Bildgebende Verfahren

Magnetresonanzzentrum (MRZ)
 

Ultra-Hochfeld Magnetresonanztomografie: 9,4 Tesla MR Ganzkörpersystem

Zur Untersuchung der Reaktion des Gehirns auf verschiedene Reizungen ist der Scanner mit einem visuellen, auditiven und taktilen Stimulationssystem ausgestattet. Das optische Stimulationssetup für funktionelle MRT und funktionelle MRS, das am 9,4-T-Human-MRT-Scanner verfügbar ist, besteht aus einem Projektor und einem Spiegelsystem kombiniert mit einer Stimulationssoftware.

Aufgrund des erhöhten Signal-Rausch-Verhältnisses ist es möglich, funktionelle und anatomische Bilder des menschlichen Gehirns mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Millimeter aufzunehmen. Aus diesem Grund ist der begrenzende Faktor der Auflösung oft die Bewegung des Motivs. Selbst bei sorgfältiger Polsterung lassen sich kleinste Verschiebungen durch Atmung oder Herzschlag nicht vermeiden. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir ein Bewegungsverfolgungssystem von Kineticor. Es besteht aus einer Kamera, die in der Scanneröffnung montiert ist, und einem Moiré-Phasenmarker, der am Kopf des Probanden befestigt ist. Das System hat eine Tracking-Genauigkeit von bis zu 10 µm / 0,01° bei einer Bildrate von 80 Hz. Die aufgezeichnete Bewegungen wedern verwendet, um die Position und Orientierung der Bildschicht während des Experiments in Echtzeit anzupassen.

Ultra-Hochfeld Magnetresonanztomografie: 14,2 Tesla MR Kleintiersystem

Dieser Scanner wurde im August 2007 mit einer Feldstärke von 16,4 T ausgeliefert, damals das stärkste Feld in einem horizontalen MRT-Gerät weltweit. Der Magnet wurde von Magnex (Oxford) gebaut, die MR-Hardware wurde von Bruker Biospin in Ettlingen geliefert. Nach vier Jahren erfolgreichen Betriebs wurde es im Oktober 2011 durch einen Quench beschädigt und musste zur Reparatur nach Oxford geschickt werden. Seit August 2013 ist der Scanner wieder in Betrieb, jetzt mit einer reduzierten Feldstärke von 14,1 T. Er ist mit Gradienten ausgestattet, die innerhalb von 181 µs eine Stärke von 1 T/m erreichen können, und einem Hochleistungs-Shimsystem mit neun ersten und Shimkanäle zweiter Ordnung. Sein Innendurchmesser von 12 cm ermöglicht es, umfangreiches Equipment für Gehirnstimulation oder multimodale Experimente einzusetzen.

Kürzlich wurde die Spektrometerhardware auf das aktuelle Bruker Neo-System aufgerüstet und läuft jetzt mit ParaVision 360, was die Durchführung von Zweikanal-pTx und dynamischem Shimming ermöglicht. Eine große Auswahl an selbstgebauten MR-Spulen umfasst Oberflächenspulen für die Bildgebung des Gehirns von Ratten, große Quadratur-Sende-/Empfangs-Birdcage-Spulen für die Untersuchung von Proben oder ganzen Ratten oder doppelt abgestimmte Sende- und Empfangsspulen für die Deuterium-Bildgebung.

Klinisches MRT: 3 Tesla MR Ganzkörpersystem

Der klinische 3-T-Scanner basiert auf einem Siemens Trio-Magneten, der zu einem hochmodernen Siemens Prisma-System aufgerüstet wurde. Es hat einen Durchmesser von 60 cm und kann Signale auf 64 Kanälen gleichzeitig für parallele Bildgebung empfangen. Die Gradienten haben eine maximale Stärke von 80 mT/m bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von 200 Ts/m und sind mit einem Shimsystem 2. Ordnung ausgestattet. Aufgrund der hohen Gradiententreue ist es auch gut für die diffusionsgewichtete MRT geeignet. Neben Projekten aus unserer Abteilung wird dieser Scanner ausgiebig für funktionelle Bildgebungsstudien verwendet, die von anderen Gruppen unseres Instituts sowie von externen Mitarbeitern der Universität Tübingen durchgeführt werden.

Das 3T-Labor ist mit modernsten Stimulationssystemen zur Untersuchung des visuellen, auditiven und taktilen Sinnes mittels funktioneller Magnetresonanztomographie ausgestattet. Darüber hinaus kann der Scanner mit einem MR-kompatiblen EEG-System (Contact Precision Instruments, London, UK) kombiniert werden, was die gleichzeitige Erfassung von EEG- und funktionellen Magnetresonanzdaten ermöglicht.

