Schlaganfallbildgebung mittels Magnetic Particle Imaging (MPI)

Projekt 02FMTHH16

Schlaganfallbildgebung mittels Magnetic Particle Imaging (MPI)

Ausgangssituation & Zielsetzung

Trotz aller Fortschritte in der Behandlung des akuten Schlaganfalls durch Thrombolyse und mechanische Thrombektomien ist Zeit der wichtigste Faktor für eine erfolgreiche Behandlung von Schlaganfallpatienten, da in jeder Minute, in der keine Behandlung erfolgt, zwei Millionen Nervenzellen zugrunde gehen. So spielt neben der raschen klinischen Einordnung insbesondere die zügige Bildgebung eine entscheidende Rolle in der schnellen und akkuraten Diagnosestellung. Neben der Differenzierung zwischen ischämischem Schlaganfall und Blutung, sollte die Schlaganfallbildgebung innerhalb kürzester Zeit idealerweise auch Informationen über das Alter des Schlaganfalls, Penumbra (noch vitales, aber gefährdetes Hirngewebe), Gefäßanatomie (Stenosen, Gefäßverschlüsse) und Bluthirnschranke liefern. Jede Verzögerung um 15 Minuten führt dazu, dass mehr Patienten an den Folgen eines Schlaganfalles versterben.

MPI ist eine neue Bildgebungsmodalität, mit der die räumliche Verteilung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel (SPIO) bestimmt werden kann. Dafür wird keine ionisierende Strahlung benötigt, sondern eine Kombination von räumlich und zeitlich konstanter und variierender Magnetfelder genutzt.

Nach intravasaler Applikation eines Kontrastmittels kann MPI, aufgrund einer hohen zeitliche Auflösung von 21,5 Millisekunden, sowohl das Gefäßsystem dreidimensional darstellen, als auch zusätzliche Informationen über Perfusion, Blutvolumen und andere Parameter liefern. Die Datenakquise erfolgt dabei in Echtzeit und damit so schnell, dass MPI allen anderen Bildgebungsverfahren in diesem Bereich überlegen ist, ohne die Nebenwirkungen durch Strahlenbelastung oder Kontrastmittel, die entweder nephrotoxisch sind oder sich im Kleinhirn ablagern können. Innerhalb weniger Sekunden werden so Informationen über Schlaganfallgröße und vorgeschaltete Stenosen erhoben, für die die MRT mehrere Minuten ermöglicht.

Zusätzlich können MPI-Scanner so kompakt gebaut werden, dass ein Einsatz direkt am Patientenbett möglich ist.

Primärer Endpunkt dieser Arbeit war es herauszufinden ob MPI als neue Bildgebungstechnik in der Lage ist, Schlaganfälle zu detektieren und das in ähnlicher Qualität wie die Standardverfahren CT oder MRT.

Vorgehensweise und Methoden

Zum ersten Mal konnten wir mit unseren Arbeiten zeigen, dass MPI eine vielversprechende Bildgebungsmethode zur Beurteilung der zerebralen Perfusion und von Schlaganfällen ist. Zurzeit gibt es keine Technik zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion. MPI-Scanner können so kompakt gebaut werden, dass sie für die kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion bei Patienten mit Schlaganfall, Blutungen und Subarachnoidal-blutungen am Patientenbett geeignet sind. MPI könnte so die Versorgung von Schlaganfall-patienten deutlich verbessern.

Abb1: Schlaganfallbildgebung mittels “Magnetic particle imaging” im Mausschlaganfallmodell: Nach Verschluss der linken A. carotis communis (ACC) und A. cerebri media erfolgte die Bildgebung mittels MPI. Panel A zeigt das mit der MRT-Sequenz koregistrierte MPI-Signal. Dargestellt ist das Anfluten des Kontrastmittels über die Zeit. Es zeigt sich deutlich eine reduzierte Perfusion in der linken Hemisphäre (oberste Reihe, siehe Stern). Die sagittale Darstellung des MPI-Signals ergibt zusätzlich Aufschluss über die Gefäßanatomie, es zeigt sich deutlich der Gefäßabbruch der linken ACI (unterste Reihe, siehe Stern), im Vergleich dazu ist die rechte ACC durchgängig (mittlere Reihe). Der Bolusverlauf des Kontrastmittels ist in Panel B dargestellt, mit entsprechend geringem Anfluten in der linken Hemisphäre (Kurvenverlauf mit gefülltem Quadrat). Aus dem Bolusverlauf können dann die typischen Parameterkarten berechnet werden, beispielhaft ist in Panel C das zerebrale Blutvolumen dargestellt (CBV).

