ARBEITSGRUPPE MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE
Leitung

Dr. rer. nat. Physiker Claus Tempelmann


Wissenschaftliche Mitarbeiter

Dr. rer.nat. Physiker Nils Bodammer
Dr. rer.nat. Physiker Martin Kanowski
Dr. rer.nat. Physiker JoernKaufmann


An der Universitätsklinik für Neurologie werden ein 3-Tesla-Magnetresonanztomograph (Siemens TRIO) und ein 1.5-Tesla-Gerät (General Electrics Signa LX) für Forschungszwecke betrieben. Diese Geräte werden von vielen Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb der Klinik genutzt. Hauptaufgabe der Arbeitsgruppe Magnetresonanztomographie ist es, in Zusammenarbeit mit den Nutzern Methoden für die Akquisition und Analyse der Daten zu entwickeln bzw. zu optimieren. Die Geräte werden sowohl für die kognitive Grundlagenforschung als auch für die klinisch-neurologische Forschung eingesetzt. Zusätzlich gibt es eine Zusammenarbeit mit der Mitarbeitern der Klinik für Kardiologie, die die Geräte für kardiologische Forschungsprojekte nutzen.

In der klinisch-neurologischen Forschung kommen neben den klassischen Methoden der strukturellen Bildgebung auch neuer Verfahren wie das Magnetisierungstransferimaging, die diffusionsgewichte Bildgebung (inklusive Diffusionstensorbildgebung) und Protonenspektroskopie zum Einsatz. Die Diffusionstensorbildgebung spielt In der kognitiven Grundlagenforschung liegt das Hauptgewicht auf der funktionellen Kernspintomographie (fMRI), aber auch hier gewinnt die Diffusionstensorbidlgebung zunehmend an Bedeutung.

Über die Ergebnisse vieler dieser Forschungsprojekte berichten die beteiligten Arbeitsgruppen. Deshalb soll sich dieser Bericht auf einige technisch-methodische Entwicklungen beschränken:

 

  1. In jüngerer Zeit verlagert sich der Schwerpunkt spektroskopischer Untersuchungen am Siemens TRIO von der "Single Voxel Spektroscopy" zu spektroskopischer Bildgebung mit einer Bildmatrix von 16x16. Diese Methode wurde insbesondere in der Hippocampus-Spektroskopie erfolgreich eingesetzt. Die Möglichkeit, mehrere der gemessenen Spektren aus kleineren Voxeln zu kombinieren, erhöhte die Flexibilität der Methode deutlich und führte zu einer sehr hohen Quote an verwertbaren Spektren aus dem Hippocampusbereich.
  2. Bei vielen der kognitiven Forschungsprojekte zum visuellen, aber auch zum auditorischen System des Menschen ist es von großer Bedeutung, die Augenbewegungen der Versuchspersonen zu kontrollieren und zu protokollieren. Für ein bereits bestehendes Augenbewegungsüberwachungssystem wurde sowohl die Datenaufnahme als auch die Analyse der Daten deutlich verbessert. Insbesondere gelang es, den Einfluss störender Bewegungen des gesamten Kopfes zu verringern.

    Ausgewählte Paper

    Kanowski M, Rieger JW, Noesselt T, Tempelmann C, Hinrichs H: Endoscopic eye tracking system for fMRI. J Neurosci Methods, 2006 Sep 13

  3. In der Literatur wurden in den letzten Jahre zahlreiche Studien vorgestellt, bei denen Methoden der voxelbasierten Morphometrie auch auf Diffusionsparameter wie die Anisotropie und den scheinbaren Diffusionskoeffizienten erweitert wurden. Wir haben die Möglichkeiten und Probleme dieser Erweiterung systematisch untersucht und ein Maskierungsverfahren vorgeschlagen, mit dem viele Probleme der Methode gemildert und falsche Interpretationen ausgeschlossen werden können. Mit diesem Verfahren haben wir die Korrelation der Diffusionsparameter mit dem Alter der Versuchspersonen ermittelt und dabei systematische Veränderungen im Corpus Callosum, in prefrontalen Arealen, der Capsula Interna, dem Hippocampusbereich und im Putamen beobachtet.

    Ausgewählte Paper

    Camara E, Bodammer N, Rodriguez-Fornells A, Tempelmann C: Age related diffusion changes in human brain: A voxel-based approach. NeuroImage, 2006

  4. Ein weitere Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt in der Weiterentwicklung von Analysemethoden für die Diffusionstensorbildgebung, insbesondere beim sogenannten "Fiber Tracking", also der Berechnung und Darstellung von Faserverbindungen im menschlichen Gehirn. Wir setzen dabei probabilistische Methoden ein und haben die Auswertealgorithmen in verschiedener Hinsicht verbessert. So wurden bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeiten für eine Faserrichtung das bislang verwendete Einschalenmodell durch ein Zweischalenmodell ersetzt und zusätzliche richtungsabhängige Korrekturfaktoren eingeführt, die die Richtungsgenauigkeit des Algorithmus deutlich verbessern. Weitere Verbesserungen bei der Darstellung der Ergebnisse und eine vereinfachte Benutzeroberfläche bei der Auswahl von Startpunkten für das "Fiber Tracking" sowie deutlich erweiterte Ausgabemöglichkeiten haben dazu geführt, dass die Diffusionstensorbildgebung in steigendem Maße in der klinisch-neurologischen Forschung eingesetzt wird.

