Medizinische Bildgebung
Die medizinische Bildgebung spielt in der Diagnostik, bei Interventionen, der Therapieplanung sowie der Bewertung von Therapieerfolgen eine der zentralen Rollen. Der Bedarf an Personalisierung bzw. an Verbesserungen von medizinischen Bildgebungstechnologien in Bezug auf Genauigkeit und Kosteneffektivität ist weiterhin wachsend. Vor allem neue Therapieformen, wie zellbasierten Therapieformen, erfordern Bildgebungstechniken mit höchster Sensitivität und Quantifizierungsgenauigkeit. In diesem Zusammenhang ist die Magnetresonanztomographie (MRT), die ohne ionisierende Strahlung auskommt, durch ihre Vielzahl an unterschiedlichen Bildkontrasten einem äußerst hohen Potential für zukünftige klinische Anwendungen zuzusprechen. So bietet die MRT neben ihrem einzigartigen Weichteilkontrast die Messungen verschiedener Verteilungen wie Gewebezusammensetzung, Sauerstoffgehalt, Gewebetemperatur, pH-Wert, Volumenänderung, Perfusions- und Diffusionseigenschaften, etc. Die MRT basiert auf dem Prinzip der Kernspinresonanz (daher früher Kernspintomographie), die sich bei der medizinischen Bildgebung in der Regel auf die Wasserstoff-Atomkerne (Protonen) bezieht. Die Grundidee um dreidimensionale (3D) tomographische Bilder zu rekonstruieren basiert auf der Tatsache, dass die Frequenz der Kernspinresonanz (Larmor-Frequenz) linear vom äußeren Magnetfeld abhängt. Unter Verwendung von hohen statischen (Hauptmagnetfeld), quasistatischen (Gradienten zur Ortskodierung) und hochfrequenten (Auslenkung und Empfang der Magnetisierung) Magnetfeldern werden daraus dann 3D Bilder rekonstruiert.
Neben den allgemein bekannten anatomischen Bildgebungsverfahren, wie der MRT oder der Computertomographie (CT) bilden metabolische und funktionelle Bildgebungsverfahren, wie die Positronemissionstomographie (PET) oder die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) Möglichkeiten, Stoffwechselprozesse auf molekularen Niveau darzustellen und damit pathologische Veränderungen aufzuspüren, bevor diese sichtbare anatomische Veränderungen hervorrufen.
Im Gegensatz zur MRT oder CT basieren die zwei letztgenannten Verfahren auf schwach radioaktiven Kontrastmitteln (s.g. Tracern), die hochenergetischen Photonen emittieren (140 – 365 keV bei SPECT und zwei koinzidente Photonen mit 511 keV bei PET). Im Gegensatz zur SPECT, die mit mechanischen Kollimatoren Photonen aus bestimmten Richtungen herausfiltert, verwendet die PET eine elektronische Kollimation, die aufgrund der zeitlichen Koinzidenz der zwei nahezu entgegengesetzten Gamma-Photonen einen Zerfall entlang dieser Line (Line of Response, kurz LOR) örtlich definieren. Durch Hinzunahme der Flugzeitdifferenz ist es möglich den Ort der Annihilation entlang der LOR zu schätzen. Aus dieser elektronischen Kollimation resultiert eine Sensitivität der PET, die um ca. zwei Größenordnungen höher ist, als die der SPECT. Sowohl für die PET als auch die SPECT existiert eine Vielzahl von Tracern, die verschiedenste Stoffwechselprozesse bzw. Rezeptoren hochspezifisch sichtbar machen können.
Ein vollkommen neues Bildgebungsverfahren wurde 2001 von der Philips Forschung in Hamburg erfunden, welches auf der Verwendung von magnetischen Nanopartikeln als Kontrastmittel beruht, das Magnetic Particle Imaging (MPI). MPI beruht auf der Tatsache, dass die magnetischen Nanopartikel (MNP) eine Magnetisierung besitzen, die extrem nichtlinear auf ein angelegtes magnetisches Feld reagieren. Zum Beispiel emittieren die MNPs an Orten, an denen sie nicht gesättigt sind, bei harmonischer magnetischer Anregung Vielfache der Anregungsfrequenz. Dieses Grundprinzip erlaubt während magnetischer Anregung das Partikelsignal zu messen. Herausragenden Eigenschaften von MPI sind die hohe Empfindlichkeit und die damit einhergehende schnelle Akquisition von fast 50 3D Volumina je Sekunde.
Das Lehr- und Forschungsgebiet Physik der Molekularen Bildgebungssysteme (PMI), das sowohl in der Medizin als auch in der Physik beheimatet ist, erforscht in vielen EU-, BMBF- und industriegeförderten Projekten Möglichkeiten diese Verfahren zu verbessern, zu kombinieren und neue Verfahren zu erfinden.
Forschungsthemen liegen daher entlang der gesamten Bildgebungskette, von der grundlegenden Physik, neuen Detektorkonzepte für die PET (insbesondere Detektoren mit digitalen Silizium-Photomultipliern), neuen MRI-Messmethoden und Korrekturverfahren und neuen tomographischen Rekonstruktionsverfahren für aktuelle und zukünftige Bildgebungsmethoden. Insbesondere steht die Kombination von kontrastmittelbasierten Verfahren wie der PET und der MPI mit der MRT im Fokus der Arbeitsgruppe. So ist es 2012 dem PMI gelungen gemeinsam mit anderen Partnern in Aachen das weltweit erste simultane PET-MRT aufzubauen, welches auf digitalen SiPMs basiert.
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