A1 – Why Measure Tissue Ion Concentrations?

Die Natrium (23Na)- und Kalium (39K)-Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen nicht nur eine nicht-invasive Bestimmung von Gewebeionenkonzentrationen, sondern auch die indirekte Untersuchung der molekularen Umgebung dieser Ionen. Allerdings sind die MR-Empfindlichkeit von 23Na – und insbesondere 39KKernen- sowie ihre Konzentrationen im menschlichen Körper – im Vergleich zu Protonen (1H) stark reduziert.

Das damit einhergehende erreichbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) der 23Na- und 39KMRT ist um mehrere Größenordnungen geringer als das der herkömmlichen Wasserstoff (1H)-MRT. Daher erfolgen 23Na- und 39K-MRT Aufnahmen in der Regel mit geringer räumlicher Auflösung (~3 mm für 23Na, ~10 mm für 39K) und erfordern relativ lange Aufnahmezeiten (~10 min pro 3D-Datensatz). Andererseits profitieren 23Na- und 39K-MRT aufgrund des annähernd linearen Anstiegs des SNRs mit der Hauptmagnetfeldstärke in hohem Maße von der Nutzung ultrahoher Magnetfeldstärken wie 7 T. Dieses Projekt ist Teil der Forschungsgruppe „Schnelle Kartierung von quantitativen MR bio-Signaturen bei ultrahohen Magnetfeldstärken”.

Ziel ist es, die Aufnahme quantitativer 23Na- und 39K-MRT Messungen bei 7 T zu beschleunigen, um eine klinisch vertretbare Gesamtmesszeit von unter 15 Minuten zu erreichen und dabei eine hohe Reproduzierbarkeit der angewandten Techniken sicherzustellen. Zum einen werden dafür Akquisitions- und Rekonstruktionstechniken für die quantitative 23Na/39K-MRT des Gehirns, der Skelettmuskulatur und der Brust implementiert.

Zum anderen werden schnelle Techniken zur selektiven Detektion von Na+- und K+-Ionen in bestimmten molekularen Umgebungen entwickelt. Zur Messzeitreduktion wird das gesamte Beschleunigungspotenzial ausgeschöpft, von der Optimierung der Aufnahmeschemata bis hin zur Anwendung fortgeschrittener Rekonstruktions- und Nachbearbeitungsansätze.

So sollen beispielsweise verschachtelte (d. h. quasi-simultane) Aufnahmeschemata implementiert werden, die eine zeiteffiziente Untersuchung beider Kerne ermöglichen und die Aufnahmezeit um ca. 50 % reduzieren.

Anstatt auf einer voxelweisen Bestimmung der Ionenkonzentrationen liegt der Fokus auf der Messung von gewebe- oder organgemittelten Konzentrationen, was für die Meisten der geplanten klinischen Anwendungen ausreichende Informationen liefert. 1H-MRT-Techniken werden dabei eingesetzt, um den Fettanteil innerhalb des untersuchten Gewebes zu ermitteln und eine entsprechende Normalisierung des Signals von Drüsen- oder Muskelgewebe vorzunehmen.

Zunächst wird ein Protokoll für die quantitative 23Na- und 39K-MRT in < 15 Minuten erstellt, welches zusammen mit Chemical Exchange Saturation Transfer, quantitativer suszeptibilitätsgewichteter MRT sowie Diffusionsbildgebung in den MR-Biosignatur-Scan der Forschungsgruppe kombiniert wird. Anschließend wird das quantitative X-Kern MRT Protokoll weiter beschleunigt, sodass auch Umgebungs-selektive Techniken in das 23Na/39K MRT Protokoll integriert werden können.

Projektleitung: Armin Nagel

Teilprojektleitung: Lena Gast