qMRI Lab (Laun)
Willkommen beim qMRT-Lab!
Das „q“ in qMRT steht für quantitativ und soll unsere Forschung an quantitativen MRT-Methoden widerspiegeln.
Das „q“ steht darüber hinaus für q-Raum. Der q-Raum ist der Raum, in dem wir Daten in der diffusions-gewichteten MRT aufnehmen, welche einen unserer Forschungsschwerpunkte darstellt. Mit dieser Technik messen wir die Wasserdiffusion im Gewebe in vivo. Die Messung der Diffusion erlaubt Aussagen über die Gewebestruktur bzw. Gewebeintegrität und wird beispielsweise in der Schlaganfallsdiagnostik und bei der Diagnostik des Prostatakarzinoms klinisch eingesetzt. Forschungsschwerpunkte liegen auf der Messung anisotroper Diffusion (Diffusions-Tensor Bildgebung), nicht-Gaußscher Diffusionsprozesse (z.B. Kurtosis-Bildgebung, IVIM-Bildgebung), der Bestimmung der Gewebemikrostruktur (z.B. Diffusions-Porenbildgebung) und der Entwicklung von Hochgradientenverfahren (z.B. dedizierte Brustgradienten, G > 1 T/m). Um eine quantitative Evaluation zu ermöglichen, werden zudem geeignete Validierungs-, Referenz-, und Eichungsobjekte, sogenannte Phantome, entwickelt.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der quantitativen Suszeptibilitätskartierung (QSM; engl. quantitative susceptibility mapping). Verschiedene biologische Gewebe unterscheiden sich in ihren magnetischen Suszeptibilitäten, welche mittels geeigneter MRT-Techniken gemessen und quantifiziert werden können. Anwenden lässt sich diese Technik beispielsweise zur Differenzierung von Kalk und Blutungen.
Wir arbeiten zudem daran, die Gewebesteifigkeit und weitere Elastographie-Eigenschaften menschlichen Gewebes mittels der Magnetresonanz-Elastographie zu quantifizieren. Diese Aktivitäten sind in den SFB 1540 „Exploring brain mechanics“ eingebettet. Die Magnetresonanz-Elastographie erlaubt z.B. die Untersuchung mechanischer Eigenschaften des sich entwickelnden Gehirns oder von dessen Fehlbildungen.
Wir bieten immer wieder spannende Bachelor-, Master- und Promotionsthemen an. Bei Interesse bitte einfach eine Email schreiben an frederik.laun@uk-erlangen.de.
Projektgruppe „MR-Suszeptibilitätsbildgebung“ (geleitet von Jannis Hanspach)
Die magnetische Suszeptibilität wurde in der Magnetresonanztomografie (MR) lange Zeit als Störfaktor betrachtet, der zu Artefakten führt.
Durch moderne Techniken wie die Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (SWI, englisch: Susceptibility Weighted Imaging) oder der quantitativen Suszeptibilitätskartierung (QSM, englisch: Quantitative Susceptibility Mapping) kann der Effekt der magnetischen Suszeptibilität auf MR-Phasenkarten genutzt werden, um nützliche Kontraste zu erzeugen und die Verteilung der magnetischen Suszeptibilität zu berechnen. Veränderungen in der magnetischen Suszeptibilität lassen indirekt Rückschlüsse über die räumliche Verteilung von Eisen, Myelin oder den Kalziumgehalt im Gehirn zu, die bei neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. der Parkinsonkrankheit verändert sein können. Im menschlichen Körper außerhalb des Gehirns lassen sich Suszeptibilitätsquellen wie Verkalkungen, Blutungen oder Fremdkörper mit diesen Methoden gut darstellen.
Wir arbeiten daran, den Einsatz von QSM und SWI u.a. mittels neuer Deep Learning Rekonstruktionsverfahren in verschiedenen anatomischen Regionen, wie dem Gehirn, der Prostata, der Brust und den Nieren zu ermöglichen und die Bildqualität zu verbessern. Zusätzlich unterstützen wir den Einsatz von QSM und SWI in Patientenstudien, in denen wir in Kooperation mit klinischen Partnern die Verteilung der magnetischen Suszeptibilität bestimmen. Ziel ist hierbei Erkenntnisse über den Wert dieser Techniken zu erlangen und potentiell eine bessere Diagnostik zu ermöglichen. Unter anderem haben wir dabei die Parkinsonkrankheit, die Multiple Systematrophie und das Prostatakrebspatienten im Fokus.
Quantitative Suszeptibilitätskarte des Gehirns eines gesunden Probanden auf Höhe der Basalganglien. Die Suszeptibilitätskarte wurde aus der Phasenkarte einer Gradientenechosequenz (7T) rekonstruiert, zeigt einen einzigartigen Kontrast und liefert Rückschlüsse über die Verteilung von Eisen, Myelin und Kalzium.
