Entwicklung von Bildkontrasten in der Magnetresonanztomographie durch Ultraschall und ultraschallsensitive Nanopartikel
Final Report Abstract
Die ultraschall-induzierten Bildkontraste im Kernspintomographen sind inzwischen so weit fortgeschritten, dass jetzt der nächste sinnvolle Schritt die Erprobung am Menschen ist. Das Prinzip der manuellen Palpation wird auf ein bildgebendes Verfahren übertragen. Durch Ultraschall wird eine Volumenkraft, die Schallstrahlungskraft erzeugt und in das Gewebe geleitet. Nach kurzer Zeit stellt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen elastischer Rückstellkraft des Gewebes und der Schallstrahlungkraft ein. Härtere Einschlüsse werden so bei gleicher Intensität des Schalls geringer verschoben, weichere Einschlüsse dagegen stärker. Mit Phasenbildern im Kernspintomographen lassen sich so künstliche Tumore in Phantomen problemlos abbilden, auch die Funktion am Menschen konnte im Selbstversuch eindeutig nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde ein Verfahren entwickelt, wie mithilfe der Ultraschallstrahlungskraft Kalkeinschlüsse mit Dimensionen weit unterhalb der räumlichen Auflösung des Tomographen abgebildet werden können. Der Ultraschall wird an der Grenzfläche zwischen Gewebe und Kalk gestreut und dadurch der Kalkeinschluss stärker als das umliegende Gewebe verschoben. Sichtbar wird dieses Verhalten als ein zusätzliches Verschiebungsfeld im umliegenden Gewebe. Inzwischen ist auch die numerische Simulation in einem Stadium, um zusätzlich zu den Bildern verlässliche quantitative Angaben zu elastischen Gewebeparametern zu liefern. Im zweiten Teil des Vorhabens gelang es kommerziell erhältliche magnetische Nano-Partikel mit Antikörpern so zu verändern, dass die Partikel resonanten Ultraschall an den Spin der Protonen des Lösungsmittels Wasser koppeln. Die Spin-Gitter-Relaxationszeit des Wassers wird selbst bei extremer Verdünnung um zirka 30% reduziert. Eine periodische Kippung und Deformationen des magnetischen Partikels aufgrund der unterschiedlichen Dichte zwischen magnetischen Partikeln und einseitig gebundenem Makromoleküle erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das im Resonanzfall an das magnetische Moment der Protonen koppelt. Prinzipiell kann über diesen neuen Effekt eine chemische Reaktion zwischen einem magnetischen Nano-Partikel und zum Beispiel einem Tumor-spezifischen Eiweiß im Kernspintomograph beobachtet werden. Über das Projekt gibt es aufgrund von Auftritten auf der Hannover Messe und dem überwältigenden Publikumsinteresse auf der Medica 2010 und 2011 sehr zahlreiche Presseberichte, einen Fernsehbeitrag im WDR und Interviews von Mitarbeitern zum Beispiel im Rückblick Medica 2010.
Publications
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New image contrast method in magnetic resonance imaging via ultrasound. Hyperfine Interactions, Springer Netherlands, 2008, Vol. 181, pp. 21-26
Radicke, M., Engelbertz, A., Habenstein, B., Lewerenz, M., Oehms, O., Trautner, P., Weber, B., Wrede, S. & Maier, K.
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Acoustic radiation force contrast in MRI: detection of calcifications in tissuemimicking phantoms. Medical Physics, 2010, Vol. 37, pp. 6347-6356
Mende, J., Wild, J., Ulucay, D., Radicke, M., Kofahl, A.-L., Weber, B., Krieg, R. & Maier, K.
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Nuclear acoustic resonance in fluids using piezoelectric nanoparticles. Journal of Magnetic Resonance, 2010, Vol. 203(2), pp. 203 - 207
Mende, J., Elmiladi, N., Höhl, C. & Maier, K.
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Acoustic radiation contrast in MR images for breast cancer diagnostics - initial phantom study. Ultrasound in Medicine & Biology, 2011, Vol. 37, pp. 253-261
Radicke, M., Mende, J., Kofahl, A.-L., Wild, J., Ulucay, D., Habenstein, B., Deimling, M., Trautner, P., Weber, B. & Maier, K.