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse (Abb. 2) konnten zeigen, dass der Elastizitäts-Modul im Inneren einer kalzifizierten Lakune signifikant höher ist als in der benachbarten Knochenmatrix (p<0,01). Auch die Härte der kalzifizierten Lakunen war höher als die der umgebende Knochenmatrix (p<0,01). Zudem ergab sich kein Unterschied im Elastizitäts-Modul (E-Modul) oder der Härte der Knochenmatrix, unabhängig von ihrer Nähe zur mineralisierten Osteozytenlakune. Die beobachteten mechanischen Festigkeitsunterschiede zeigten sich bei den gesunden Kontrollen und den Osteoporose-Patientinnen gleichermaßen.

Unsere Resultate zeigen, dass kalzifizierte Lakunen einen lokalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix haben. Diese tritt unabhängig von Osteoporose auf. Jedoch gewinnt die Änderung der lokalen Mikromechanik in Osteoporose-Patient*innen an Bedeutung, da kalzifizierte Lakunen dort häufiger auftreten. Diese lokalen Veränderungen in alterndem Knochen wurden bisher vernachlässigt, könnten jedoch insbesondere in Osteoporose-Patient*innen das Frakturrisiko wesentlich beeinflussen.


Beteiligte

Dr. Peter Ludewig

Projektleitung

Klinik und Poliklinik für Neurologie

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

Prof. Dr. Tobias Knopp
Institut für Biomedizinische Bildgebung
TUHH


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

MAGneTISe(MAGNETIC PARTICLE IMAGING FOR THE TREATMENT AND IMAGING OF STROKE) http://euronanomed.net/wp-content/uploads/2018/08/MAGneTISe.pdf


Publikationsliste

P. Ludewig, N. Gdaniec, J. Sedlacik, S. Behr, S. J. Kemp, R. M. Ferguson, A. P. Khandhar, K. M. Krishnan, J.Fiehler, C. Gerloff, T. Knopp and T. Magnus, 6th International Workshop on Magnetic Particle Imaging (IWMPI 2016). Magnetic particle imaging in a mouse model of acute ischemic stroke. 51


OCT basierte Navigation für die Gewebeablation und Charakterisierung mit einem PIR-Laser

Projekt 04FMTHH16

OCT basierte Navigation für die Gewebeablation und Charakterisierung mit einem PIR-Laser

Das vom Institut für Medizintechnische Systeme (TUHH) und der Arbeitsgruppe Massenspektrometrische Proteomanalytik (UKE) in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Dynamik in Atomarer Auflösung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie durchgeführte Projekt wurde vom Forschungszentrum Medizintechnik Hamburg im Zeitraum von 2017 bis 2019 gefördert. Dieser Bericht stellt die Ergebnisse des Projekts und die jeweils dazu entstandenen Publikationen dar.

Ausgangssituation und Zielsetzung

Zur effizienten Resektion von Tumoren sollte einerseits sämtliches erkranktes Gewebe entfernt werden, andererseits aber auch so wenig gesundes Gewebe wie möglich beschädigt werden. Für letzteren Aspekt zeigte der neuartige Pikosekunden-Infrarotlaser (PIRL) vielversprechende erste Ergebnisse im Vergleich zu etablierten medizinischen Lasern oder (Elektro-)Skalpellen. Ein weiterer Vorteil des PIRL ist, dass die während der Ablation entstehenden Dämpfe weitestgehend intakte Biomoleküle beinhalten, die für eine massenspektrometrische Analyse genutzt werden können. Diese liefert sehr spezifische Ergebnisse über die Zusammensetzung des Gewebes und ermöglicht somit eine anschließende präzise Charakterisierung. Nichtsdestotrotz ist auch beim PIRL eine präzise Navigation notwendig, um den tatsächlichen Turmorbereich vollständig abzutragen und gleichzeitig möglichst kein gesundes Gewebe zu zerstören.

