Next Generation of ex vivo Neuro-Diffusion Imaging using Ultra-Strong Gradients and High-Density Array Coils for Assessing Human Brain Connectomics

Abstract

Die hochaufgelöste diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) eröffnet im Vergleich zur klinischen MRT und anderen Bildgebungsverfahren neue Möglichkeiten zur detaillierten Darstellung der Nervenfaserarchitektur im menschlichen Gehirn. Insbesondere bei der Anwendung sehr großer b-Werte mittels hoher Gradientenfeldstärken, wie sie in den sogenannten Connectome-MRT-Scannern realisiert sind, können Nervenfasern durch detailliert erfasste Diffusionseffekte fein strukturiert abgebildet werden. Dies erfordert jedoch besondere Anforderungen an die eingesetzte Hochfrequenztechnik. Gerade in der ex vivo Bildgebung, die durch längere Scanzeiten höhere Bildauflösungen ermöglicht, treten durch reduzierte Signalstärke und Temperaturveränderungen der Hirnprobe zusätzliche technische Herausforderungen auf. Ziel des Dissertationsprojekts war die Schaffung der hochfrequenztechnischen Voraussetzungen, um hochaufgelöste, artefaktarme Diffusionsbilder von ganzen menschlichen ex vivo Gehirnen mit den Hochleistungsgradienten-Connectome-MRT-Scannern zu ermöglichen. Hierfür wurden spezielle ex vivo Hochfrequenz-Spulensysteme für beide Connectome-Scanner-Generationen entwickelt. Dabei standen die Maximierung des Signal-Rausch-Verhältnisses, die Reduktion von Wirbelstromentstehung sowie die Integration zusätzlicher Technologien zur Magnetfeldüberwachung und Temperaturstabilisierung im Fokus. Für den Connectome-1.0 -Scanner wurde ein 48-Kanal-Signaldetektor entwickelt und charakterisiert, für den Connectome-2.0 -Scanner ein 64-Kanal-Detektor mit integrierter Feldkamera, Temperaturstabilisierung und dedizierter Sendespule. Beide Hochfrequenz-Systeme ermöglichten hochqualitative, artefaktarme Diffusionsbilder mit Submillimeterauflösung. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelte Hardware bildet somit die technische Grundlage für eine präzise Darstellung der strukturellen Konnektivität des Gehirns und leistet einen wichtigen Beitrag zur weiterführenden Erforschung des menschlichen Konnektoms.