Optimierte Filter für die Kontrastverstärkung in der bildgebenden magnetischen Resonanz

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Suter
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244259901

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung, Implementierung und Evaluieren von experimentellen Methoden für die Optimierung des Kontrasts in der Kernspin-Tomographie (MRT, MRI). Dazu gehören Pulssequenzen, welche die Wechselwirkung zwischen den Kernspins und ihrer Umgebung modulieren und dadurch den Informationsgehalt der resultierenden Bilder optimieren, sowie Methoden der Daten-, respektive Bildverarbeitung. Mit diesen Methoden gelingt es, Dekohärenz auf Grund von Umgebungsrauschen in strukturierten Medien wie z.B. lebendem Gewebe zu unterdrücken oder das Rauschen detailliert zu untersuchen und daraus diagnostische Information über das Gewebe zu gewinnen. Für beide Ziele müssen die Modulationstechniken robust sein bezüglich der nicht vollständig vermeidbaren experimentellen Unsicherheiten, welche besonders in einer klinishcen Umgebung auftreten, und die medizinisch-technischen Grenzwerte wie z.B. SAR müssen eingehalten werden. Im Rahmen des Projektes gelang es, zu zeigen, dass optimierte Modulationstechniken zu einer signifikanten Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses führen können und dadurch Bilder entstehen, welche mehr direkt verwertbare Information enthalten. Zu den wichtigsten Beispielem gehört die Untersuchung von molekularen Diffusionsprozessen in menschlichem Gewebe. Die Grundlagen der Quantenmechanik und die Theorie der optimalen Kontrolle liefern die dafür benötigten Werkzeuge. Die grundlegenden Erkenntnisse dafür hatten wir uns im Rahmen der Arbeiten zur Quanteninformation erworben. Der größte Teil der experimtntellen Arbeiten wurden in unserem Labor an vorhandenen Micro-Imaging Systemen durchgeführt, einige weiterführende Arbeiten auf klinischen Scannern in unterschiedlichen Partner-Laboren. Die Konzentration auf die eigenen Geräte erlaubte zum einen einen genaueren Vergleich zwischen Theorie und Experiment, zum anderen hatten wir dadurch erheblich mehr Messzeit zur Verfügung und es wurden Komplikationen vermieden, welche auf klinischen Scannern auftreten, wie z.B. Zugang zur Software und rechtliche Randbedingungen. Das Grundprinzip unserer Methoden ist eine selektive Refokussierung von bestimmten Wechselwirkungen, welche effektive einer Zeit-Umkehr der dynamischen Entwicklung entspricht. Während dies für ein einzelnes qubit prinzipiell relativ einfach ist, steigt die Komplexität stark an, wenn mehrere Spins miteinander wechselwirken und die Umgebung selber zeitabhängig ist. Dafür mussten vorhandene Methoden angepasst und erweitert werden. Viele dieser Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen in Deutschland, Russland, Israel und Argentinien durchgeführt. Die Ziele des Projekts wurden somit insgesamt weitgehend erreicht und teilweise übertroffen. Die langfristigen Ziele werden weiter bearbeitet im Rahmen des EU Projektes PATHOS2, welches 2019 gestartet wurde und bis 2024 laufen wird. Daran beteiligt sind, neben der TU Dortmund, Arbeitsgruppen aus Italien und Israel.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 'Optimized multiple-quantum filter for robust selective excitation of metabolite signals’, J. Magn. Reson. 243, 8-16 (2014)
  Mirjam Holbach, Jörg Lambert, and Dieter Suter
  
• 'Optimized selective lactate excitation with a refocused multiple-quantum filter’, J. Magn. Reson. 255, 34-38 (2015)
  Mirjam Holbach, Jörg Lambert, Sören Johst, Mark E. Ladd, and Dieter Suter
  
• 'Anisotropic diffusion phantoms based on microcapillaries’, J. Magn. Reson. 279, 1-10 (2017)
  S. Vellmer, D. Edelhoff, D. Suter, and I. I. Maximov
  
• 'Comparative analysis of isotropic diffusion weighted imaging sequences’, J. Magn. Reson. 275, 137-147 (2017)
  S. Vellmer, R. Stirnberg, D. Edelhoff, D. Suter, T. Stöcker, and I. I. Maximov
  
• 'Validation of DWI pre-processing procedures for reliable differentiation between human brain gliomas’, Z. Med. Physik 28, 14-24 (2018)
  S. Vellmer, A. S. Tonoyan, D. Suter, I. N. Pronin, and I. I. Maximov
  
• 'Precision Limits of Tissue Microstructure Characterization by Magnetic Resonance Imaging’, Phys. Rev. Applied 14, 024088 (2020)
  A. Zwick, D. Suter, G. Kurizki, and G. A. Alvarez