Projektgruppe „Magnetresonanz-Elastographie“ (geleitet von Guillaume Flé)
Die mechanischen Eigenschaften von Gewebe sind dynamische Marker für dessen Gesundheitszustand und maßgebliche Akteure bei verschiedenen biologischen Prozessen. In der Medizin bietet die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ein einzigartiges Mittel zur nicht-invasiven Bewertung der Steifigkeit von Organen unter Anwendung kontinuumsmechanischer Prinzipien. Bei der MRE werden mit Hilfe von Oberflächenaktuatoren, die im MRT-Scanner am Körper des Patienten angebracht werden, schwache zeitlich-harmonische Schwingungen im gescannten Bereich erzeugt. Die Ausbreitung der Schwingungen in Form von elastischen Wellen wird mit einer speziellen MR-Phasenkontrastsequenz gemessen, die Momentaufnahmen der Wellen zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten des harmonischen Aktivierungszyklus aufnimmt. Die Verarbeitung der Wellenbilder durch ein spezielles mechanisches Modell liefert Karten der Modellparameter, die oft in Paaren wie Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfungskoeffizient oder Steifigkeit und Viskosität ausgedrückt werden.
Die MR-Elastographie-Gruppe untersucht die Biomechanik des gesunden und pathologischen menschlichen Gehirns, wobei der Schwerpunkt auf Patienten mit Epilepsie liegt. Darüber hinaus ist es das Ziel unserer Forschung, ex-vivo-Daten für den Vergleich mit verschiedenen Charakterisierungsmethoden bereitzustellen.
Wir sind Teil des Y-Projektes des SFBs 1540 Exploring Brain Mechanics, das von Arnd Dörfler, Frederik Laun, Jing Guo und Ingolf Sack geleitet wird (https://www.crc1540-ebm.research.fau.eu).
Projekt: Untersuchung von Pulsationsartefakt-reduzierenden Techniken in der Diffusionsbildgebung der Leber (DFG Projektnummer 446875476)
In der Magnetresonanztomographie der Leber tritt in der diffusionsgewichteten Bildgebung (DWI) häufig ein Signalverlust im linken Leberlappen auf, welcher durch die Herzpulsation verursacht wird. Ziel dieses Projektes ist es, die Bildqualität der Leber-DWI zu verbessern. Dazu soll dieses Artefakt reduziert werden, während gleichzeitig das Blutsignal unterdrückt ist. Hierfür soll ein „gemischtes“ Protokoll verwendet werden, dessen Verwendbarkeit in einer kürzlich durchgeführten eigenen Freiwilligenstudie nachgewiesen wurde. Es enthält eine konventionelle bipolare Diffusionskodierung bei einem kleinen b-Wert (50 s/mm²) und eine flusskompensierte Diffusionskodierung bei einem hohen b-Wert (800 s/mm²). Dieses Protokoll soll in einer prospektiven Patientenstudie verwendet werden, in welche Patienten mit bekannten oder vermuteten Leberläsionen eingeschlossen werden sollen. Einer der wichtigsten Parameter, die ausgewertet werden, ist dabei die Sichtbarkeit der Läsionen im linken Leberlappen. Um eine weitere Verbesserung der Bildqualität zu erreichen, sollen fortschrittliche Datenverarbeitungsverfahren entwickelt und bewertet werden. Hierbei sollen konventionelle Ansätze, z.B. Ausreißererkennungen, verfolgt werden. Zudem sollen „faltende neuronale Netzwerke“ („convolutional neural networks“) trainiert werden, um qualitativ hochwertige Bilder aus dem Satz der aufgenommenen diffusionsgewichteten Bilder zu erzeugen.
Dieses Projekt wird in Kooperation mit dem klinischen Partner Marc Saake durchgeführt.