In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit die optische Kohärenztomographie (OCT) als Bildgebungsmodalität geeignet ist, um eine PIRL Ablation inklusive massenspektrometrischer Analyse zu überwachen und zu navigieren. Neben der grundlegenden optischen und mechatronischen Systementwicklung war ein wesentlicher Aspekt dabei das Bestimmen der Grenzverläufe zwischen verschiedenen Geweben und das Ausnutzen dieser räumlichen Information für einen robotischen Ansatz zur präzisen und reproduzierbaren Steuerung der Ablation. OCT bietet dabei nicht-invasiv die Möglichkeit, auch Informationen über Strukturen zu erhalten, die ein bis zwei Millimeter unter der Gewebeoberfläche liegen.

Vorgehensweise und Methoden

Im Rahmen des ersten Arbeitspakets wurde ein System entwickelt und charakterisiert, welches erlaubt den auf wenige Millimeter limitierten Scanbereich von OCT entlang aller drei Raumrichtungen zu verschieben ohne das Bildgebungssystem als solches mechanisch bewegen zu müssen [4,6]. Das laterale Scannen wurde entgegen der ursprünglichen Planung mit simpleren galvanometrischen Spiegeln realisiert anstelle eines MEMS-basierten Ansatzes, da sich zeigte, dass der wesentliche limitierende Aspekt das adaptive Verschieben des Referenzspiegels ist. Dieser begrenzt zurzeit die erreichbare Dynamik und sollte bei höheren Anforderungen durch beispielsweise einen komplexeren optischen Ansatz ersetzt werden, wofür es jedoch bislang auch in der Literatur noch keine adäquaten Lösungen gibt.

Für das zweite Arbeitspaket wurde die skizzierte Vorrichtung entwickelt und evaluiert [2]. Diese ermöglicht eine robotergeführte Ablation bei simultaner OCT Bildgebung und Absaugung der Ablationsdämpfe für die nachfolgende massenspektrometrische Analyse. Als Alternative zu der direkten volumetrischen Bildgebung aus dem ersten Arbeitspaket erlaubt die Vorrichtung auch das eindimensionale Scannen unmittelbar neben der derzeitigen Ablationsstelle. Anhand der bekannten Roboterbewegung lassen sich solche eindimensionalen Aufnahmen anschließend auch zu dreidimensionalen Aufnahmen zusammensetzen [1]. Es wurde zusätzlich ein Kalibrierverfahren entwickelt, welches eine räumliche Zuordnung zwischen dem eindimensionalen Scanbereich und der Kinematik eines Roboterarms ermöglicht [3].

Im dritten Arbeitspaket wurde für das im ersten Arbeitspaket entwickelte System eine Datenverarbeitung auf Grafikkarten implementiert. Diese erlaubt die Rekonstruktion und Auswertung von über 800 kleinen OCT Volumen pro Sekunden, was das Erkennen und aktive Kompensieren von Bewegungen erlaubt [4,6]. Aufgrund der zuvor entwickelten und in Versuchen getesteten Kalibrierungen zur robotischen Führung der Ablationssonde wurde der ursprünglich angedachte SLAM Ansatz zur Navigation nicht als notwendig erachtet und verworfen. Stattdessen konnten direkt die relevanten Areale gescannt, angesteuert und nach der Ablation ausgewertet werden [5] und der Fokus auf Bewegungskompensation gelegt.

Das vierte Arbeitspaket wurde im Rahmen mehrerer Versuchsreihen bearbeitet, die sich zunächst auf die Untersuchung der einzelnen Teilsysteme im Kontext einer PIRL Ablation konzentrierten. Es wurde dabei insbesondere die Vorrichtung des zweiten Arbeitspakets evaluiert und gezeigt, dass sowohl ein- als auch dreidimensionale OCT Aufnahmen Informationen zur Überwachung des Prozesses liefern [2]. Als weiterer Schwerpunkt wurde auch das räumliche Zuordnen von Ablationsregionen und den dazugehörigen massenspektrometrischen Ergebnissen mittels OCT evaluiert [5].

