Lehr- und Forschungsgebiet für Physik der molekularen Bildgebungssysteme

  Volkmar Schulz arbeitet am MPI Urheberrecht: Peter Winandy

Die medizinische Bildgebung hat eine Schlüsselrolle im Bereich der Diagnostik, Intervention, Therapieplanung und zur Beurteilung des Therapieansprechens. Der Bedarf, die medizinische Bildgebung zu personalisieren bzw. in Bezug auf Genauigkeit und Kosteneffizienz zu verbessern, wächst stetig. Insbesondere die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden, wie z.B. zellbasierte Therapien, verlangen nach höchster Sensitivität und präziser quantitativer Bildgebung.

In dieser Hinsicht bietet die Magnetresonanztomographie (MRT), die ohne ionisierende Strahlung auskommt, eine große Vielfalt an unterschiedlichen Kontrasten und damit ein hohes Potenzial für zukünftige klinische Anwendungen. Im Gegensatz zur Computertomographie (CT) bietet die MRT einen exzellenten Weichteilkontrast, die Messung von Gewebezusammensetzung, Sauerstoffkonzentration, pH-Werten, Temperaturverteilungen, Dynamikvolumen, Perfusion und Diffusion etc. Die MRT basiert auf dem Kernresonanzeffekt, der im Falle medizinischer Anwendungen meist die Abbildung von Wasserstoffkernen (Protonen) ist. Die Grundidee der MRT zur Rekonstruktion von dreidimensionalen (3D) tomographischen Bildern beruht auf der Tatsache, dass die Frequenz der Kernresonanz (Larmor-Frequenz) linear vom äußeren Magnetfeld abhängt. Ein MRT verwendet daher starke statische (Hauptfeld), quasistatische (Gradientenspulen zur räumlichen Kodierung) und hochfrequente (RF) Felder, um das MRT-Signal in ein 3D-Tomographiebild zu transformieren.

Neben anatomischen medizinischen Bildgebungsmodalitäten wie MRT und CT bieten Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) eine in-vivo-Bildgebung molekularer Prozesse wie Stoffwechselvorgänge oder Rezeptordichte. Auf diese Weise bieten die nuklearmedizinischen Modalitäten eine weitere Sicht auf das Auftreten und den Verlauf von Krankheiten und das Ansprechen auf die Therapie. Die Grundidee von PET und SPECT ist die Verwendung von radioaktiv markierten Molekülen als bildgebende Tracer. Bei der SPECT emittiert der Tracer Gammaphotonen mit etwa 140 - 365 keV, die mit Hilfe von mechanischen Kollimatoren detektiert werden. Im Unterschied zu dieser mechanischen Kollimation wird bei PET die Emission von Positronen genutzt, die zu Gammaphotonenpaaren mit 511 keV annihilieren. Da die Gammaphotonen nahezu zeitgleich in entgegengesetzter Richtung emittiert werden, kann die Annihilation entlang dieser "line of response" (LOR) nachgewiesen werden. Darüber hinaus kann mit der Messung der Flugzeit der Ort der Annihilation entlang dieser LOR gemessen werden. Aufgrund der elektronischen statt mechanischen Kollimation ist die Empfindlichkeit eines PET-Systems um fast zwei Größenordnungen höher als die eines SPECT-Systems. Sowohl für SPECT als auch für PET gibt es eine große Auswahl an Tracern, die die Abbildung aller Arten von molekularen Prozessen ermöglichen.

Eine völlig neue kontrastmittelbasierte Bildgebungsmodalität wurde 2001 von Philips Research erfunden: Magnetic Particle Imaging (MPI). MPI verwendet magnetische Nanopartikel (MNP) mit einer Kerngröße von etwa 20-30 nm als Kontrastmittel, die magnetisch angeregt werden. Somit kommt diese Bildgebungsmodalität ohne den Einsatz von ionisierender Strahlung aus. Die Kernidee von MPI ist die hochgradig nichtlineare Reaktion der MNP auf magnetische Anregung. Aufgrund dieser Eigenschaft erzeugt der MNP eine Antwort, die gut vom magnetischen Anregungsfeld getrennt werden kann. Ein besonderes Merkmal von MPI ist die Schnelligkeit dieser Bildgebungsmodalität. Es wurde eine Akquisition von 45 3D-Volumina pro Sekunde demonstriert.

Die Abteilung Physics in Molecular Imaging System (PMI) der Fakultät für Physik und Medizin betreibt EU-, BMBF- und industriegeförderte Forschung, um neue Methoden und Technologien für den Bereich der medizinischen Bildgebung zu verstehen, zu optimieren, zu kombinieren und zu erfinden. Die Forschungsthemen erstrecken sich entlang der gesamten Bildgebungskette, beginnend mit der Grundlagenphysik, neuen Detektor- und Verarbeitungskonzepten für PET (insbesondere digitaler Silizium-Photomultiplier), neuen MRI-Methoden und Korrekturtechnologien, MPI-Physik und Instrumentierung sowie neuartigen quantitativen Bildrekonstruktionsalgorithmen für aktuelle und zukünftige Bildgebungsmodalitäten. Ein besonderer Schwerpunkt von PMI ist die Kombination von Tracer-basierten Methoden wie PET und MPI mit MRI mit dem Fokus auf hybride medizinische Bildgebung unter gleichzeitiger Verwendung verschiedener Modalitäten. Im Jahr 2012 hat PMI gemeinsam mit Partnern aus dem akademischen Bereich und der Industrie in Aachen das weltweit erste simultane PET-MRI-System auf Basis eines digitalen Silicon-Photomultipliers entwickelt.