Gehirnaktivität

7T-Scanner liefert präzise 3D-Landkarte

Unterstützt vom Wissenschaftsfonds FWF wurden an der Medizinischen Universität Wien Methoden entwickelt, um Aufnahmen mit der neuen Generation von Magnetresonanztomographen zu verbessern. Mit hochempfindlichen 7 Tesla-Scannern können vor einer Operation präzise Landkarten des Gehirns angefertigt werden, um lebenswichtige Areale nicht zu schädigen.

7-Tesla-Scanner

Der 7-Tesla-Scanner zählt zu der neuesten Generation von MR-Tomographen, die derzeit noch erprobt wird. Er ermöglicht eine bis zu vierfach höhere Auflösung, was besonders in der Neurologie enorme Erleichterungen schafft. | Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland

Operationen am menschlichen Gehirn sind immer problematisch. Eine genaue „Landkarte“ kann helfen, wichtige Areale zu schonen. Um eine präzise Karte zu erstellen, werden Patientinnen und Patienten mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) vermessen. Ihr Gehirn wird bei verschiedenen Aufgaben in kurzen Abständen aufgenommen und die Aktivität entlang der drei Raumachsen verortet. Damit soll sichergestellt werden, dass beim Entfernen erkrankten Gewebes lebenswichtige Areale für Motorik, Sprache und Gedächtnis verschont bleiben. Aus dem Zusammenspiel von Mensch und Maschine ergeben sich Verzerrungen, die korrigiert werden müssen, damit Gehirn-Anatomie und -Funktion wie Schablonen zusammenpassen.

Hochempfindlich in jeder Hinsicht

Aktuell kommen Tomographen zum Einsatz, deren Magnetfeld 3 Tesla stark ist. Die nächste Generation Ultra-Hochfeld-Scanner mit 7 Tesla (7T) wird aber bereits erprobt: „7T-Scanner lösen Signale noch höher auf und geben mehr Kontrast. Sie sind aber auch anfälliger für Verzerrungen, welche die funktionelle Bildgebung verfälschen. Um also die Vorteile von 7T auszuspielen, müssen wir zunächst die Probleme von 7T lösen“, beschreibt Projektleiter Simon Robinson die Ausgangslage für ein Forschungsprojekt an der Medizinischen Universität Wien (MUW), das vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützt wurde. Österreichs einziger 7T-Scanner, einer von weltweit 50 Stück, steht seit 2008 im High Field MR Centre der MUW.

fMRT eines Patienten mit sekundärem Glioblastom
fMRT eines Patienten mit sekundärem Glioblastom, die funktionelle Verortung wurde vor der Operation anhand einer motorischen Aufgabe gemessen (Hand öffnen und schließen). Links der nicht korrigierte Scan, rechts nach der dynamischen Bildkorrektur. | MUW/ High Field MR Centre of Excellence

Mit der höheren Magnet-Feldstärke kann die Gehirnfunktion schneller und mit höherer Auflösung abgebildet werden: „So können wir etwa erkennen, ob sich das Sprachzentrum durch einen Tumor verschoben hat. Leider nehmen Verzerrungen des Magnetfelds durch Knochen, Gewebe oder Luft ebenfalls zu. Das wirkt sich auf die funktionellen Bilder aus“, betont der Projektleiter von der Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin. Ohne Bildkorrektur würden funktionelle Areale nicht genau genug in der Anatomie verortet.

Individuelle Vermessung

In dem Projekt konnte die Kliniknähe als Vorteil ausgespielt und über interne und externe Projektpartner Expertise in Physik, Programmierung, klinischer fMRT und Neurologie eingebunden werden. Das Team um Simon Robinson arbeitete bei der Entwicklung einer Methode zur 7T-Bildkorrektur mit Patientinnen und Patienten, die entweder Epilepsie oder einen Hirn-Tumor haben. Das fMRT reagiert darauf, dass körpereigene Moleküle (in diesem Fall Hämoglobin im Blut) das Magnetfeld im Gehirn verändern. In unzähligen Aufnahmen werden minimale Veränderungen registriert (z.B. Durchblutung, Sauerstoffverbrauch etc.). Damit soll im Gehirn verortet werden, wo die Denk-Aufgaben oder motorischen Übungen jeweils „verarbeitet“ werden.

Neuer Standard für fMRT-Untersuchungen

In fünfjähriger Forschung wurde ein dynamisches Bildkorrekturverfahren entwickelt, das sich als internationaler Standard für alle fMRT-Studien eignet: für die präoperative Planung, aber auch für Grundlagenforschung in der Neurowissenschaft. Vor Beginn der funktionellen Messungen wird der Anteil der Maschine an den Signalen genau bestimmt. Diese Korrekturfaktoren werden nach den Messungen in der Bildberechnung abgezogen. Mithilfe von 7T entsteht so eine präzise 3D-Landkarte des individuellen Gehirns, in der funktionelle Hirnareale genau mit der Gehirnanatomie zusammenpassen. Neurologinnen und Neurologen können dann entscheiden, ob eine Operation sinnvoll und möglich ist, und welche Teile des Gehirns um jeden Preis geschont werden müssen. In einem Folgeprojekt will das Team die Methode weiterentwickeln, um den bestmöglichen Einsatzort für Sonden zur Tiefhirnstimulation bei Parkinson-Patientinnen und -patienten zu bestimmen.

Lebenslauf
Simon Robinson, Assoziierter Professor am High Field MR Centre of Excellence der Medizinischen Universität Wien, beschäftigt sich mit der Entwicklung von bildgebenden Verfahren für Ultra-Hochfeld-Magnetresonanz (7T). Er studierte Physik an der Universität Manchester, hat ein PhD in Kernphysik und beschäftigt sich seit 1999 mit bildgebenden Verfahren (PET und MRT).

 

Literatur:

Lima Cardoso, P., Fischmeister, F.P.S., Dymerska, B., Geißler, A., Wurnig, M., Trattnig, S., Beisteiner, R., and Robinson, S.D.: Robust presurgical functional MRI at 7 T using response consistency. Human Brain Mapping. 38, 3163–3174, 2017

Dymerska, B., Poser, B.A., Barth, M., Trattnig, S., and Robinson, S.D.: A method for the dynamic correction of B0-related distortions in single-echo EPI at 7T. Neuroimage, 2016

Dymerska, B., Poser, B.A., Bogner, W., Visser, E., Eckstein, K., Cardoso, P., Barth, M., Trattnig, S., and Robinson, S.D.: Correcting dynamic distortions in 7T echo planar imaging using a jittered echo time sequence. Magn Reson Med 76, 1388–1399, 2016

Lima Cardoso, P., Dymerska, B., Bachratá, B., Fischmeister, F.P.S., Mahr, N., Matt, E., Trattnig, S., Beisteiner, R., and Robinson, S.D.: The clinical relevance of distortion correction in presurgical fMRI at 7T. NeuroImage, 2016

 

Quelle: FWF - Der Wissenschaftsfonds, scilog