Modulare, IC-basierte Arrays für das breitband-NMR-basierte Metabolitenscreening

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders; Professor Dr. Jan Gerrit Korvink
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389084717

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die längerfristige Vision des screeMR-Projekts ist die Überwindung aller hardwarebezogenen Limitierungen des MR-basierten Metaboliten-Screenings, damit Forschende aus diesem Bereich in vollem Umfang von den intrinsischen Vorteilen der MR-Spektroskopie – wie z.B. ihrer einzigartigen Spezifität und vollständigen Nichtinvasivität – profitieren können. Zu Erreichung dieses langfristigen Ziels wurden innerhalb des ScreeMR-Projekts die bestehenden Schlüssellimitierungen existierender MR-Screening-Hardware unter Ausnutzung der einzigeartigen Möglichkeiten moderner Reinraumfertigungstechniken in Kombination mit moderner integrierter Schaltungstechnik beforscht. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, neue modulare Konzepte für vielkanalige MRSpulenarrays zu erforschen, welche signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereitstellen. Um die benötigte Modularität zu erzielen, haben wir grundlegende theoretische Untersuchungen an kleinen Gruppen gekoppelter MR-Spulen durchgeführt. Dabei haben wir insbesondere die speziellen Anforderungen von MR-Experimenten – Empfindlichkeit und spektrale Auflösung – in den Fokus unserer Untersuchungen gestellt, um geeignete Konzepte für modulare Bausteine von MR-Spulenarrays zu finden. Basierend auf diesen theoretischen Betrachtungen haben wir moderne, hochgradig skalierbare Reinraumfertigungstechniken mit integrierter Schaltungstechnik kombiniert, um funktionale Hardwareprototypen der vielversprechendsten modularen Arraybausteine zu fertigen. Die Benutzung speziell entworfener ASICs war dabei eine der Schlüsselkomponenten für die Umsetzung der modularen Arraybausteine, da zum einen nur so der benötigte miniaturisierte Formfaktor und die zulässige maximale Leistungsaufnahme in Verbindung mit der benötigten Performance erzielt und zum anderen nur so die Funktionalität der Schaltungen in den für NMR benötigten hohen Magnetfeldern >10 T gewährleistet werden konnte. Insgesamt hat das ScreeMR-Projekt durch grundlegende theoretische Betrachtungen sowie darauf aufbauende Hardwareprototypen, welche die hervorragenden Möglichkeiten moderner Reinraumfertigungs- und IC-Technologien voll ausschöpfen, den Weg hin zu zukünftigen MR-basierten zuverlässigen, hochempfindlichen, nichtzerstörenden und nichtinvasiven Metabolomikstudien biologischer Systeme mit hohen Durchsatzraten geebnet. Durch die signifikante Durchsatzerhöhung bei MR-Experimenten unter gleichzeitiger Erhaltung der einzigartigen Spezifität dieser Methode zielt screeMR mittelfristig darauf, teure kombinierte Screening-Verfahren (engl.: hyphenated methods) obsolet zu machen. Die Erreichung dieses Ziels wird aufgrund der einhergehenden Komplexitäts- und Kostenreduktion Screening-Experimente für eine Vielzahl neuer Anwendungen attraktiv machen, für die ein Screening-Ansatz heute nicht denkbar erscheint.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A multi-purpose, rolled-up, double-helix resonator. Journal of Magnetic Resonance, 309, 106599.
  Silva, Pedro F.; Delgado, Saraí M. Torres; Jouda, Mazin; Mager, Dario & Korvink, Jan G.
  
• Automatic Adaptive Gain for Magnetic Resonance Sensitivity Enhancement. Analytical Chemistry, 91(3), 2376-2383.
  Jouda, Mazin; Fuhrer, Erwin; Silva, Pedro; Korvink, Jan G. & MacKinnon, Neil
  
• “Small is beautiful” in NMR. Journal of Magnetic Resonance, 306, 112-117.
  Korvink, Jan G.; MacKinnon, Neil; Badilita, Vlad & Jouda, Mazin
  
• ArduiTaM: accurate and inexpensive NMR auto tune and match system. Magnetic Resonance, 1(1), 105-113.
  Jouda, Mazin; Torres, Delgado Saraí M.; Jouzdani, Mehrdad Alinaghian; Mager, Dario & Korvink, Jan G.
  
