Die Arbeitsgruppe Medizinische Physik der Universitätsklinik und Poliklinik für Radiologie vereint wissenschaftliches Personal aus den Disziplinen Medizinphysik, Ingenieurswissenschaften, Medizininformatik sowie ärztliches Personal. Der Fokus der Arbeitsgruppe liegt auf der medizinischen Bildgebung mit besonderen Schwerpunkt auf der Weiterentwicklung quantitativer MR-Bildgebungsverfahren sowie deren Translation in die klinische Diagnostik. Zur Überführung und Anwendung neuartiger Methoden besteht eine enge Verknüpfung der Arbeitsgruppe mit der Halle MR Imaging Core Facility, sowie Kooperationen mit verschiedenen Einrichtungen innerhalb und außerhalb der Universitätsmedizin Halle.
Quantitative MRT
Quantitative Susceptibility Mapping (QSM)
Die quantitative Suszeptibilitätskartierung (quantitative susceptibility mapping, QSM) ist eine spezielle Nachverarbeitungsmethode für ausgewählte MRT-Daten, welche die Bewertung von Biomarkern wie Eisen, Kalzium oder Myelin ermöglicht, deren pathologische Veränderungen auf Krankheiten wie beispielsweise Parkinson oder Alzheimer hinweisen können. Ausgehend von der Phaseninformation des komplexwertigen Gradientenechosignals des MRTs können Informationen über die magnetische Suszeptibilität extrahiert und quantifiziert werden. Die magnetische Suszeptibilität ist eine Eigenschaft von Materialien, die angibt, wie sie auf ein Magnetfeld reagieren. Die Datennachverarbeitung basiert üblicherweise auf mehreren Schritten, wie Entfernung von Phasensprüngen, Entfernung des Hintergrundfeldes und Inversion des unterbestimmten Dipolfaltungsproblems (s. Abbildung unten). Während die Suszeptibilitätskartierung im Gehirn in vielen Studien Anwendung findet, stellt das gleichzeitige Vorhandensein von Fett und Eisen im Bauchgewebe (insbesondere der Leber) eine große Herausforderung für die Suszeptibilitätskartierung außerhalb des Gehirns dar. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Anwendung und Optimierung der Suszeptibilitätskartierung im Kopf und Bauchraum sowie der Entwicklung von Deep-Learning-Ansätzen für QSM-spezifische Probleme.
Ansprechpersonen:
Andreas Deistung
Mail: andreas.deistung☉uk-halle.de
Simon Graf
Mail: simon.graf☉uk-halle.de
Quantitative muskuloskeletalle Bildgebung mit ultra-kurzen Echozeiten (UTE)
Aufgrund des schnellen Signalzerfalls lassen sich kompakte Gewebe des Bewegungsapparats wie Sehnen, Bänder oder Knochenrinde mit herkömmlichen MR-Bildgebungstechniken nicht direkt darstellen, was die Differenzierung von gesundem Gewebe, Läsionen oder Vernarbungen erschwert. Eine Alternative bieten spezielle MRT-Techniken mit nicht-kartesischer Ortskodierung, die Einstellung von ultrakurzen Echozeiten (UTE) im Mikrosekundenbereich und so eine quantitative Erfassung des Signals von schnell relaxierenden Geweben ermöglichen. Dies erlaubt eine quantitative Darstellung dieser Gewebe und deren Parametrisierung anhand gewebespezifischer Relaxationsparameter wie beispielsweise den longitudinalen und effektiven transversalen Relaxationskonstanten T1 und T2*.
Diese Parameter verbessern die Charakterisierung der Gewebestruktur und die Erkennung von erkrankungs- oder verletzungsbedingten Veränderungen in Geweben. Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Entwicklung von Methoden zur UTE-basierten, hochaufgelösten und in klinisch vertretbarer Zeit durchführbaren T1- und T2*- Kartierung von schnell relaxierenden Geweben, die künftig bei der Untersuchung von Verletzungen und degenerativen Veränderungen der Bänder und Sehnen angewendet werden können.
