Messung von Austauschraten in biologischem Gewebe mittels der doppelt-diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie

• Antragsteller: Dr. Tristan Anselm Kuder
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270375910

In der medizinischen Bildgebung findet die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) verbreiteten Einsatz, etwa in der Tumor- und Schlaganfalldiagnostik. Die gemessenen Diffusionskoeffizienten lassen indirekt Rückschlüsse auf die Gewebestruktur zu. Es ist jedoch häufig schwierig, eine direkte Verbindung des gemessenen Diffusionskoeffizienten mit Parametern der Mikrostruktur, wie der Membranpermeabilität, herzustellen. Einen Ansatz in dieser Hinsicht stellt die kürzlich vorgeschlagene doppelt-diffusionsgewichtete Bildgebung dar. Hierbei wird das Standard-Experiment um eine zweite Diffusionswichtung erweitert wird, welche nach der Mischungszeit nach der ersten Diffusionswichtung und vor der Signalauslese geschaltet wird. Befinden sich mehrere Kompartimente mit unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten im untersuchten Volumen, so werden diese durch die erste Filter-Diffusionswichtung verschieden gewichtet. Hierbei wird das Kompartiment mit dem höheren Diffusionskoeffizienten unterdrückt. In der Mischungszeit kann ein Austausch zwischen den Kompartimenten aufgrund von Permeabilität erfolgen. Somit hängt der mit der zweiten Diffusionswichtung gemessene Diffusionskoeffizient von der Mischungszeit ab und nähert sich einem Gleichgewichtswert bei großer Mischungszeit; durch Variation derselben kann eine anscheinende Austauschrate zwischen den Kompartimenten gemessen werden.Bei eigenen Vorarbeiten waren initiale Messungen an Zellkulturen vielversprechend. Einerseits jedoch ist eine stabile In-vivo-Anwendung noch nicht möglich, andererseits ist das Verständnis der Verbindung zwischen gemessenen Parametern und Gewebestruktur noch unzureichend. Ein Ziel dieses Antrages ist es deshalb, eine stabile Austauschraten-Messsequenz zu entwickeln. Dazu soll eine flexibilisierte Sequenz zur Optimierung der Sequenzparameter erstellt werden. Durch zusätzliche Gradienten sollen Wirbelstromartefakte minimiert werden. Um die Anfälligkeit von Zellkulturmessungen gegenüber Vibrationen des Tomographen zu reduzieren, sind spezielle vibrationsentkoppelte Halterungen geplant. Zur Reduktion von Pulsationsartefakten ist die Realisierung einer Triggerung auf den Herzzyklus vorgesehen, sodass die beiden Diffusionswichtungen immer in der Diastole stattfinden.Die aktuellen Modelle zur Beschreibung des Austauschkontrastes sind sehr vereinfachend und vernachlässigen den Einfluss der Zellmembranen auf die Diffusion. Um eine sinnvolle Interpretation der gewonnenen Daten zu ermöglichen, sind umfangreiche Simulationen und theoretische Untersuchungen durchzuführen, deren Fokus insbesondere auf dem Einfluss von Membrangeomtrie und -permeabilität liegt. Ziel ist, den Zusammenhang zwischen echten Austauschraten, etwa zwischen intra- und extrazellulärem Raum, und den gemessenen, anscheinenden Austauschraten zu untersuchen.Schließlich soll das Potential von Austauschratenmessungen zur Gewebecharakterisierung durch Messreihen an Probanden sowie an Tumorpatienten bewertet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen