MR Physik & Quantitative Bildgebung
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein extrem vielseitiges bildgebendes Verfahren, das auf der elektromagnetischen resonanten Anregung von Kernspins in einem starken Magnetfeld beruht.
Je nach Art der Messung können mit der MRT zahlreiche physiologische, metabolische, biochemische, physikalische oder mechanische Gewebeeigenschaften dargestellt und quantifiziert werden.
Forschungsschwerpunkte
Die MRT ist ein sehr vielseitiges bildgebendes Verfahren, das auf der elektromagnetischen resonanten Anregung von Kernspins in einem starken Magnetfeld beruht – meistens nutzt man hierfür den Protonenspin, also die Kerne von Wasserstoffatomen. Die angeregten Kernspins induzieren messbare Signale in Empfangsspulen, aus denen sich die gewünschten Bilddaten berechnen lassen.
Mit der MRT können zahlreiche physiologische, metabolische, biochemische, physikalische oder mechanische Gewebeeigenschaften dargestellt und quantifiziert werden. Je nach Art der Messung und der daraus bestimmten Parameter werden sehr unterschiedliche MRT-Untersuchungsmethoden eingesetzt, die oft noch Gegenstand der aktuellen Forschung sind.
Forschungsschwerpunkt des Bereichs „MR-Physik und quantitative Bildgebung“ ist die Implementierung und Optimierung quantitativer MRT-Verfahren wie:
- der Relaxometrie (Messung der Relaxationszeiten T1 und T2),
- der Diffusions-MRT (Messung von Diffusionskoeffizienten und weiteren diffusionsabhängigen Größen wie Pseudodiffusionskoeffizienten und Kurtosis-Werten)
- der Perfusions-MRT (Messung der Gewebedurchblutung).
Um diese Methoden in der onkologischen MRT für die quantitative Erfassung von Therapie-Ansprechen und -Ergebnissen einzusetzen, werden verbesserte schnelle und robuste Messverfahren benötigt.
Ein weiteres aktuelles Thema ist die Einführung von Techniken für MRT-Interventionen (wie z. B. MRT-geführte Biopsien oder Tumorablationen); hierfür ist die Implementierung und Evaluierung schneller MR-Fluoroskopie-Methoden mit flexibler Schichtnachführung erforderlich.
Abbildung: Simulation von Phasenartefakten durch Biopsienadeln für MRT-Interventionen (Feldrichtung im Bild vertikal)
Neben der Auswertung von MRT-Daten umfasst die quantitative Bildgebung auch die Analyse und Weiterverarbeitung von Bilddaten anderer Modalitäten wie der Computertomographie (CT) unter besonderer Berücksichtigung aktueller Entwicklungen wie dem Einsatz dynamischer kontrastverstärkter CT-Untersuchungen und der Einführung energieauflösender photonenzählender Detektoren.
Abbildung: Spektrale Sensitivität eines energieauflösenden photonenzählenden CT-Detektors ohne Vorfilterung (links) und mit Hafnium-(Hf-)Vorfilterung (aus: Christoph Polster, Dissertation, LMU München 2020)
Masterarbeiten & Physik-Doktorarbeiten
Wir suchen regelmäßig Interessenten für Physik-Masterarbeiten; abhängig vom Thema und der externen Betreuung können auch Master-Arbeiten anderer Fächer wie z. B. der Informatik oder Physik-Bachelorarbeiten durchgeführt werden. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit zur Promotion zum Dr. rer. nat. oder Dr. rer. biol. hum. (vorzugsweise im Anschluss an eine hier durchgeführte Master-Arbeit).
Generell umfasst die Arbeit verschiedene Aspekte, die je nach Thema unterschiedlich gewichtet sind:
- Experimentelle Arbeit am MRT-System: Das Institut verfügt am Standort Großhadern über drei 1.5-Tesla- und zwei 3-Tesla-MRT-System; bei allen Geräten handelt es sich um moderne Vielkanal-Systeme, die außerhalb der klinischen Routine auch für Entwicklungsarbeiten eingesetzt werden können.
- Pulssequenzprogrammierung: Der Ablauf der MRT-Messung wird durch Computerprogramme, die sogenannten Pulssequenzen, gesteuert. Die große Flexibilität der MRT wird durch die volle Programmierbarkeit dieser Pulssequenzen ermöglicht.
- Aufbau von Messphantomen: Viele Effekte der MRT erfordern vor ihrem Einsatz in der Diagnostik reproduzierbare Experimente an sogenannten Messphantomen. Je nach Anwendung erfordern diese Messphantome spezielle mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften und sind deshalb zunächst anzufertigen.
- Theoretische Modellierung und Datenauswertung: Bei MRT-Experimenten entstehen sehr große zwei-, drei- oder höherdimensionale Bilddatensätze. Die Auswertung dieser Datensätze kann einen hohen Rechenaufwand spezialisierter Computerprogramme erfordern. Bei neuen Methoden ist daher im allgemeinen die Programmierung der entsprechenden Auswertesoftware erforderlich.
