Erwin L. Hahn Institute for MRI

Forschung

Am Erwin L. Hahn Institut für MR-Bildgebung sind derzeit sieben Forschungsgruppen angesiedelt. Die Forschungsschwerpunkte und Expertisen dieser Gruppen verteilen sich auf sehr unterschiedliche Fach- und Einsatzgebiete und ermöglichen somit eine sowohl komplementäre, als auch synergistische Zusammenarbeit. Durch die enge interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit der Forschungsgruppen können am ELH technische, methodische und medizinische Fragestellungen der 7-Tesla UHF-MRT übergreifend untersucht werden – ein Alleinstellungsmerkmal des Instituts, welches seine Position als eines der weltweit führenden Zentren für die UHF-MRT Forschung und Anwendung stützt. Im Folgenden werden die Forschungsschwerpunkte der einzelnen Gruppen am ELH in den vergangenen zwei Jahren kurz dargestellt.

Hochfrequentzechnologie

Die Forschungsarbeit der Gruppe von Prof. Mark Ladd (DKFZ Heidelberg) ist auf die Entwicklung von Methoden und Technologien fokussiert, die 7-Tesla-Untersuchungen im gesamten Körper einschließlich des Rumpfs ermöglichen sollen. Die Forschung konzentriert sich vor allem auf:

  • Hochfrequenz (HF)-Anregungsantennen mit mehreren, voneinander unabhängigen Elementen,
  • numerische Simulationen in inhomogenen menschlichen Körpermodellen, um die Verteilung des Sendemagnetfeldes (B1), sowie auch die damit einhergehende Körpererwärmung (SAR) zu untersuchen; dies auch in der Gegenwart von elektrisch leitenden Implantaten und
  • Hochfrequenz-Anregungsstrategien, um eine gleichmäßigere Verteilung des B1-Feldes oder räumlich selektive Anregungen/Sättigungen zu erzielen.

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Projekts (Deutsche Ultrahochfeld-Bildgebung/German Ultrahigh Field Imaging, GUFI), arbeitet die Gruppe standortübergreifend an Qualitätssicherungsstandards für die MR-Bildgebung bei sehr starken Magnetfeldern. 

Weiter wird als Teil einer Zusammenarbeit zwischen dem ELH in Essen, dem DKFZ in Heidelberg und der Hochfrequenztechnik in Duisburg (Prof. Solbach) ein 32-Kanal-HF-Sendesystem entwickelt und erforscht. Dieses System ist weltweit einzigartig, da bisherige 7T UHF-MRT Systeme maximal 16 unabhängige HF-Sendekanäle bieten. Diese Forschung wird vom Europäischen Forschungsrat durch den (ERC) Advanced Grant „MRexcite“ finanziert. 

Hochfrequenzantennen und diagnostische Anwendungen

Auch die Arbeitsgruppe Hochfeld- und Hybride MR-Bildgebung unter der Leitung von Prof. Harald Quick befasst sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung neuer Methoden sowie neuer Mehrkanal-HF-Sende/Empfangsspulen für die UHF-MRT-Bildgebung. Die HF-Spulen werden simuliert, entwickelt und aufgebaut. Ziel ist es, das hohe SNR der UHF-MRT maximal auszuschöpfen und damit eine möglichst hohe räumliche Detailauflösung für verschiedene klinisch-diagnostische Anwendungen zu erzielen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Sicherheit in der Anwendung der MRT auch bei Patienten mit passiven und aktiven Implantaten. In klinischen Vergleichsstudien werden die Vor- und Nachteile der 7-Tesla UHF-MRT mit der Standard-MRT bei 1,5 und 3,0-Tesla evaluiert. Innerhalb des Erwin L. Hahn Instituts profitieren die Forschungsgruppen mit Neuro-Schwerpunkt von neuen HF-Kopfspulen und Methoden. Die hochaufgelöste onkologische MRT-Bildgebung kann mit neuen HF-Spulen weiter verbessert und auf weitere Körperbereiche (Thorax, Abdomen, Becken) ausgedehnt werden.

Krebsdiagnostik

Diesem Themenkomplex widmet sich die Forschergruppe von Dr. Tom Scheenen, die sich auf die Weiterentwicklung der MR-Bildgebung und -Spektroskopie für onkologische Anwendungen fokussiert, mit dem Bestreben, Innovationen zeitnah in eine klinisch relevante Anwendung zu überführen. Die Forschungsarbeiten reichen von der Entwicklung neuer HF-Spulentechnologie und Bildgebungssequenzen für die 7-Tesla UHF-MRT über die Erforschung neuer in-vivo Biomarker zur Beurteilung der Krebs-Aggressivität, insbesondere von Prostatakrebs, bis hin zu großen Patient*innenstudien. In diesen erfolgt die klinische Validierung der multiparametrischen MRT-Bildgebung für das Prostatakrebs-Management. Ausgehend von den herausragenden Forschungsergebnissen zur Prostata-Diagnostik soll zukünftig das Spektrum der Krebsdiagnostik mittels 7-Tesla UHF-MRT auch auf die Visualisierung von kleinsten Metastasen verschiedener Tumoren weiter ausgedehnt werden. 

Neurobildgebung

Die anderen am ELH angesiedelten Arbeitsgruppen forschen schwerpunktmäßig vorwiegend im Bereich der funktionellen MRT (fMRT), welche die Darstellung der Hirnaktivität ermöglicht.