 

Ein Beispiel:

Abb_1

Ausgewählte Paper

Boelmans K, Kaufmann J, Bodammer N, Heinze HJ, Niehaus L: Corticospinal tract atrophy in corticobasal degeneration. Arch Neurol 2006 Mar;63(3): 462-3

Im T1-gewichteten strukturellen Bild auf der linken Seite lassen sich atrophische Veränderungen im rechten parietofrontalen Kortex und im pre- und postcentralen Gyrus eines Patienten mit Kortikobasaler Degeneration erkennen. Das Ergebnis des "Fiber tracking" mit Startpunkten in der Medulla Oblangata zeigt eindeutig, dass auch die Faserverbindungen in der weißen Substanz schwer geschädigt sind.

Im Jahr 2005 wurden die experimellen Ressourcen des Kernspinlabors durch die Inbetriebnahme des 7-Tesla-Tomographen am Institut für Neurobiologie in Magdeburg substanziell erweitert. Dieses Gerät ist der erste europäische 7-Tesla-Tomograph für Anwendungen am Menschen. In enger Zusammenarbeit mit den den Anwendern haben die Mitarbeiter unserer Arbeitsgruppe die Möglichkeiten dieser neuen Geräteklasse erkundet und erste Anwendungen etabliert. Die durch das hohe Magnetfeld bedingten Möglichkeiten und Herausforderungen der neuen Geräteklasse sind in folgender Übersicht zusammengefasst:

Vorteile des hohen Magnetfeldes

  1. Höheres Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) bei allen Anwendungen. Dieses kann für eine höhere räumliche Auflösung oder bei einigen Anwendungen auch für eine geringere Anzahl von Mittlungen und damit schnellere Messungen genutzt werden.
  2. Geänderte Relaxationszeiten ermöglichen neue Bildkontraste.
  3. BOLD-Effekt steigt mit dem Magnetfeld
  4. Bessere Trennung von Metabolitenlinien in der Spektroskopie
  5. Längere T1-Zeit im Blut erhöht das Signal bei Arterial Spin Labeling
  6. Effektiverer Einsatz von Techniken der Parallelen Bildgebung
Nachteile des hohen Magnetfeldes

  1. Stärkere Suszeptibilitätsartefakte
  2. Höherer Energieeintrag höhere Gefahr der Erwärmung
  3. inhomogene B1-Felder
  4. kürzeres T2 und T2* problematisch bei Sequenzen mit langen Echozeiten
  5. automatische Justagen oftmals wenig effektiv
  6. Vereinzelt Unwohlsein der Versuchspersonen


Die bisherigen Erfolge mit dem 7-Tesla-Tomographen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
  1. Strukturelle T1-gewichtete Bilder mit gutem Grau/Weiss-Kontrast, vollständiger Abdeckung des Kopfes und isotroper räumlicher Auflösung von 0.8 mm und besser konnten mit guter Qualität gemessen werden, rechts ein Beispiel mit einer MPRAGE-Sequenz und isotropen Voxeln mit einer Kantenlänge von 0.8 mm.
Abb_2
  1. T2-Bilder mit hoher Auflösung und gutem Kontrast sind ebenfalls möglich, allerdings ist wegen des erhöhten Energieeintrags mit den bislang verwendeten TSE-Sequenzen eine Abdeckung des gesamten Kopfes in akzeptabler Messzeit nicht zu erreichen.
  2. In T2-gewichteten Bildern und auch bei suszeptibilitätsgewichteter Bildgebung ergeben sich wegen der veränderten Relaxationszeiten neue Kontraste, die insbesondere zur Abgrenzung verschiedener Areale und Kerngebiete im Mittelhirn eingesetzt werden kann.
  3. Zur Vermeidung hoher Energieeinträge zum Beispiel bei Patienten mit Neuroimplantaten können Gradientenechomethoden mit niedrigem Flipwinkel eingesetzt werden, die einen invertierten T1-Kontrast bei noch akzeptablem Signal/Rausch-Verhältnis zeigen.
  4. Insbesondere in motorischen und auditorischen Arealen hat sich die Erwartung eines erhöhten BOLD-Signals eindrucksvoll bestätigt. Hier ein Beispiel mit einem einfachen Motorversuch:
  5.  

Abb_3

 

Schon nach wenigen Minuten Versuchsdauer werden alle Motorareale mit hoher Signifikanz angezeigt. In der ersten Hälfte des Versuchs wurde mit einem einfachen Blockdesign (30-Sekunden-Blöcke bei einem TR von 3 Sekunden) gearbeitet. In der zweiten Hälfte wurden die Blocklängen nach Ermessen des Versuchsleiters variiert und drei unabhängige Auswerter mussten die Zeitpunkte der Motoraktivität aus den Messdaten ableiten, was mit einer Genauigkeit von etwa 3 Sekunden gelang.
Auch mit visuellen fMRI-Versuchen konnten gute Erfolge erzielt werden. Allerdings sind frontoorbitale und einige temporale Regionen wegen der Signalauslöschung durch erhöhte Suszeptibilitätsartefakte problematisch.

 

  1. Protonenspektroskopie mit Single-Voxel-Methoden und mit spektroskopischer Bildgebung erwies sich als möglich. Allerdings sind zusätzliche methodische Entwicklungen nötig, um den erwarteten Signal/Rausch-Gewinn gegenüber dem 3-Tesla-Tomographen auch in der Praxis zu erreichen.
  2. Weitere bereits am 7-Tesla-Tomographen getestete Methoden sind die diffusionsgewichtete Bildgebung und die Angiographie.