pULSE - pTx Ultra-schnelle Lokal-SAR Erfassung

pULSE ist ein Projekt, in dem mathematische Methoden im Bereich der finiten Elemente-Simulation mit Medizinphysik verknüpft werden, um einige der drängendsten Fragestellungen der Ultrahochfeld- Magnetresonanztomografie zu beantworten, nämlich schnelle und zuverlässige Berechnung der SAR, eines Parameters der für die Patientensicherheit von größter Bedeutung ist, insbesondere für Systeme mit mehreren parallelen Radiofrequenz (RF)-Sendern (parallel transmission, pTx) effiziente und schnelle Berechnung von optimierten RF Signalen (Pulsen) für pTx generalisiertes RF-Hardwaredesign auf Basis optimaler Stromverteilungen, um neuartige Geometrien für Zielorgane zu finden Es wird ein mathematisches Simulations-Framework entwickelt, mit dem eine zeiteffiziente Berechnung der elektromagnetischen Felder im Körper ermöglicht wird. Damit können die idealen Stromverteilungen um den Körper für ein bestimmtes Zielorgan berechnet und eine neue Generation von RF-Hardware entwickelt werden, die auf dem theoretischen Optimum basiert. Wir erwarten damit die bisherigen Ansätze empirischer Designs zu übertreffen und die Bildqualität zu steigern. Als Proof-of-Principle wird die vorgeschlagene Methodik auf das Herz als Zielorgan angewandt und ein Prototyp gebaut, mit dem in vivo Herzbildgebung bei 7 Tesla betrieben wird. Die Anwendbarkeit und Performanz des Geräts wird schließlich an gesunden Probanden demonstriert.

Das pULSE Projekt hat zur Entwicklung von Computersimulationsmethoden zur Sicherheitsbewertung in der Magnetresonanz (MR) beigetragen. MR-Scanner arbeiten bei Magnetfeldstärken von 1,5 Tesla und darüber, wobei 7 Tesla das höchste Feld bei klinisch zugelassenen Systemen ist. Mit höherer Feldstärke nimmt die Magnetisierung zu, und es kann ein höheres Signal erhalten werden, das für klarere Bilder oder schnellere Messungen genutzt werden kann. Zusätzlich zum Hauptmagnetfeld benötigt die MR Radiowellen, um die Messungen durchzuführen. Als unerwünschter Nebeneffekt führen diese Radiowellen auch zu einer Erwärmung des Gewebes. Die Energiemenge, die sie im Körper deponieren, wird durch die so genannte "spezifische Absorptionsrate (SAR)" beschrieben. Die SAR ist sicherheitsrelevant, da sie zur Abschätzung der Gewebeerwärmung verwendet werden kann. Eine Erhöhung der Feldstärke erhöht auch die Frequenz dieser Radiowellen, was zu einer unerwünschten Ungleichmässigkeit ihrer Verteilung im Körper führt, was sich in einer suboptimalen Bildqualität niederschlägt. Als Gegenmaßnahme wurden parallele Übertragungssysteme (mehrere Quellen, die gleichzeitig Radiowellen senden) erfunden. Diese Technik kann homogenere Bilder erzeugen, hat aber den Nachteil, dass die SAR-Verteilungsmuster im menschlichen Körper komplizierter und schwieriger zu berechnen sind. Das pULSE Projekt trug in mehrfacher Hinsicht zu dieser Herausforderung bei: Eine mathematisch effiziente Methode zur Berechnung der resultierenden SAR für einen gegebenen parallelen Sendeimpuls kann nun innerhalb von Millisekunden berechnet werden, sobald die Verteilung der elektrischen Felder bekannt ist. Dies ist nützlich für andere mathematische Algorithmen, die die Radiofrequenzsignale der parallelen Übertragung optimieren und dabei die damit einhergehende SAR berücksichtigen. Im Projekt pULSE wurde eine solche Optimierungsmethode demonstriert. Mit Hilfe dieser Simulationswerkzeuge wurde zunächst ein Gerät (eine so genannte "Hochfrequenzspule") zur Untersuchung des Stoffwechsels des Herzmuskels in seiner Geometrie und seinen Eigenschaften optimiert, konstruiert und getestet. Die Spule ermöglicht es den Forschern, von phosphorhaltigen Molekülen im Herzen ein 2-3 faches Signal zu erhalten, die über den Energiestoffwechsel des Herzens Auskunft geben. Dies ist besonders relevant für Untersuchungen ischämischer Ereignisse und deren Folgen für das Herzgewebe. Als weitere Auswirkungen des Projekts hat die FWF-Förderung dazu beigetragen, dass sowohl an der Medizinischen Universität Wien, als auch an der TU Wien eine Ausgründung in Form von zwei Spin-offs erfolgte, die sich einerseits mit Hochfrequenzspulen, und andererseits mit finiten Elemente Simulationen beschäftigen.