Der Forschungsgruppe um Prof. David Norris ist es gelungen, isotrope Auflösungen in der fMRT bis hinunter zu 1 mm3 zu erzielen. Damit ist es erstmals möglich, nicht nur die Aktivität einer Ebene der Hirnregionen zu untersuchen, sondern auch die Aktivierung als Funktion der Tiefe innerhalb der grauen Gehirnsubstanz zu betrachten. Histologisch gibt es insgesamt sechs Schichten innerhalb der grauen Substanz mit unterschiedlichen Funktionen und Zusammenhangsmustern. Mit einer hohen räumlichen Auflösung in der fMRT ist es nun möglich, die Interaktion zwischen Hirnregionen und den einzelnen Schichten detaillierter zu untersuchen.

Des Weiteren hat die Arbeitsgruppe von David Norris Techniken für die 7-Tesla MRT-Spektroskopie implementiert, mit denen Gamma-Aminobuttersäure (GABA), der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn, nachweisbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass das tonische Niveau von GABA in Hirnregionen, die mit der Gedächtnisbildung assoziiert sind, ein Indikator für die Gedächtnisleistung ist.

Kognitionspsychologie

Mit neuralen Korrelaten kognitiver und emotiver Prozesse mittels fMRT, insbesondere der Untersuchung der neuralen Mechanismen des Treffens von Entscheidungen und deren Interaktion mit Kontroll- und Steuerungsprozessen, beschäftigt sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Matthias Brand. Ebenso werden die Beeinflussbarkeit von Entscheidungen durch Emotionsverarbeitungsprozesse, die Mensch-Technik-Interaktion, sowie die neurobiologischen und neuropsychologischen Grundlagen von Verhaltenssüchten, wie Internetsucht oder Kaufsucht erforscht. Hierbei werden vorrangig Hirnreaktionen auf die Konfrontation mit suchtassoziierten Reizen und deren Bedeutung für das subjektiv empfundene Verlangen adressiert. Die Verwendung der UHF-MRT am Erwin L. Hahn Institut ermöglicht es, aufgrund der hohen Magnetfeldstärke und damit einhergehend der guten räumlichen Auflösung, auch eine Binnendifferenzierung in einzelnen Hirnstrukturen, wie beispielsweise der Amygdala oder dem ventralen Striatum, vorzunehmen. Zudem ermöglicht die Nutzung des 7-Tesla MRT-Systems für die skizzierte fMRT-Forschung auch das Sichtbarmachen von Aktivierungen in kleinen Strukturen, die mittels 1,5- oder 3,0-Tesla MRT gar nicht oder nur mühsam darstellbar sind. 

Funktionsweise des Kleinhirns

Auch die Untersuchung der in der Tiefe des Kleinhirns gelegenen Kleinhirnkerne wird erst bei der Nutzung der 7-Tesla UHF-MRT möglich. Das Kleinhirn steht zunehmend im Interesse in den Neurowissenschaften, weil es anders als viele Jahre gedacht, nicht nur motorische Prozesse und Lernen unterstützt, sondern als Modulator in sehr vielen anderen Bereichen einschließlich bestimmten kognitiven Funktionen, Emotionsverarbeitung und Schmerz eine Rolle spielt. Die Arbeitsgruppe Experimentelle Neurologie unter Leitung von Prof. Timmann-Braun nutzt die UHF-MRT zum einen zur strukturellen Darstellung der Kleinhirnkerne bei Gesunden und ihren Veränderungen bei Patient*innen mit bestimmten Erkrankungen des Kleinhirns (sogenannten Ataxien), und zum anderen für funktionelle MRT-Untersuchungen. Im Rahmen einer durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe stehen aktuell Untersuchungen zu assoziativen Lernvorgängen im Vordergrund. Die Fähigkeit zum Verlernen (Extinktion) spielt eine große Rolle bei Angsterkrankungen. Dagmar Timmann-Braun überprüft mittels UHF-MRT die Hypothese, dass das Kleinhirn im an der Extinktion beteiligten neuronalen Netzwerk eine wichtige Rolle spielt.

Schmerzforschung

Die Arbeitsgruppe von Prof. Ulrike Bingel nutzt die hochaufgelöste MRT-Bildgebung des Hirnstamms und des Rückenmarks, um die Zusammenhänge zwischen bestimmten subkortikalen Arealen und der weiteren Schmerzverarbeitung im Rückenmark zu untersuchen. Ziel ist die Erforschung der Schnittstelle zwischen Schmerzverarbeitung im zentralen Nervensystem und den kognitiven Neurowissenschaften. Hierzu werden die Mechanismen der individuellen Schmerzempfindung, der Anfälligkeit gegenüber der Chronifizierung von Schmerz, sowie die Fähigkeit zur Schmerzmodulation unter bestimmten kontextuellen Umständen untersucht. Methodisch kommt hierbei die strukturelle und funktionelle MRT-Bildgebung in Kombination mit pharmakologischen und psychophysikalischen Ansätzen zum Einsatz. Die Untersuchungen erfolgen an gesunden Probanden und an Patientengruppen, die unter chronischen Schmerzen oder neurologischen Erkrankungen wie beispielsweise unter Parkinson leiden. Gegenwärtige Untersuchungen dienen dem Verständnis von interindividuellen Unterschieden in dem Ansprechen auf Placebo-Effekte bei pharmakologischen Therapien, um das Therapiemanagement weiter zu verbessern.