RFT-Projekt: Hochfeld (3T)- MRT Forschungsanlage: Gemeinsamer Antrag der Medizinischen Universität Graz (MUG) und der TU Graz#
Von
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Scharfetter
Institut für Medizintechnik
Die Magnetresonanz-Tomographie (MRT bzw. MRI) ist eines der modernsten und vielfältigsten bildgebenden Verfahren zur Untersuchung von lebenden Organismen und makroskopischen Präparaten in der medizinischen Diagnostik und der biomedizinischen Forschung. Das Anwendungsspektrum der Methode geht von morphologischen Fragestellungen über die Bestimmung von biophysikalischen Parametern und in-vivo Biochemie bis zu Problemen der medizinischen Bildverarbeitung. Typische Forschungbereiche der MRT sind:
- MR-Methodenforschung, Sequenztechnik, Hardware, Auswerteund Rekonstruktionsverfahren
- Hochaufgelöste und Mikrostrukturelle Gewebsdarstellung und Quantifizierung, Diffusion Tensor Imaging (DTI), Fibertracking, Magnetisation Transfer (MTC), Gefäßwand und Plaque Imaging, MR Elastographie, MR-Morphometrie von anatomischen Substrukturen
- Kontrastmittelforschung, Molecular Imaging, Pharmakokinetik
- Energiemetabolismus, Lipidmetabolismus, Glykogenmetabolismus (NMR-Spektroskopie)
- Funktionelles Neuroimaging (fMRI)
- Gewebeperfusion und makroskopische Flußquantifikation
- Auswirkung von Medikamenten im Zeitverlauf
- Krebsforschung (Mikrogefäßversorgung, Morphometrie, Stoffwechsel, pH, O2..), siehe Bild 1.
Alle biomedizinischen Anwendungen sind verknüpft mit einer permanenten Weiterentwicklung im technisch-methodischen Bereich.
Die Grenzen der Entwicklung sind zurzeit weder für die medizinischen Anwendung noch für die Methodik und Gerätetechnik absehbar. Es gibt daher an nahezu allen renommierten Universitäten mit medizinischer oder biomedizinischer Forschung zumindest ein dediziertes Forschungsgerät. Die international erfolgreiche Nutzung der Magnetresonanz setzt interdisziplinäre Forschungsgruppen voraus.
In Graz bietet sich durch die TU Graz mit langjähriger Erfahrung in biomedizinisch-technischer Forschung und die neu gegründeten Medizinische Universität (MUG) mit ambitionierten Programmen im Bereich der Bildgebung eine geradezu ideale Basis für eine interdisziplinäre Kooperation.
Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung haben die Medizinische Universität und die TU Graz beschlossen, eine gemeinsame Infrastrukturinvestition im Bereich 3-Tesla Hochfeld-MRT zu tätigen und damit die Basis für weitere Spitzenforschung in Graz mit dieser biomedizinischen Schlüsseltechnologie zu schaffen. Die Finanzierung erfolgt durch ein Projekt, das vom Rat für Forschung und Technologieentwicklung genehmigt wurde. Die TU Graz hat durch ihren Anteil von ca. 16 % an der Antragssumme (2.5 Mio Euro) einen unmittelbaren Zugang zu einem modernen 3T-Ganzkörpersystem für Bildgebung und Spektroskopie.
Beispielhaft seien im Folgenden drei geplante Themenkreise für Forschungsprojekte im Rahmen des Forschungsschwerpunktes „Technische Biowissenschaften“ genannt, welche sehr von der Anschaffung des 3T-MRT profitieren.
Hochaufgelöste Gefäßwand: Plaque Stabilität und Ballon-Angioplastie (Bischof, Holzapfel (TU Graz), Ebner, Pilger, Stollberger (MUG)
Die hochaufgelöste Abbildung von Arterienwänden und atherosklerotischen Plaques ist ein hoch aktuelles Gebiet im Bereich des MR-Imagings mit einer Reihe von Anwendungsmöglichkeiten in der klinischen Medizin und der biomedizinischen Technik.
Die Übertragung der hochaufgelösten in vitro Untersuchungen auf in vivo Anwendungen ist nach wie vor durch methodische Probleme schwierig (physiologische Bewegungen, nicht optimierte Spulensysteme). Für direkte Abbildungen des Fettanteils in einer Arterienwand sind Sequenzen mit extrem kurzen Echozeiten notwendig. Das stark verbesserte Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) bei 3 Tesla ist für Untersuchungen dieser Art von besonderem Nutzen. Für weitere Fortschritte beim direkten Imaging des Fettanteils in der Arterienwand ist die Verbesserung der Scanmethoden zur in vivo Darstellungen von Gefäßwänden und Plaques notwendig, z. B. Radialscans.
Mit Hilfe der 3-Tesla Hochfeld-MR können biomechanische Eigenschaften von Gefäßwänden im Experiment zuverlässiger untersucht werden. Die entsprechenden experimentellen Daten dienen dann als Grundlage für die physikalische Modellierung und die darauffolgende numerische Simulation mittels der Finiten Elemente Methode.
