Medizinische Physik in der Radiologie

Unsere Forschungsgruppe ist darauf ausgerichtet, den diagnostischen Wert von emissions-tomographischen Bildgebungssystemen zu verbessern und zu steigern, insbesondere im Hinblick auf Krebs. Dazu gehören die nuklearmedizinischen Bildgebungsverfahren Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) sowohl für klinische als auch für präklinische Anwendungen. Mit Schwerpunkt auf der präklinischen Bildgebung bei Kleintieren gehören dazu auch die optischen Modalitäten Biolumineszenz-Bildgebung (BLI) sowie fluoreszenzvermittelte Bildgebung (FMI) und fluoreszenzdiffusionsoptische Tomographie (DOT).

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Die Forschungsgruppe konzentriert sich auf die MR-Protonenbildgebung beim Menschen bei einem Ultrahochfeld (UHF) von 7 Tesla mit besonderem Interesse an der Körperbildgebung bei dieser Feldstärke. Aufgrund der kurzen Radiofrequenz (RF)-Wellenlänge ist die räumliche Verteilung der magnetischen Komponente des RF-Feldes (B1+), die für den Bildgebungsprozess notwendig ist, sehr inhomogen. Dies führt zu inhomogenen Signal- und Kontrastverteilungen im Körper (siehe Abbildung), was eine Diagnose erschwert oder unmöglich macht. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, verwenden wir Multi-Transmission (Tx)-Körperspulen in Kombination mit parallelen Transmissionstechniken (pTx) und speziellen HF-Pulsen.

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Unsere Forschungsgruppe entwickelt Mehrkanal-Sendesysteme für den Einsatz in Ultrahochfeld-MRT-Systemen, um die Bildgebung großer Volumen im menschlichen Körper zu erleichtern. Unser Ziel ist es, Werkzeuge bereitzustellen, die es Klinikern ermöglichen, das volle Potenzial der Ultrahochfeld-MRT zu nutzen.

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Mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) kann der Diffusionsprozess von Wassermolekülen in biologischem Gewebe beobachtet werden. Da die Diffusionsbewegung durch Barrieren wie Zellmembranen eingeschränkt wird, stehen die gemessenen Diffusionskoeffizienten indirekt mit der Zellstruktur in Verbindung. Daher wird die diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI) in großem Umfang eingesetzt, um Einblicke in die Struktur biologischer Gewebe zu gewinnen, insbesondere im Bereich der Tumor- und Schlaganfalldiagnose oder zur Rekonstruktion von Bahnen der weißen Substanz im menschlichen Gehirn.

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Der Forschungsbereich der Projektgruppe befasst sich mit der Bewertung der HF-Exposition von Personen bei MR-Untersuchungen mit statischen Feldstärken von 7 bis 14 Tesla (Ultrahochfeld-MRT). Dazu gehört insbesondere die simulationsgestützte Entwicklung und Optimierung innovativer mehrkanaliger Sendespulen mit dem Ziel einer reduzierten HF-Exposition bei homogener Kernspinanregung. Weitere Forschungsbereiche sind die Entwicklung anatomischer Körpermodelle, die Bewertung von SAR und Temperaturgrenzwerten, die Implementierung von Thermoregulationssystemen zur realitätsnahen Sicherheitsbewertung und die simulationsbasierte Verträglichkeitsprüfung passiver medizinischer Implantate. Unsere Gruppe ist zudem Beratend in  Fragen der MR-Sicherheit tätig.

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Um ein optimales Ergebnis für die Patienten zu erzielen, ist eine genaue und sichere Durchführung von therapeutischen Verfahren unerlässlich. Die bildgeführte Therapie ermöglicht die Visualisierung von Zielen und Risikoorganen während der Therapie. Die Magnetresonanztomographie (MRT) bietet einen ausgezeichneten Weichteilkontrast und ermöglicht eine nicht-invasive Überwachung wichtiger Parameter während der Behandlung (z. B. Größe und Position von Organen, Füllung von Organen oder Atembewegungen usw.). Daher eignet sich die MRT hervorragend für die Steuerung von Therapien, wie z. B. die Strahlentherapie mit Photonen oder Partikeln. Ziel dieser Projektgruppe ist es, MR-Bildgebungshardware und -methoden zu entwickeln, mit deren Hilfe MR-geführte Therapieverfahren ermöglicht bzw. verbessert werden können.

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Neben der konventionellen Magnetresonanztomographie (MRT), bei der die Magnetisierung von ¹H-Kernen gemessen wird, können auch andere Atomkerne mit einem Spin I > 0 zur Signaldetektion verwendet werden. Diese Kerne werden als X-Kerne bezeichnet. In unserer Abteilung entwickeln wir sowohl Hardware als auch Aufnahme-, Rekonstruktions- und Nachbearbeitungsmethoden, um MR-Signale von Natrium (²³Na), Kalium (³⁹K), Chlorid (³⁵Cl), Sauerstoff (¹⁷O), Magnesium (²⁵Mg), Phosphor (³¹P) und Kohlenstoff (¹³C) in-vivo zu erfassen.

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Die Arbeitsgruppe „Elektronik & Eingebettete Systeme“ ist eine Servicegruppe für den DKFZ-Forschungsschwerpunkt „Bildgebung und Strahlenonkologie“. Wir sind das Bindeglied zu verschiedenen wissenschaftlichen Gruppen, um technische Projekte zu realisieren. Unsere Expertise liegt in der Systemarchitektur und dem Design von elektromechanischen Systemen, echtzeitfähigen eingebetteten Systemen und Steuerungen, wie z.B. SPS- und FPGA-Lösungen, SPS-Design und Medizintechnik.

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32-Kanal-Sendesystem

Im Rahmen des MRexcite Projekts wurde das 7T-Gerät des DKFZ auf 32 Sendekanäle erweitert und mit einer integrierten 32-Kanal-Sendeantenne ausgestattet. Im Rahmen des Projekts wird das System auf seine Nutzbarkeit für Forschung und Klinik getestet und kontinuierliche Verbesserungen durchgeführt.

Im Rahmen des von der EU finanzierten MIRACLE-Projekts wird ein Zusatzgerät für 7T-MRT-Scanner entwickelt, mit dem die Wirksamkeit der Chemotherapie bei Brustkrebspatientinnen nach ein bis zwei Chemotherapien bestimmt werden kann. In der derzeitigen Praxis erhalten die Patientinnen sechs Runden Chemotherapie, bevor die Wirksamkeit anhand der Tumorgröße bestimmt werden kann. Bei mehr als 30 % der Patientinnen schrumpft der Tumor nicht, was bedeutet, dass die Chemotherapie unwirksam ist, so dass sie abgebrochen und möglicherweise eine andere Behandlung begonnen wird. Mit der MIRACLE-Spule wird die Wirksamkeit anhand von Biomarkern früher festgestellt. Dies führt zu einer verbesserten Lebensqualität der Patienten, ermöglicht dem Pflegepersonal einen schnelleren Wechsel zu anderen Behandlungsstrategien und senkt die Gesundheitskosten.

Mehr Informationen zum Projekt finden Sie hier www.wavetronica.com/projects/miracle-project/.