Ergebnis

Während die Meilensteine der ersten beiden Arbeitspakete im Wesentlichen wie vorgesehen bearbeitet und erreicht wurden, führten deren Ergebnisse zu Änderungen im dritten Arbeitspaket. Es zeigte sich, dass die ursprünglich formulierte Problemstellung durch das entwickelte System weitestgehend obsolet wurde. Daher wurde der Fokus bei der echtzeitfähigen Signalverarbeitung auf das dynamische Kompensieren von auftretenden Bewegungen verschoben. Für das vierte Arbeitspaket ergaben sich Limitationen durch die Verfügbarkeit und Stabilität des noch experimentellen PIRL Systems. Die oftmals erheblich variierende Performance erschwerte es, verallgemeinernde Aussagen ableiten zu können und der Fokus lag deshalb auf der gezielten Evaluation der Teilsysteme unter kontrollierbareren Bedingungen. Eine abschließende und vollständig umfassende Evaluation des Gesamtsystems war bislang noch nicht in den angedachten realitätsnahen Szenarien möglich. Nichtsdestotrotz zeigten die Versuchsreihen, dass OCT eine vielversprechende Modalität für die Überwachung von PIRL Ablationen darstellt. Neben der Möglichkeit für eine automatisierte bildgeführte Ablation ist ein wesentlicher Beitrag die räumliche Information, die zuvor fehlte. Mit dieser lassen sich massenspektrometrische Ergebnisse spezifischen Arealen zuordnen.


Beteiligte

Prof. Dr. X
X-Projektleitung
X-Institut
TUHH oder UKE oder X

Prof. Dr. X
X-Projektleitung
X-Institut
TUHH oder UKE oder X

Prof. Dr. X
X-Projektleitung
X-Institut
TUHH oder UKE oder X

Prof. Dr. X
X-Projektleitung
X-Institut
TUHH oder UKE oder X


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

  • Auf Basis der im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse wurde ein Forschungsantrag bei der Landesforschungsförderung der Stadt Hamburg gestellt, jedoch zunächst negativ beschieden. Weitere Anträge sind derzeit in Vorbereitung.


Publikationsliste

  • [1] O.Rajput,M.Schlüter,N.Gessert,T.R.Savarimuthu,C.Otte,S.-T.Antoni,andA.Schlaefer. “Robotic OCT Volume Acquisition Using a Single Fiber”. In: Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboter Assistierte Chirurgie. 2017, pp. 232–233.
  • [2] J. Dahmen, C. Otte, M. Fuh, S. Maier, M. Schlüter, S.-T. Antoni, N.-O. Hansen, R. Miller, H. Schlüter, and A. Schlaefer. “Massenspektrometrische Gewebeanalyse mittels OCT- navigierter PIR-Laserablation”. In: Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboter Assistierte Chirurgie. 2017, pp. 112–116. Ausgezeichnet mit einem Reisestipendium und dem zweiten Platz beim Best Poster Award
  • [3] S. Antoni, C. Otte, T. R. Savarimuthu, O. Rajput, and A. Schlaefer. “Optical coherence tomography based 1D to 6D eye-in-hand calibration”. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2017, pp. 5886–5891.
  • [4] M. Schlüter, C. Otte, T. Saathoff, N. Gessert, and A. Schlaefer. “Feasibility of a markerless tracking system based on optical coherence tomography”. In: SPIE Medical Imaging. 2019, p. 1095107.
  • [5] M.Schlüter,M.M.Fuh,S.Maier,C.Otte,P.Kiani,N.-O.Hansen,R.J.D.Miller,H.Schlüter, and A. Schlaefer. “Towards OCT-Navigated Tissue Ablation with a Picosecond Infrared Laser (PIRL) and Mass-Spectrometric Analysis”. In: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, pp. 158–161.
  • [6] M. Schlüter, L. Glandorf, J. Sprenger, M. Gromniak, T. Saathoff, and A. Schlaefer. “High- Speed Markerless Tissue Motion Tracking Using Volumetric Optical Coherence Tomography Images”. In: IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. 2020, accepted