Ultra-Niederfeld MRT: 

Ein weiterer Forschungsbereich am Magnetresonanzzentrum ist die Ultraniederfeld Magnetresonanztomographie (ULF MRT). Für Studien an Phantomen und kleinen Tieren wird seit 2015 ein ULF MRT Labor eingerichtet. Anders als bei der konventionellen oder Hochfeld MRT benötigt man keinen Helium gekühlten Magneten. Dafür wird hier ein Helium gekühlter, SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) basierter Breitbanddetektor verwendet, der extrem sensitiv ist. Das ULF MRT System befindet sich deshalb in einer dreischichtigen Abschirmkammer, die in der Lage ist nieder- und hochfrequente Störquellen abzuschirmen.

Das ULF MRT System wurde innerhalb der Abteilung Hochfeld-Magnetresonanz von der Arbeitsgruppe für Ultraniederfield Magnetresonaztomographie entworfen und von der internen Feinmechanik Werkstatt zusammengebaut. Außerdem werden von der Elektronikwerkstatt entworfene und gebaute, speziell auf das System angepasste Verstärker, verwendet.

Bisher werden in diesem Labor neuartige Hyperpolarisationstechniken untersucht, die es ermöglichen sollen, auch bei niedrigen Feldstärken hochaufgelöste Bilder aufzunehmen. Die hierfür benötigten Sequenzen werden mit Labview programmiert und die Signale durch ein National Instruments PXIe System an die entsprechenden Amplifier weitergeleitet.

Spulenlabor

Experimente mit den Ultrahochfeld-Scannern werden durch selbstgebaute HF-Spulen, Vorverstärker und T/R-Schalter ermöglicht. Diese Hardware wird in unserem Spulenlabor entwickelt und gefertigt. Zu diesem Zweck ist das Spulenlabor mit zwei Netzwerkanalysatoren, einem Rauschzahlanalysator, einem Spektrumanalysator und einer geschirmten Box für Rauschzahlmessungen ausgestattet.

Zusätzlich sind mehrere Softwarepakete zur Simulation von Spulen (XFDTD, Remcom; SEMCAD, Speag; Microwave Studio, CST) und Vorverstärkern (Microwave Office, Applied Wave Research, El Segundo, CA, USA) verfügbar.

LED/Laser-Labor in Kombination mit fMRI

Das Laser-Labor ist in Kombination mit einem 14,1 T Hochfeld-fMRI Scanner aufgebaut worden und umfasst zwei separate Räume. Im ersten Raum findet die Vorbereitung der Tiere sowie elektrophysiologische Ableitungen und die Aufnahme von Calciumsignalen (Calcium Recording) statt. Der zweite Raum liegt neben dem 14,1T Scanner, sodass der Optical Imaging/Recording Aufbau im Inneren des 14,1T Magnetkerns vorbereitet werden kann. Für die Entwicklung und den Aufbau des multimodalen optischen und fMRI Systems wurde zunächst eine offene Doppelring Transmitterspule entwickelt, um ausreichend Platz im Inneren des 12cm Gradienten zu haben. Diese Transmitterspule wurde dann mit selbstgefertigten Oberflächenspulen (2mm bis 2cm Durchmesser) für Nager ergänzt. Abb. 1 zeigt die erste Generation des optischen Lichtfasersystems das verwendet wird, um GCaMP6-vermittelte Calciumsignale mittels Faseroptik aufzunehmen. Abb. 2 zeigt die zweite Generation eines Systems zur Aufnahme von optischen Signalen (Optical Imaging) mit zwei Kanälen, mit dem gleichzeitig fluoreszierende Calciumsignale und fMRI Signale vom Gehirn von Tieren aufgenommen werden können. 

Zusammen mit der Optogenetik wurde ein Überwachungssystem für physiologische Parameter von Kleintieren während fMRI-Messungen implementiert. Die verwendeten viralen Vektoren werden in erster Linie über die Upenn Vector Core bezogen. Sie wurden entsprechend unseren speziellen Anforderungen entworfen. Wir verwenden drei Lasersysteme von CNIlaser mit 470nm, 590nm und 360nm Wellenlänge. Für simultane Faseroptik-vermittelte Calciummessungen, parallel zu den fMRI Messungen, haben wir unser eigenes optisches Ableit- und Aufnahmesystem entwickelt.

Für die gleichzeitige Aufnahme von optischen Signalen mittels Weitwinkel-Bildgebung (wide-field Optical Imaging) und MRT-Aufnahmen haben wir ein Optical Imaging System entwickelt, das auf einer speziell angefertigten, magnetfeldresistenten und für wissenschaftliche Zwecke geeigneten CMOS Kamera von PCO (Weilheim, Deutschland) basiert und im Magnetkern verwendet werden kann. Zusammen mit optischen Hochleistungskomponenten, die modifiziert wurden, um während Versuchen mit dem MRT eingesetzt werden zu können, sowie einer integrierten Oberflächenspule, macht es dieses Optical Imaging System möglich, intrinsische optische Signale während fMRI Messungen aufzunehmen (Abb. 3). Darüber hinaus sind auch weitere Anwendungen, wie bildgebende Aufnahmen von Gehirnaktivität unter Verwendung von Calcium- oder Spannungssensoren/-indikatoren möglich.