizin Berlin, das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und die PTB beteiligt sind, ist der translationalen Forschung verschrieben, also der Übertragung von Forschungsergebnissen aus dem Labor oder vom Tiermodell auf den Menschen. Im Bereich der MR-Bildgebung erfordert dieses ehrgeizige Ziel Geräte höchster Empfindlichkeit und das heißt "ultrahoher" Magnetfeldstärke (per Konvention wird damit der Bereich 7 – 9,4 Tesla bezeichnet). Der Preis der hohen Feldstärken ist aber eine neue Qualität hochfrequenzbedingter Bildartefakte, die es in dieser Form bei den geringeren klinischen Feldstärken (1,5 T bis maximal 3 T) nicht gibt und die die praktische Anwendung der 7-T-MRT zunächst massiv beschränken. Der Anspruch, diese Artefakte quantitativ zu verstehen um dann Lösungswege zu ihrer Vermeidung zu finden, ist ein wesentlicher Grund für das Engagement der PTB in diesem Projekt. Erste Experimente wurden durchgeführt mit einer kommerziellen 8-Kanal-Sende-/Empfangsspule für Kopfuntersuchungen (Rapid Biomedical, Rimpar) und einem homogenen, zylindrischen Kopfphantom (Ø 20 cm) gefüllt mit Agarose-Gel (Abb. 1). Das Ergebnis einer konventionellen, zirkularpolarisierten Ansteuerung dieser Spule zeigt Abb. 2. Während dieselbe Mode bei 1,5 Tesla (entsprechend einer 1H-Larmor-Frequenz von 64 MHz) eine nahezu perfekt homogene Ausleuchtung des Objekt erzielen würde, ist das gezeigte 7-Tesla-Ergebnis bei 300 MHz mit dem charakteristischen Auslöschungsring für praktische Anwendungen völlig unbrauchbar. In Abb. 3 sind die mit MR-Verfahren abgebildeten, relativen Amplitudenverteilungen des magnetischen Hochfrequenzfeldes B1 für jedes einzelne Spulenelement gezeigt. Man erkennt, dass der dunkle Ring aus Abb. 2 nicht etwa schon in den einzelnen Elementen angelegt ist, sondern erst durch die phasenrichtige Superposition der Einzelbeiträge entsteht. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, um durch Einsatz der mehrkanaligen Sendeausstattung, über die der Berliner 7-T-MRT als erster deutscher Ultrahochfeldtomograph verfügt, die Ansteuerung der einzelnen Spulenelemente zu optimieren und so die gewünschte Homogenisierung zu erreichen [1].

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen Ergebnisse, die über dieses Ziel sogar schon hinaus gehen. Mit dem "Transmit-SENSE-Verfahren" [2, 3], bei dem eine Ortskodierung durch geschaltete Gradientenfelder nicht nur, wie sonst üblich, beim Signalempfang, sondern zusätzlich bereits in der Anregungsphase erfolgt, ist es möglich, nahezu beliebige, frei gewählte Muster in ein Messobjekt zu "schreiben". Dargestellt ist das identische Zylinderphantom mit unverändertem Abbildungsmaßstab. Das Schachbrett (Abb. 4) ist ein allgemeines Referenzmuster, um das Verfahren zu charakterisieren, aber bereits das in Abb. 5 gezeigte Muster entspricht einer durchaus realistischen Anforderung: ein homogenes Anregungsprofil innerhalb eines begrenzten Zielvolumens bei gleichzeitiger Unterdrückung aller Signale aus anderen Bereichen des Messobjekts. In der gezeigten Messung variiert die Signalintensität innerhalb des Anregungsbereichs um 5 – 10 %, Signale von außerhalb des Zielvolumens sind überall um mindestens einen Faktor 50 unterdrückt. Bereits bei diesen ersten Gehversuchen an der neuen Anlage konnten einerseits die vorausberechneten Hochfrequenzprobleme in der Tat experimentell beobachtet werden. Zum anderen konnte aber auch demonstriert werden, dass die auf mehrkanaliger Anregung basierenden Verfahren prinzipiell zur Überwindung dieser Probleme geeignet sind.

[1] Seifert et al., J Magn Reson Imag 26 (2007) 1315
[2] Katscher et al., Magn Reson Med 49 (2003) 144
[3] Ullmann et al., Magn Reson Med 54 (2005) 994