Einfluss von kalzifizierten Osteozytenlakunen auf die lokalen Materialeigenschaften in mineralisiertem Hartgewebe

Projekt 03FMTHH16

Einfluss von kalzifizierten Osteozytenlakunen auf die lokalen Materialeigenschaften in mineralisiertem Hartgewebe

Ausgangssituation & Zielsetzung

Die am häufigsten im Knochen vorkommenden Zellen, Osteozyten, erfüllen eine wichtige Funktion bei der Knochenqualitätserhaltung. Jedoch kommt es im Alter zum vermehrten Verlust lebensfähiger Osteozyten (Noble et al., Bone, 1997) und zur Kalzifizierung der Osteozytenlakunen, wodurch das osteozytäre Netzwerk kompromittiert wird (Busse et al., Aging Cell, 2010).

Aktuell ist unklar, welchen Einfluss die Kalzifizierung von Osteozytenlakunen auf die mechanische Kompetenz des Knochens hat und ob die mechanischen Eigenschaften von kalzifizierten Osteozytenlakunen und der umliegenden Knochenmatrix mit ihren morphologischen Eigenschaften korrelieren.

Vorgehensweise und Methoden

Die Knochenproben (kortikale Femurscheiben) von drei osteoporotischen Frauen (Alter: 79,4 ± 5,5 Jahre) und drei gesunden Kontrollen (zwei Frauen, ein Mann; Alter: 80,6 ± 2,5 Jahre) wurden in Kollaboration mit dem Institut für Rechtsmedizin am UKE gewonnen. Nach Fixierung und Einbettung in PMMA, wurden die Probenblöcke für die quantitative Rückstreuelektronenmikroskopie am UKE durch Herstellung der Planparallelität und Feinpolitur vorbereitet. Mit Hilfe eines Aluminium-Kohlenstoff-Standards konnte die Mineralisierung quantitativ ermittelt werden. Basierend auf dem Mineralisationsgrad wurden normale und kalzifizierte Osteozytenlakunen identifiziert.

Die Probenblöcke wurden anschließend für die Nanoindentation (Abb. 1) an der TUHH weiterverarbeitet. Die Nanoindentation erfolgte standardisiert mit 500 nm Eindringtiefe bei einer Dehnungsrate von 0.05 1/s verwendet (Donnelly et al., J Bone Miner Res, 2005, Yilmaz et al. Acta Biomaterialia, 2016). Nach der Nanoindentation erfolgte eine Verifizierung der Indentposition unter Verwendung von Rückstreuelektronenmikroskopie, basierend auf dieser konnten 315 Indents in die Auswertung einbezogen werden. Unter Verwendung der Software SPSS wurden die Ergebnisse statistisch ausgewertet.

Bild 1: Repräsentative Rückstreuelektronenmikroskopie-Aufnahme mit kalzifizierten und normalen Osteozytenlakunen (links). Vergrößerter Ausschnitt zeigt Nanoindentation an einer dieser Lakunen und der dazu benachbarten Knochenmatrix in Mikroskopansicht (Mitte). Positionsnachkontrolle mit Rückstreuelektronenmikroskopie nach Indentation (rechts).

Bild 2: Graphische Darstellung der Nanoindentations-Ergebnisse in Bezug auf Elastizitäts-Modul und Härte.

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse (Abb. 2) konnten zeigen, dass der Elastizitäts-Modul im Inneren einer kalzifizierten Lakune signifikant höher ist als in der benachbarten Knochenmatrix (p<0,01). Auch die Härte der kalzifizierten Lakunen war höher als die der umgebende Knochenmatrix (p<0,01). Zudem ergab sich kein Unterschied im Elastizitäts-Modul (E-Modul) oder der Härte der Knochenmatrix, unabhängig von ihrer Nähe zur mineralisierten Osteozytenlakune. Die beobachteten mechanischen Festigkeitsunterschiede zeigten sich bei den gesunden Kontrollen und den Osteoporose-Patientinnen gleichermaßen.