 Pulsationsartefakt in der Leber. Durch neue Sequenztechniken und Bildbearbeitungsansätze soll dieses typischerweise im linken Leberlappen auftretende Artefakt minimiert werden. |
Projekt: Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie mit flusskompensierten Diffusionswichtungen und tri-exponentielle IVIM-Bildgebung (DFG Projektnummer 437119659)
Das Intravoxel Incoherent Motion (IVIM) Modell von Denis le Bihan et al. führt den beobachteten starken Signalabfall in der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie bei kleinen b-Werten auf das Vorhandensein eines Kompartiments zurück, welches Blut als fließende Flüssigkeit enthält. Das IVIM-Modell ist attraktiv, da es die Untersuchung von Perfusionsparametern in nativen Untersuchungen zulässt. Die zunehmenden Diskussionen um Ablagerungen Gadolinium-haltiger Kontrastmittel im menschlichen Gehirn haben zusätzlich zu dieser Attraktivität beigetragen. Dieses Projekt baut auf zwei neuere Forschungsergebnisse auf. Erstens verschwindet der IVIM-Effekt bei Verwendung kurzer flusskompensierter Diffusionswichtungen, wird bei länger werdenden flusskompensierten Diffusionswichtungen aber wieder sichtbar. Die Verwendung des IVIM-Modells von Denis le Bihan et al. macht es möglich, diese experimentelle Beobachtung mit Parametern wie Blutflusskorrlationszeit τ and Gefäßsegmentlänge l zu verknüpfen. Diese Parameter sind im Rahmen der Angiogenese bei Tumorerkrankungen von großer Wichtigkeit. Zweitens zeigten neuere Arbeiten, dass das oft verwendete bi-exponentielle IVIM-Modell bei sehr kleinen b-Werten nicht mehr gültig ist und ein tri-exponentielles Modell passender erscheint. Die Ursache des tri-exponentiellen Verhaltens ist momentan unklar, aber eine attraktive Interpretationen wäre z.B. die Zuordnung der gemessenen zwei Flusskompartimente zu venösem und arteriellem Blut. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Mechanismen zu verstehen, die den Kontrast in flusskompensierter und tri-exponentieller IVIM-Bildgebung erzeugen. Experimentell soll dies erreicht werden, indem flusskompensierte und tri-expoentielle IVIM-Messungen mit variierender Echozeit (TE) bei unterschiedlicher Feldstärke (B0) durchgeführt werden. Dies soll die Identifizierung der Beiträge unterschiedlicher Kompartimente (wie venös, arteriell, Primärharn in der Niere) beitragen. Dazu soll die Eigenschaft verwendet werden, dass die transversale Relaxationszeit dieser Kompartimente unterschiedlich ist und darüber hinaus von B0 abhängt. Da diese IVIM-Messungen experimentell herausfordernd sind, ist ein Teil des Projektes auf die Optimierung des Messprotokolls fokussiert. Die geplanten Experimente sollen an klinischen Scannern an gesunden Probanden durchgeführt werden.
 Bi- und tri-exponentieller Signalabfall in der Leber lässt Rückschlüsse auf Gewebestruktur (Diffusion) und Perfusionseigenschaft zu. |
Projekt: Über die diagnostische Wertigkeit der stimulierten-Echo MRT-Diffusionstensorbildgebung der weiblichen Brust (Marohn-Stiftung)
Bei der stimulierte-Echo Diffusionsbildgebung (STE-DWI) handelt es sich um ein neues Verfahren für die Untersuchung der weiblichen Brust mittels MRT. Es kommt ohne Kontrastmittel aus. Die Ergebnisse einer 2017 erschienen Publikation (8 Patientinnen) lassen vermuten, dass dieses Verfahren das Potential hat, Limitationen der konventionellen MRT-Diffusionsbildgebung überwinden zu können, welche bereits weitverbreitete Anwendung findet. Die Limitationen sind unter anderem eine oft mangelnde Qualität der Fettsättigung und eine nicht eindeutige Trennung zwischen malignen und benignen Läsionen durch die gemessenen quantitativen Diffusionskoeffizienten. In diesem Projekt soll in enger Kooperation zwischen Medizinern und Physikern eine klinische Studie durchgeführt werden, die die klinische Wertigkeit dieses neuen Ansatzes hinsichtlich des klinischen Einsatzes und für Früherkennungsprogramme evaluiert. In der ersten Phase wird die Technik und ein Protokoll für die klinische Studie entwickelt (Physik-Teil), die in der zweiten Phase durchgeführt wird (Radiologie-Teil). Es sollen 70 Patientinnen untersucht werden. Die Qualität der diffusionsgewichteten Bilder und die Trennschärfe der quantitativen Diffusionskoeffizienten wird dazu evaluiert werden.
Dieses Projekt wird in Kooperation mit den klinischen Partnern Evelyn Wenkel, Sabine Ohlmeyer und Sebastian Bickelhaupt durchgeführt.
 Diffusionsgewichtetes MR-Bild der Brust: das verbliebene Fettsignal soll mit der stimulierten-Echo MRT weiter unterdrückt werden. |
Projekt: Heisenberg-Professur – Neue Ansätze zur Strukturbestimmung biologischen Gewebes mittels der quantitativen Magnetresonanztomographie (DFG Projektnummer 430650228)
Die Professur von Frederik Laun wurde über das DFG-Heisenberg-Programm finanziert.
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