Eine neuartige J-förmige Antennengruppe für gleichzeitige MR-PET- und MR-SPECT-Bildgebung

3. Dezember 2021

Chang-Hoon Choi, Suk-Min Hong, Jörg Felder, Lutz Tellmann, Jürgen Scheins, Elena Rota Kops, Christoph Lerche and N. Jon Shah

Magnetresonanztomographie (MRT), Positronenemissionstomographie (PET) und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) sind etablierte medizinische Bildgebungsverfahren, die in Krankenhäusern auf der ganzen Welt eingesetzt werden. Während bei der PET/SPECT-Bildgebung eine Vielzahl radioaktiver Tracer verwendet wird, um wertvolle Einblicke in physiologische und metabolische Prozesse zu erhalten, liefert die MRT eine qualitativ hochwertige strukturelle/anatomische Bildgebung, die sowohl hervorragende Weichteilkontraste als auch funktionelle Informationen liefert. Die Vorteile der Kombination dieser Modalitäten in einem Scan in Bezug auf die Effizienz und den Umfang der gewonnenen Informationen liegen auf der Hand und sind derzeit ein aktiver Bereich der Forschung und Entwicklung.

Bei gleichzeitigen Aufnahmen muss sich die MRT-Antenne häufig innerhalb des PET/SPECT-Sichtfeldes befinden. Um jedoch die Möglichkeiten der einzelnen Modalitäten wirklich zu optimieren, muss dies ohne Beeinträchtigung der Systemleistung oder der Bildqualität im Vergleich zu den eigenständigen Geräten erfolgen. Die Forscher des INM-4 haben versucht, dieses Problem durch die Entwicklung eines neuartigen, für Gammastrahlung durchlässigen Antennenkonzepts zu lösen.

Die Konstruktion der entwickelten Antenne ist eine endgespeiste J-Form, die sich besonders für hybride Ultrahochfeld-MR-PET/-SPECT-Anwendungen eignet, da sie es ermöglicht, alle stark dämpfenden Materialien außerhalb des Bildfeldes zu platzieren. Darüber hinaus bietet diese einzigartige Konfiguration auch Vorteile bei eigenständigen MR-Anwendungen, da die Kopplung zwischen den Kabeln und den Antennenelementen reduziert und die potenzielle Belastung durch die spezifische Absorptionsrate verringert wird.

Die Verwendung dieses neuen Designs wurde anhand der wichtigen Merkmale sowohl für die Ultrahochfeld-MRT als auch für den 511 keV-Transmissionsscan experimentell verifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass die rekonstruierten Dämpfungskarten für das vorgeschlagene Array im Vergleich zum konventionellen Dipolantennen-Array eine viel geringere Dämpfung (~15 %) aufwiesen, da es keine Komponenten mit hoher Dichte gab. Im MR wurde beobachtet, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des gesamten Volumens, das mit dem vorgeschlagenen Array gewonnen wurde, mit dem des konventionellen Arrays vergleichbar war, was auch mit den Simulationsergebnissen übereinstimmte.

Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des J-förmigen Arrays und eines konventionellen Arrays sowie die zugehörigen Dämpfungskarten und Sinogramme. Es ist zu erkennen, dass die Dämpfung für das konventionelle Antennen-Array in den Ebenen mit den eingefügten Komponenten deutlich höher war (~ 18 %) als die Dämpfung, die mit dem vorgeschlagenen Array beobachtet wurde.

Es ist zu erwarten, dass die einzigartigen Eigenschaften dieses J-förmigen Arrays die gleichzeitige Durchführung von MR-PET/-SPECT-Experimenten ermöglichen, ohne dass die Systemleistung und die Bildqualität im Vergleich zu eigenständigen Instrumenten beeinträchtigt werden. Darüber hinaus bedeutet die Art des Systems, dass dieses neue Konzept nicht nur auf 7-T-Hybrid-Multimodal-Imaging-Anwendungen beschränkt ist, da es für Stand-alone-MRT-Systeme mit noch höheren Feldstärken, wie 9,4 T, 10,5 T und 11,7 T, optimiert werden kann. Darüber hinaus kann das Konzept auch in bestimmten Anwendungen mit klinisch relevanten Feldstärken, z. B. 3-T-Body-1H-MR-PET-Imaging und Ganzkörper-PET-Systemen, eingesetzt werden.

Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, wie das vorgeschlagene Antennendesign zur Untersuchung von X-Kernen (Nicht-Protonen-Kerne, die ein vergleichsweise geringeres gyromagnetisches Verhältnis und eine geringere MR-Empfindlichkeit aufweisen und eng mit den biochemischen und metabolischen Prozessen im menschlichen Körper verbunden sind) eingesetzt werden könnte, wenn es als Körper-X-Kern-Spule bei ultrahohem Feld verwendet wird.

Origionalpublikation: A novel J-shape antenna array for simultaneous MR-PET or MR-SPECT imaging