Unsere Resultate zeigen, dass kalzifizierte Lakunen einen lokalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix haben. Diese tritt unabhängig von Osteoporose auf. Jedoch gewinnt die Änderung der lokalen Mikromechanik in Osteoporose-Patient*innen an Bedeutung, da kalzifizierte Lakunen dort häufiger auftreten. Diese lokalen Veränderungen in alterndem Knochen wurden bisher vernachlässigt, könnten jedoch insbesondere in Osteoporose-Patient*innen das Frakturrisiko wesentlich beeinflussen.


Beteiligte

Ezgi Deniz Yilmaz
Beispiel X-Projektleitung
Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe
TUHH

Annika vom Scheidt
Beispiel X-Projektleitung
Institut für Osteologie und Biomechanik
UKE

Katharina Jähn
Beispiel Projektleitung
Institut für Osteologie und Biomechanik
UKE


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

  • Die aktuellen Ergebnisse des FMTHH-geförderten Projektes wurden bereits erfolgreich für einen Antrag an die Alexander-von-Humboldt-Stiftung verwendet. Herr Dr. Qwamizadeh konnte mit uns gemeinsam ein Humboldt-Forschungsstipendium für Post-Docs einwerben (ca.€ 90.000) und wird in unserem Labor für zwei Jahre als Post-Doc tätig sein und in seinem Finite-Elemente-Model die ermittelten Elastizitätsmodule und Härten als Berechnungsgrundlage verwenden.
  • Des Weiteren arbeiten wir gerade an der Formulierung eines DFG-Antrags zur genauen Untersuchung des Einflusses von kalzifizierten Lakunen auf sich im Knochengewebe ausbreitenden Rissen, einem wichtigen Faktor für das Frakturrisiko. Hierfür sind jedoch weitere Voruntersuchungen in Nanometerauflösung mittels Atomic-Force-Mikroskopie notwendig.


Publikationsliste

  • Das Projekt wurde auf der diesjährigen Tagung der European Calcified Tissue Society vorgestellt. Annika vom Scheidt erhielt für ihre Präsentation über die mechanischen Eigenschaften kalzifizierter Lakunen den „Best Presentation Award“ in der New Investigator Session. Ein Manuskript wird aktuell erarbeitet. Für dieses Manuskript werden derzeit noch die um den Indent herum entstandenen Risse genauer begutachtet.


Kardio-vaskuläre Magnetresonanztomographie am bewegten Fetus

Projekt 01FMTHH16

Kardio-vaskuläre Magnetresonanztomographie am bewegten Fetus

Ausgangssituation und Zielsetzung

Kongenitale Herzdefekte und die intrauterine Wachstumsrestriktion gehören zu den häufigsten fetalen Pathologien. Der Goldstandard zur Darstellung des fetalen Herzens ist die fetale Echokardiographie, die jedoch durch verschiedene Faktoren limitiert werden kann. Eine während der Schwangerschaft alternative Bildgebung stellt fetale kardiovaskulären Magnetresonanztomographie dar. Dies erfordert jedoch Synchronisation von Herzbewegung und Bildgebung. Das bei Erwachsenen hierfür gebräuchliche EKG ist aber für die Ableitung des fetalen Herzschlages nicht anwendbar.

Im Rahmen von DFG und EXIST geförderten Projekten wurde eine alternative Trigger Methode auf Basis von Doppler Ultraschall (DUS) entwickelt, deren Zuverlässigkeit jedoch durch zufällige fetalen Bewegungen beeinträchtigt wird.

Im Rahmen des Vorhabens sollte eine Technik auf Basis von Ultraschall entwickelt werden, die eine adaptive Datenerfassung und Auswertung der zufälligen Bewegungen des Feten kompensieren und pathologische Herzsignale eines Feten im MRT analysieren kann.

Vorgehensweise und Methoden

Ein wichtiger Aspekt des Vorhabens war die Untersuchung der aktuellen Probleme der DUS Methode. Hierzu wurden detaillierte Untersuchungen der verwendeten Ultraschallköpfe angestellt und die Empfindlichkeit der Köpfe analysiert und verglichen. In einer umfangreichen Studie wurden verschiedene Bewegungsmuster identifiziert und mit einem Roboter abgefahren, um so ihren Einfluss auf das Verfahren zu untersuchen.
Die Ergebnisse der etablierten Köpfe wurden daraufhin mit neu entwickelten Ultraschallköpfen verglichen. Hierbei wurden Köpfe mit gezielter Ansteuerung einzelner Piezos sowie deformierbare Ultraschall-„matten“ und deren Kombination betrachtet.

