Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺) und Chlorid (Cl^–) Ionen spielen bei vielen zellulären Prozessen wie der Erregung von Neuronen und Muskelzellen eine wichtige Rolle. Die MRT dieser Kerne – oft als X-Kern-MRT bezeichnet – ist ein vielversprechender Ansatz zur nicht-invasiven Untersuchung der Lebensfähigkeit von Zellen.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die ²³Na-MRT zu einer weit verbreiteten Technik zur nicht-invasiven Bestimmung der gesamten Natriumkonzentration im Gewebe entwickelt. Sie ist ein wertvolles Instrument in der biomedizinischen Forschung, obwohl sie mit Herausforderungen wie einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und einem schnellen Signalabfall verbunden ist [1,2]. Die Bildgebung von Chlorid [3] und Kalium [4,5,6] ist aufgrund der noch geringeren Signalintensität eine noch größere Herausforderung, was den Einsatz ultrahoher Feldstärken (B₀ ≥ 7 T) unerlässlich macht.

Abbildung 1 zeigt beispielhafte Natrium- und Kaliumkonzentrationskarten von gesundem Unterschenkelmuskelgewebe, die mit einer doppelt verwendbaren ²³Na/³⁹K-Wadenspule bei 7 T aufgenommen wurden [6]. Figure 2 zeigt Natriumbilder von einem gesunden Probanden und einem Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie [7]. Erhöhte muskuläre Natrium-Signalintensitäten wurden regelmäßig bei Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) im Vergleich zu Kontrollpersonen beobachtet, und sie waren auch dann vorhanden, wenn keine degenerativen Fettveränderungen und T2-Wassererhöhungen vorlagen [7]. Dieser Na⁺-Überschuss könnte zum Fortschreiten der Krankheit beitragen [8]. Daher kann die ²³Na-MRT als potenzieller Marker zur Charakterisierung von dystrophischem Muskelgewebe in einem frühen Stadium betrachtet werden.

Ein Ansatz zur Analyse der molekularen Umgebung ist die Untersuchung der Existenz von multiplen Quantenkohärenzen (MQC; engl. multiple quantum coherences) [9]. MQC beschreiben Überlagerungen zwischen Kernenergieniveaus mit einer Differenz der Kernquantenzahl von Δm > 1, die in einem System von Kernen mit einem Kernspin I ≥ 1 induziert werden können. Spin-3/2-Kerne wie ²³Na und ³⁹K weisen vier Zeeman-Niveaus auf, daher können Doppelquantenkohärenzen (Δm = 2) und Dreifachquantenkohärenzen (Δm = 3) erzeugt werden. Im Gegensatz zu einfachen Quantenkohärenzen sind MQC nicht direkt MR-beobachtbar. Stattdessen müssen sogenannte multiple Quantenfilter (MQF) eingesetzt werden, um sie zu erkennen. Die dreifach quantengefilterte Bildgebung (TQF; engl. triple quantum filtered imaging) bietet die Möglichkeit, Signale von Ionen zu erkennen, die sich in eingeschränkten Bewegungszuständen befinden, und es hat sich gezeigt, dass sie in Richtung des intrazellulären Raums gewichtet werden können. Mit der doppelten quantengefilterten MRT mit magic angle Anregung (DQF-MA; engl. double quantum filtered MRI with magic angle) können Ionen, die sich in anisotropen Strukturen wie Muskelfasern befinden, selektiv nachgewiesen werden. Alle diese Techniken haben jedoch ein niedriges SNR und sind anfällig für Magnetfeldinhomogenitäten [10,11].

In diesem Projekt werden bildgebende Verfahren auf der Grundlage der Mehrfachquantenfiltration entwickelt und sowohl bei gesunden Personen als auch bei Patienten mit Muskelkrankheiten angewendet. Ziel dieses Projekts ist es, die molekularen Umgebungen (z. B. intra- oder extrazellulär) von Natrium- und Kaliumionen zu untersuchen, indem ihre Quadrupol-Wechselwirkungen genutzt werden.

In Abbildung 3 wird ein spin-dichtegewichtetes (DW; engl. density weighted) ²³Na-Bild des menschlichen Unterschenkels mit einem dreifach quantengefilterten (TQF) und einem doppelt quantengefilterten (DQF-MA) Na-Bild verglichen [11].

Eine der größten Herausforderungen bei der Magnetresonanztomographie (MRT) ist das begrenzte Signal-Rausch-Verhältnis (SNR; engl. signal-to-noise ratio). Das Universitätsklinikum Erlangen ist einer der wenigen Standorte, die über ein klinisch zugelassenes Ultrahochfeld-MRT-System mit 7 Tesla verfügen. Die im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erhöhte Feldstärke ermöglicht ein stark verbessertes SNR, so dass Bildauflösungen von einigen 100 Mikrometern erreicht werden können.

Da die Wellenlänge des Sendefeldes bei 7 Tesla im Gewebe nur etwas 12 cm beträgt, kommt es oft zu einer inhomogen Bildausleuchtung (Abb. 4, links). Darüber hinaus kann auch das elektrische Feld inhomogen werden, was zu Hotspots der spezifischen Absorptionsrate (SAR; engl. specific absorption rate) führen kann, die bei SAR-Berechnungen berücksichtigt werden müssen.

Um ein homogenes Sendefeld zu erreichen, bilden wir das Hochfrequenz (HF)-Anregungsfeld mit acht verschiedenen Sendespulen, die parallel senden (parallel Transmit, pTx) [12]. Dabei werden die Sendespulen und die Gradientenspulen gleichzeitig, aber unabhängig voneinander mit individuellen Spannungsverläufen und Pulsformen angesteuert. Der zugrundeliegende Berechnungsansatz wird „Transmit-SENSE“ genannt, in Analogie zum etablierten „SENSE“ -Algorithmus, der Sensitivitätsprofile der Empfangsspulen verwendet. Während der Anregung werden Gradienten zur Manipulation des statischen Magnetfelds unter Verwendung des Konzepts des „Sende-k-Raums“ angewendet. Das optimale Zusammenspiel von k-Raum-Trajektorie und HF-Pulsformen aller Sendespulen wird als Minimierungsproblem ausgedrückt, das während einer Untersuchung patientenspezifisch und so schnell wie möglich zu lösen ist, um es in der klinischen Routine durchführbar zu machen.

Mit diesem Ansatz lassen sich Bilder mit guter Homogenität und geringer SAR-Belastung erzielen (Abb. 5, rechts) [13].