Untersuchung der physikalischen Grenzen von Spinsystemen: Eine Herausforderung in der Medizinischen Bildgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Glaser
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258967444

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des deutsch-französischen Forschungsprojekts war es, innovative Werkzeuge aus der Theorie der optimalen Steuerung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Kernspin-Tomographie zu entwickeln und experimentell zu demonstrieren. Von besonderem Interesse war hierbei die Erforschung der grundlegenden physikalischen Grenzen der zugrundeliegenden Spindynamik unter Berücksichtigung typischer experimenteller Randbedingungen mit dem Ziel, diese Grenzen experimentell erreichen zu können. Unter Verwendung analytischer Verfahren haben wir gezeigt, wie der Signal-Rausch-Prozess von Spinsystemen und die Selektivität in Bezug auf experimentelle Parameter maximiert und die Robustheit gegenüber experimentellen Imperfektionen minimiert werden kann. Hierbei haben wir einen überraschenden Zusammenhang zwischen der fehlertoleranten Manipulation von Kernspins und einem Effekt der klassischen gefunden, den sogenannten Tennisschläger-Effekt. Aufbauend auf den wohlverstandenen Phänomenen der klassischen Physik kann damit die Entwicklung zuverlässiger Pulssequenzen für quantenmechanische Objekte wie Kernspins nicht nur veranschaulicht, sondern auch wesentlich beschleunigt werden. Neben neuen analytischen Ansätzen konnten wir auch numerische Optimierungsverfahren deutlich verbessern, so dass die Zeit für die Optimierung von neuen Pulssequenzen wesentlich reduziert werden konnte. Im Hinblick auf praktischen Anwendungen in der Kernspin-Tomographie stand die Bildkontrastoptimierung im Fokus. Hier konnten wir neuartige Kontrastverfahren zur Unterscheidung unterschiedlicher Gewebe entwickeln und die entsprechenden Radiofrequenz-Pulssequenzen sowohl in Modellexperimenten als auch in vivo an einem 4,7T-Kleintier-Magnetresonanzsystem experimentell validieren. Als Machbarkeitsnachweis wurden optimale Kontrastpulse zur Unterscheidung verschiedener Gehirnregionen von Mäusen und Ratten angewendet. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die optimierten Pulssequenzen in Standard-Bildgebungssequenzen integriert werden können. Wir haben weiter gezeigt, wie die Magnetisierungsphase im MRI aktiv gesteuert werden kann, was zu einem überraschenden neuen Verfahren zur räumlich aufgelösten Messung der Elastizität von Geweben geführt hat, das aufgrund der Leistungsfähigkeit der optimierten Radiofrequenzpulse ohne die Anwendung oszillierender Magnetfeldgradienten auskommt. Die erzielten Ergebnisse lassen erwarten, dass die Flexibilität und Leistungsfähigkeit von neuen OCT-Methoden den Methodenschatz der Kernspin-Tomographie wesentlich erweitern wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Discrete-Valued Pulse Optimal Control Algorithms: Application to Spin Systems, Phys. Rev. A 92, 043417 (2015)
  G. Dridi, M. Lapert, J. Salomon, S. J. Glaser, D. Sugny
  
• Fully Efficient Time Parallelized Optimal Quantum Control Algorithm, Phys. Rev. A 93, 043410 (2016)
  M. Riahi, J. Salomon, S. J. Glaser, D. Sugny,
  
• Active Control of the Spatial MRI Phase Distribution with Optimal Control Theory, J. Magn. Reson. 281, 82 (2017)
  P. M. Lefebvre, E. Van Reeth, H. Ratiney, O. Beuf, E. Brusseau, S. Lambert, S. J. Glaser, D. Sugny, D. Grenier and K. Tse Ve Koon
  
• Linking the Rotation of a Rigid Body to the Schrödinger Equation: The Quantum Tennis Racket Effect and Beyond, Sci. Rep. 7, 3998 (2017)
  L. Van Damme, D. Leiner, P. Mardesic, S. J. Glaser and D. Sugny
  
• Optimal Control Design of Preparation Pulses for Contrast Optimization in MRI, J. Magn. Reson. 279, 39 (2017)
  E. Van Reeth, H. Ratiney, M. Tesch, D. Grenier, O. Beuf, S. J. Glaser and D. Sugny
  
• Optimal Control Theory for Applications in Magnetic Resonance Imaging, Pac. J. Math. Ind. 9, 9 (2017)
  E. Van Reeth, H. Ratiney, M. Lapert, S. J. Glaser, D. Sugny
  
• Optimizing Fingerprinting Experiments for Parameter Identification: Application to Spin Systems, Phys. Rev. A 96, 053419 (2017)
  Q. Ansel, M. Tesch, S. J. Glaser and D. Sugny
  
• A Simplified Framework for Optimal Contrast Preparation Pulse Design in MRI, Magn. Reson. Med. 81, 424 (2018)
  E. Van Reeth, H. Ratiney, K. T. V. Koon, M. Tesch, D. Grenier, O. Beuf, S. J. Glaser and D. Sugny
  
• Constant Gradient Elastography with Optimal Control RF Pulses, J. Magn. Reson. 294, 153 (2018)
  E. Van Reeth, P. Lefebvre, H. Ratiney, S. Lambert, M. Tesch, E. Brusseau, D. Grenier, O. Beuf, S. J. Glaser, D. Sugny and K. Tse-Ve-Koon