Dr. Jonas Bause

Postdoc

Forschungsinteressen


Funktionelle Bildgebung bei ultrahohem Feld

Einführung


Aufgrund des höheren Signal-Rausch-Verhältnisses kann die funktionelle Bildgebung bei sehr hohen Feldstärken mit einer räumlichen Auflösung ≤ 1 mm durchgeführt werden. Damit ist es erstmals möglich, Feed-Forward- und Feedback-Prozesse sowie funktionelle Untereinheiten, wie z.B. okkulare Dominanzsäulen, nicht-invasiv beim Menschen zu untersuchen.
Gleichzeitig ist die fMRT bei 9,4 T aber auch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. So ist beispielsweise die gängigste Methode für die funktionelle MRT (Gradienten-Echo-EPI) anfällig für Störungen des statischen Magnetfelds, was zu starken räumlichen Verzerrungen führen kann. Darüber hinaus gibt es Einschränkungen durch die Stimulation peripherer Nerven und bei einigen Sequenzen durch SAR.
In meiner Forschung modifiziere ich Bildgebungssequenzen, um die höchstmögliche räumliche und zeitliche Auflösung für fMRI bei 9,4 T zu erreichen. Dieses Wissen ist die Grundlage für eine Vielzahl von Projekten und dient langfristig dazu, neurowissenschaftliche Grundlagenforschung im Submillimeterbereich mit MRI zu ermöglichen.

Blood-Oxygen-Level-Dependent (BOLD) Imaging

BOLD-Signaländerungen werden aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber T2*-Veränderungen üblicherweise mit Gradientenecho-EPI gemessen. Diese Bildgebungsmethode ist jedoch auch besonders anfällig für räumliche unspezifische extravaskuläre Signale aus großen Venen. Wie unsere Untersuchungen gezeigt haben, überlagern diese Signale nicht nur die BOLD-Signale aus dem Kortex an der Oberfläche, sondern können auch in tieferen Kortikalschichten noch einen starken Einfluss haben.
Gleichzeitig weisen insbesondere EPI-Bilder mit sehr hoher räumlicher Auflösung aufgrund des langen Auslesezugs und der daraus resultierenden geringen Bandbreite in Phasencodierrichtung oft starke räumliche Verzerrungen auf. Daher ist in der Regel eine Verzerrungskorrektur erforderlich, wenn die funktionellen Daten mit den anatomischen Daten für die Analyse ko-registriert werden sollen. Wir konnten jedoch zeigen, dass diese Korrektur selbst zu räumlichen Korrelationen führen kann, die eine Interpretation der funktionellen Signale im anatomischen Raum unmöglich machen. Daher ist die momentan übliche Vorgehensweise, die Analyse komplett im verzerrten "EPI-Raum" durchzuführen.
Ein weiterer Teil meiner Forschung befasst sich daher mit der Validierung alternativer BOLD-Sequenzen, wobei der Schwerpunkt auf Methoden auf der Grundlage der balancierten freien Präzessionsphase (balanced steady state free precession, bSSFP) liegt. Aus Signalsimulationen geht hervor, dass bSSFP eine viel geringere Signaländerung von großen Venen erfasst und daher die BOLD-Signaländerung viel spezifischer erfassen kann als GE-EPI.

Messung des zerebralen Blutflusses

Da BOLD-Signaländerungen durch parallele, aber nicht synchrone Prozesse wie Änderungen der Sauerstoffextraktionsfraktion, des Blutvolumens und des Blutflusses verursacht werden, sind sie nur sehr indirekt mit der neuronalen Aktivierung verbunden. Theoretisch lassen sich daher genauere Aussagen über die Hirnaktivität treffen, wenn man lokale Veränderungen des zerebralen Blutflusses (CBF) oder des Blutvolumens (CBV) misst. Beide Parameter sind auch interessante physiologische Größen, die bei einer Vielzahl von Krankheiten verändert sind.
Die gängigste Methode zur Messung des CBF ist das arterielle Spin-Labeling (ASL), bei dem das Blut selbst als körpereigenes Kontrastmittel verwendet wird. Diese nichtinvasive Methode hat jedoch zwei große Nachteile: Erstens ist die zeitliche Auflösung recht schlecht und zweitens ist das SNR sehr niedrig, da der Beitrag des Blutes zum Gesamtsignal sehr gering ist.
Ich versuche die zeitliche Auflösung durch Verringerung der SAR-Belastung der Sequenz zu reduzieren und die Markierungseffizienz zu erhöhen, indem ich Markierungsmethoden wie das so genannte Dual-Coil-ASL implementiere. Darüber hinaus wurden für die so genannte Pulsed-ASL Inversionspulse entwickelt, die trotz des inhomogenen Sendefeldes bei 9,4 T eine Inversion im gesamten Kopf ermöglichen, was eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung dieser Markierungsmethode ist. Zu beachten ist auch, dass bei funktionellen Messungen, insbesondere bei GE-EPI-basierten Acquisitionen, die BOLD-Signaländerungen in der Regel dem ASL-Signal überlagert werden, was die Interpretation der ASL-Signale erschwert. Um diese Effekte zu minimieren, wurde auch eine ASL-Sequenz mit einer schnellen bSSFP-basierten Bildgebung entwickelt.  
In Zukunft wird ein Schwerpunkt auf der Kombination von paralleler Übertragung und ASL-Sequenzen liegen. Es wird erwartet, dass bereits das schichtselektive B1+-Shimming für die Markierungs- und Ausleseregion einen großen Fortschritt sowohl für gepulste als auch für pseudokontinuierliche ASL-Methoden bringt. Darüber hinaus werden segmentierte 3D-EPI-Auslesungen für den Einsatz bei 9,4 T optimiert werden.