Die Forschungsgruppe „Computational Biomechanics“ unter der Leitung von G. Holzapfel, an der TU Graz, entwickelte eine computerbasierte Methode um atherosklerotisch veränderte Arterien mittels hochauflösender Magnet Resonanz Tomographie (hrMR) zu charakterisieren und durch Methoden der digitalen Bildverarbeitung die dreidimensionale Geometrie der verschiedenen Gewebskomponenten zu rekonstruieren (siehe auch Bild 2).
Molecular Imaging (Bischof, Holzapfel, Klimant, Scharfetter, Trajanoski (TU Graz), Stollberger (MUG)
Das sogenannte „Molecular Imaging“ ist der Bereich in der biomedizinischen Bildgebung, dem das größte Zukunftspotential zugestanden wird. Die in diesem Bereich abgebildeten Prozesse und Merkmale auf molekularer und zellulärer Ebene sind zurzeit eine Domäne der Positronen Emmissions Tomographie (PET), die allerdings die regelmäßige Erzeugung von Radionukliden und Radiopharmaka unter Verwendung eines Zyklotrons erfordert, eine grundsätzlich begrenzte Auflösung besitzt und eine Belastung der untersuchten Personen mit ionisierender Strahlung bedingt.
In jüngster Zeit sind verschiedene neue Kontrastmittel für MRT entwickelt worden, die die Sensitivität für molecular imaging entscheidend verbessern. Die Gruppe der voll biokompatiblen magnetischen Nanosensoren ermöglicht selektive DNA/RNA, Proteine, enzymatische Aktivität und Pathogene ohne extensive Probenreinigung und Amplifikation zu detektieren. Manche Kontrastmittel ermöglichen bereits die Detektion einzelner Zellen, z.B. zur Verfolgung der Stammzellenmigration.
Um die Entwicklung in diesem für die Bildgebung wichtigen Bereich voranzutreiben müssen Scan- und Auswerteprozeduren für die neuen Kontrastmittel in Verbindung mit den unterschiedlichen molekularen Sonden optimiert werden und die Vorraussetzungen für Untersuchungen am Maus-Modell geschaffen werden.
(b) Histologischer Schnitt der Arterie in Elastika Van Giesson Färbung.
(c) T1 gewichtetes hrMR Bild der Arterie. Dreidimensionale Rekonstruktion der Arterie mit den unterschiedlichen Gewebsteilen oben
(zur Verfügung gestellt von G. Holzapfel und Mitarbeitern)
High-throughput Phenotyping für Kleintiere in der funktionellen Genomik (Scharfetter Trajanoski (TU Graz), Stollberger (MUG)
Aufgrund der starken Homologie zwischen menschlichen und anderen Säugetier-Genen erwartet man wichtige Ergebnisse in der Aufklärung der Gen-Funktion aus Tierexperimenten, speziell mit Mäusen. Eine Methode ist, in jedem Maus-Gen eine erbliche Mutation zu erzeugen, um so eine oder mehrere Funktionen einer Mutation zuordnen zu können. Dazu benötigt man eine schnelle und zuverlässige Phänotypisierungs-Methode, bevorzugt hochauflösende 3-D Bildgebung am lebenden Tier. MRT ist aufgrund seiner nichtinvasiven 3-D-Rekonstruktion in der Lage, strukturelle Anomalien in Mutanten abzubilden und ein Vergleich mit einer Referenzmaus kann voll automatisiert werden. Um hohe Bildqualität bei kurzer Messzeit zu gewährleisten ist die Entwicklung spezieller Mehrfachspulensysteme nötig, die es erlauben, mehrere Mäuse in einem einzigen Ganzkörper-MR-Scanner in einem einzigen Bildgebungszyklus bei hoher SNR abzubilden. Dies ist mit mehreren geschirmten Hochfrequenzspulen mit Eingangsverstärkern möglich, wobei zur Korrektur von Geisterbildern aufgrund unvermeidbarer Restkopplungen zwischen den Systemen spezielle Techniken des ‚Parallel-Imaging’ angewendet werden können. Ziel ist es, optimal gepackte Spulen für ein 3-T-Ganzkörpersystem zu entwickeln und Maus-Phenotyping zu betreiben.
Neben diesen drei Themen bleibt natürlich Raum für weitere Aktivitäten. So wird derzeit etwa der sehr interessante Bereich ‚Funktionelle Hirnforschung’ angedacht, der auch an der MUG etabliert werden soll.
Die Initiatoren bedanken sich bei der Universitätsleitung und beim Rat für Forschung und Technologieentwicklung dafür, dass sie mit der Unterstützung dieses Projekts helfen, die bereits jetzt gute Stellung der TU Graz im Bereich der Biowissenschaften weiter auszubauen und zu stärken.