Parallel wurde der Einfluss von respiratorischer Bewegung durch die Mutter auf das Signal betrachtet. Ein neues modellbasiertes Verfahren wurde eingesetzt, um in realitätsnahen Simulationen mit einem Roboter respiratorische Bewegungen von fetaler Bewegung zu differenzieren.

Ergebnisse

Die Vermessung der Ultraschallfelder ergab starke Inhomogenitäten. Während eine gezielte Ansteuerung der Piezos geeignet ist, diese zu reduzieren, hat sich die technische Umsetzung als problematisch erwiesen. Insbesondere die Ansteuerung und Abschirmung der verschiedenen Datenleitungen im MRT ist problematisch.

Bei dem veränderlichen US-Feld der Matten konnte die Bildung von Fokuspunkten nicht ausgeschlossen werden, so dass diese für eine Anwendung beim Menschen nicht praktikabel erscheinen.

Stattdessen wurde in einem weiteren Projekt in Kooperation mit Frauenhofer-Institut ein neuartiger US-Kopf mit singulärem übergroßen Piezo entwickelt. Das Ziel dieser Entwicklung war es ein homogenes Ultraschallfeld zu generieren und damit ein stabileres Signal zu gewährleisten.
In einer roboterbasierten Bewegungssimulation konnte verlässlich respiratorische und fetale Bewegung mit den entwickelten Verfahren unterschieden werden.


Beteiligte

Prof. Dr. Gerhard Adam
Klinik und Poliklinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie
UKE

Sven Antoni, M.Sc.
Projektleitung
Institut für Medizintechnische und Intelligente Systeme
TUHH


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

Erfolgreiche Anträge

  • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
    Projektträger Jülich; Kennzeichen: 03THW02K10; Weiterentwicklung eines MRT kompatiblen Doppler Ultraschall System für die Aufnahme der fetalen Herzaktion; Zeitraum: 01.11.2019 – 31.10.2020; Summe: 69.937,00 €
  • Hamburg Innovation
    Call for Transfer; Kennzeichen: C4T C-2019-01; Verwertung des Schutzrechtes UKE 227: MRT kompatibles Doppler Ultraschall System für die Aufnahme der fetalen Herzaktion; Summe: 30.000 €

Eingereichte Anträge

  • Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)
    Fetale 4D Fluss MRT zur Evaluation angeborener Herzfehler mittels MRT-kompatiblem Doppler-Ultraschall-Sensor; Zeichen: SCHO 1564/1-3 | BA 5893/4-3


Publikationen

  • 1. Masterarbeit Max Neidhard, TUHH, Modelling and experimental Analysis of Ultrasound Fields to improve Transducer Design for Doppler Ultrasound Guidance in fetal cardiac MR Imaging
  • 2. Antoni, Sven-Thomas; Lehmann, Sascha; Neidhardt, Maximilian; Fehrs, Kai; Ruprecht, Christian; Kording, Fabian et al. (2018): Model checking for trigger loss detection during Doppler ultrasound-guided fetal cardiovascular MRI. In: International journal of computer assisted radiology and surgery 13 (11), S. 1755–1766. DOI: 10.1007/s11548- 018-1832-5.
  • 3. Schoennagel BP, Yamamura J, Kording F, Fischer R, Bannas P, Adam G, et al. Fetal dynamic phase-contrast MR angiography using ultrasound gating and comparison with Doppler ultrasound measurements 2019.
  • 4. Tavares de Sousa M, Hecher K, Yamamura J, Kording F, Ruprecht C, Fehrs K, et al. Dynamic fetal cardiac magnetic resonance four chamber view imaging using Doppler ultrasound gating in the normal fetal heart and in congenital heart disease: comparison to fetal echocardiography. Ultrasound Obstet Gynecol 2018.