Hoch- und sehr hochauflösende anatomische Bildgebung

T1-gewichtete Bildgebung und quantitatives T1

Sowohl für funktionelle als auch für strukturelle MRT-Studien sind T1-gewichtete Sequenzen in der Regel unverzichtbar, da sie einen optimalen Kontrast zwischen Liquor, grauer und weißer Substanz bieten. Sie werden daher meist für Algorithmen zur automatischen Segmentierung verwendet, die auch die Bestimmung zusätzlicher Parameter wie der Kortikalisdicke ermöglicht.
Das inhomogene Sendefeld bei 9,4 T erfordert eine Optimierung des Inversionsimpulses und des Auslesezugs sowohl der MPRAGE- als auch der MP2RAGE-Sequenz. Letztere ermöglicht bei geschickter Wahl der Parameter auch die Quantifizierung der longitudinalen Relaxationszeit (T1), die aufgrund ihrer engen Beziehung zur kortikalen Myelinisierung von zunehmendem Interesse ist. Da jedoch eine vollständige Stabilität von MP2RAGE gegenüber Schwankungen des Sendefeldes (B1+) bei 9,4 T nicht erreicht werden kann, wurde eine automatische Korrekturmethode entwickelt, die es ermöglicht, korrekte T1-Werte unter Verwendung einer B1+-Karte zu erhalten.
Die entwickelten Standardprotokolle ermöglichen derzeit Ganzhirnaufnahmen mit 0,6 mm isotroper Auflösung in 11 Minuten für MP2RAGE (zur T1-Quantifizierung) und 8,5 Minuten für MPRAGE. Darüber hinaus gibt es Einstellungen, die eine 0,8-mm-Ganzhirnbildgebung mit MPRAGE in 3 Minuten ermöglichen.
Für T1-Messungen mit sehr hoher Auflösung wurde eine segmentierte MP2RAGE-Sequenz entwickelt, die eine prospektive Bewegungskorrektur verwendet. Damit ist es möglich, quantitative T1-Messungen des gesamten Gehirns mit einer Auflösung von 350 µm in weniger als einer Stunde durchzuführen - eine Versuchsdauer, die auch für größere anatomische Studien nicht zu lang ist.

Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung

Während die stärkeren Suszeptibilitätseffekte eine Herausforderung für die funktionelle Bildgebung mit GE-EPI bei 9,4 T darstellen, sind sie ein großer Vorteil für die Abbildung venöser Strukturen mit einer konventionellen Gradientenechosequenz. So ist es möglich, auch kleine aufsteigende Venen im Kortex abzubilden oder Regionen um größere Venen automatisch zu maskieren, um funktionelle Daten alternativ zu analysieren. Wenn eine weitere Quantifizierung der Suszeptibilitätsparameter oder von T2* erwünscht ist, wird in der Regel eine Multi-Echo-Sequenz anstelle einer Single-Echo-Sequenz mit geringer Bandbreite verwendet. In naher Zukunft werden wir auch versuchen, die scheinbar größere Größe der Venengefäße bei langen Echozeiten zu korrigieren, indem wir Multi-Echo-Daten auch für die Venensegmentierung verwenden. Neben der Sequenzoptimierung spielt bei solchen Daten die Bildrekonstruktion eine besondere Rolle, um physiologische B0-Schwankungen so stabil wie möglich zu entfernen.




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