Ansprechpersonen:
Maik Rothe
Mail: maik.rothe☉uk-halle.de
Alexander Gussew
Mail: alexander.gussew☉uk-halle.de
Künstliche Intelligenz (KI) in der Radiologie
Die Integration von KI-Methoden in der medizinischen Bildgebung ist bereits etabliert und wird beispielsweise in der Mammografie zur Erkennung von auffälligen Strukturen unterstützend eingesetzt. Des Weiteren finden diese Methoden in der Bildrekonstruktion, Bildverbesserung sowie der Erkennung von Zusammenhängen zwischen klinischen Parametern und Bilddaten Verwendung. Derzeit arbeiten wir an Projekten zur Verbesserung der quantitativen MRT, insbesondere für die quantitative Suszeptibilitätskartierung (quantitative susceptibility mapping, QSM), unter Verwendung von KI-basierten Ansätzen (Deep Learning) sowie an Projekten zur KI-basierten Bildanalyse und Segmentierung.
Ansprechperson:
Simon Graf
Mail: simon.graf☉uk-halle.de
Magnetresonanzspektroskopie (MRS)
Die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ermöglicht eine nicht-invasive und röntgenstrahlungsfreie Quantifizierung von Stoffwechselprodukten im Gewebe. Ergänzend zu anderen Bildgebungstechniken ermöglicht dies die Früherkennung, Differenzialdiagnostik und Schwergradeinschätzung verschiedener Erkrankungen, wie beispielsweise onkologischer oder Stoffwechselerkrankungen. Zudem erlaubt die MRS die Quantifizierung neurometabolischer Marker der Erregungsweiterleitung, deren Änderungen bei diversen kognitiven, neurologischen, neurodegenerativen und psychiatrischen Erkrankungen relevant sind. Die MRS bietet auch Einblicke in den Energiestoffwechsel von Muskeln, wodurch alters-, erkrankungs-, trainings- oder rehabilitationsbedingte Änderungen nachverfolgt werden können.
Trotz dieses Potenzials besteht bei der MR Spektroskopie Bedarf an methodischer Weiterentwicklung, insbesondere bei der Standardisierung, Verbesserung der Sensitivität bei der Messung niederkonzentrierter Metaboliten, Beschleunigung von Untersuchungen und Entwicklung funktioneller Untersuchungsansätze. Die Arbeitsgruppe Medizinische Physik arbeitet an der Implementierung und Überführung neuartiger MRS-Methoden in die klinische Routine und Forschungsstudien. Schwerpunkte liegen auf spectral editing Methoden zur Quantifizierung niederkonzentrierter Metaboliten (z.B. Neurotransmitter GABA bei Hirnfunktionregulation, Onkometaboliten bei Tumordiagnostik) sowie auf funktionellen Muskeluntersuchungen (funktionelle 31P-MR-Spektroskopie zur Charakterisierung der Muskelkonditionierung).
Ansprechpersonen:
Alexander Gussew
Mail: alexander.gussew☉uk-halle.de
Maik Rothe
Mail: maik.rothe☉uk-halle.de
Entwicklung neuer MR-Messmethoden und Bildrekonstruktionstechniken
Obwohl klinische MRT-Geräte bereits mit vielen voreingestellten Aufnahmetechniken ausgestattet sind, besteht weiterhin ein großer Spielraum für die Entwicklung neuartiger Messmethoden, Untersuchungsprotokolle sowie Algorithmen zur Bildrekonstruktion und -nachverarbeitung. Angetrieben durch spezifische klinische und wissenschaftliche Fragestellungen fördern diese Ansätze eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit und ständige Weiterentwicklung der MR-Bildgebung. Ziel ist die Erhöhung der diagnostischen Spezifität und Sensitivität sowie die Beschleunigung von Untersuchungen. Unsere Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Messsequenzen (u.a. fm-bSSFP, MR-Spektroskopie, nicht-kartesische Bildgebung) und Bildrekonstruktionsverfahren.
Ansprechperson:
Anne Slawig
Mail: anne.slawig☉uk-halle.de