• Geometrically-differential NMR in a stripline front-end. Journal of Magnetic Resonance, 310, 106659.
  Silva, Pedro F.; Jouda, Mazin & Korvink, Jan G.
  
• Topologically optimized magnetic lens for magnetic resonance applications. Magnetic Resonance, 1(2), 225-236.
  Wadhwa, Sagar; Jouda, Mazin; Deng, Yongbo; Nassar, Omar; Mager, Dario & Korvink, Jan G.
  
• Breitbandiger Transceiver ASIC für heteronukleare NMRSpektroskopie, Mikrosystemntechnikkongress 2021, Ludwigsburg, Germany
  F. Dreyer, D. Krüger & J. Anders
  
• Magnetostatic reciprocity for MR magnet design. Magnetic Resonance, 2(2), 607-617.
  Silva, Pedro Freire; Jouda, Mazin & Korvink, Jan G.
  
• A broadband transceiver ASIC for X-nuclei NMR spectroscopy in 0.13 µm BiCMOS. 2022 20th IEEE Interregional NEWCAS Conference (NEWCAS), 65-69. IEEE.
  Dreyer, Frederik; Kruger, Daniel; Baas, Sander; Velders, Aldrik & Anders, Jens
  
• A chip-based NMR relaxometry system for point-of-care analysis. 2022 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), 183-187. IEEE.
  Dreyer Frederik; Yang Qing; Kruger Daniel & Anders Jens
  
• A portable NMR platform with arbitrary phase control and temperature compensation. Magnetic Resonance, 3(1), 77-90.
  Yang, Qing; Zhao, Jianyu; Dreyer, Frederik; Krüger, Daniel & Anders, Jens
  
• Net-phase flow NMR for compact applications. Journal of Magnetic Resonance, 341, 107233.
  Silva, Pedro F.; Jouzdani, Mehrdad Alinaghian; Condesso, Miguel; Hurtado, Rivera Andrea C.; Jouda, Mazin & Korvink, Jan G.
  
• Sample-centred shimming enables independent parallel NMR detection. Scientific Reports, 12(1).
  Cheng, Yen-Tse; Jouda, Mazin & Korvink, Jan
  
• A 5–780-MHz Transceiver ASIC for Multinuclear NMR Spectroscopy in 0.13-μm BiCMOS. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 70(9), 3484-3496.
  Dreyer, Frederik; Krüger, Daniel; Baas, Sander; Velders, Aldrik & Anders, Jens
  
• A Broadband NMR Magnetometer System With Field Searching and Automatic Tuning Function. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 72(2023), 1-10.
  Zhao, Jianyu; Yang, Qing; Dreyer, Frederik; Kruger, Daniel; Jelezko, Fedor & Anders, Jens
  
• A field focusing butterfly stripline detects NMR at higher signal-to-noise ratio. Journal of Magnetic Resonance, 353, 107517.
  Cheng, Yen-Tse; Korvink, Jan G. & Jouda, Mazin
  
• A Portable Chip-Based NMR Relaxometry System With Arbitrary Phase Control for Point-of-Care Blood Analysis. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 17(4), 831-842.
  Dreyer, Frederik; Yang, Qing; Alnajjar, Belal; Krüger, Daniel; Blümich, Bernhard & Anders, Jens
  
• Artificial intelligence-driven shimming for parallel high field nuclear magnetic resonance. Scientific Reports, 13(1).
  Becker, Moritz; Cheng, Yen-Tse; Voigt, Achim; Chenakkara, Ajmal; He, Mengjia; Lehmkuhl, Sören; Jouda, Mazin & Korvink, Jan G.
  
• Fasciculus Axonal Connective Tissue Multiscale Imaging (FACTMI) - Connectome Mapping of Optic Nerve with 16 µm MRI at 14T and 0.1 µm histology. ISMRM Annual Meeting.
  Schneider, Walter; Wu, Yijen; Watson, Alan; Kedziora, Kasia; Pathak, Sudhir; Zhao, Yongxin; Gorantla, Vijay; Anders, Jens; Polman, Rolf & Scheffler, Klaus