Grundsätzlich sind Vorkenntnisse im Bereich Datenauswertung und Programmierung (z. B. mit Python, C, Matlab oder R) wünschenswert, und Begeisterungsfähigkeit für MR-physikalische Fragestellung ist unerlässlich.
Lehrveranstaltungen
Veranstaltung
Fakultät
Dozenten
Information
Einführung die Medizinphysik (Seminar)
Fakultät für Physik (LMU)
K. Parodi, J. Bortfeldt, R. Sroka, O. Dietrich
Das Seminar findet regelmäßig im Winter- und Sommersemester statt und behandelt unter anderem die Grundlagen der MRT.
Imaging in Medical Physics (Vorlesung)
Fakultät für Physik (LMU)
K. Parodi, P. Coan, G. Böning, O. Dietrich
Die Vorlesung findet regelmäßig im Sommersemester statt und behandelt unter anderem die Physik der MRT.
Prof. Dr. rer. nat. Olaf Dietrich, Dipl.-Phys.
Bereichsleiter MR-Physik
Auswahl an Publikationen aus der MR-Physik:
2020
Förster K, Ertl-Wagner B, Ehrhardt H, Busen H, Sass S, Pomschar A, Naehrlich L, Schulze A, Flemmer AW, Hübener C, Eickelberg O, Theis F, Dietrich O, Hilgendorff A.
Altered relaxation times in MRI indicate bronchopulmonary dysplasia.
Thorax. 2020 Feb;75(2):184-187
2019
Schneider MJ, Gaass T, Ricke J, Dinkel J, Dietrich O.
Assessment of intravoxel incoherent motion MRI with an artificial capillary network: analysis of biexponential and phase-distribution models.
Magn Reson Med. 2019 Oct;82(4):1373-1384
Bondesson D, Schneider MJ, Gaass T, Kühn B, Bauman G, Dietrich O, Dinkel J.
Nonuniform Fourier-decomposition MRI for ventilation- and perfusion-weighted imaging of the lung.
Magn Reson Med. 2019 Oct;82(4):1312-1321
Mittermeier A, Ertl-Wagner B, Ricke J, Dietrich O, Ingrisch M.
Bayesian pharmacokinetic modeling of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging: validation and application.
Phys Med Biol. 2019 Sep 17;64(18):18NT02
Mayr A, Schneider M, Gaass T, Parodi K, Ricke J, Dinkel J, Dietrich O.
Quantitative characterization of a capillary-network MRI phantom using restricted diffusion analysis.
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 27: 1015 (2019)
2018
Schneider MJ, Notohamiprodjo M, Dietrich O.
IVIM MRI in the kidney. (Buchkapitel)
In: Intravoxel incoherent motion (IVIM) MRI, ISBN 978-981-4800-19-8. Le Bihan D, Iima M, Federau C, Sigmund EE (Hrsg.) Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2018)
Dietrich O.
Proton MRI based ventilation imaging: Oxygen-enhanced lung MRI and alternative approaches. (Buchkapitel)
In: MRI of the lung (2nd ed.), ISBN 978-3-319-42616-7. Kauczor HU, Wielpütz MO (Hrsg.) Springer, Berlin Heidelberg New York (2018)
2017
Dietrich O, Brandlhuber M, Schneider MJ, Armbruster M, D'Anastasi M, Reiser MF.
Unbiased diffusional kurtosis measurements in the pelvis at low signal-to-noise ratio: A new approach for noise-level estimations.
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 25: 3180 (2017)
Polster C, Gutjahr R, Berner M, Flohr TG, Hertel M, Kappler S, Stierstorfer K, Dietrich O.
Improving material separation of high-flux whole-body photon counting computed tomography by K-edge pre-filtration.
Proceedings of the SPIE (Medical Imaging 2017: Physics of Medical Imaging), Bellingham, Washington : SPIE, p. 101320W (2017)
Dietrich O, Levin J, Ahmadi SA, Plate A, Reiser MF, Bötzel K, Giese A, Ertl-Wagner B.
MR imaging differentiation of Fe2+ and Fe3+ based on relaxation and magnetic susceptibility properties.
Neuroradiology. 2017 Apr;59(4):403-409
Gaass T, Schneider MJ, Dietrich O, Ingrisch M, Dinkel J.
Technical Note: Quantitative dynamic contrast-enhanced MRI of a 3-dimensional artificial capillary network.
Med Phys. 2017 Apr;44(4):1462-1469
Dietrich O, Geith T, Reiser MF, Baur-Melnyk A.
Diffusion imaging of the vertebral bone marrow.
NMR Biomed. 2017 Mar;30(3):e3333
Dietrich O, Gaass T, Reiser MF.
T1 relaxation time constants, influence of oxygen, and the oxygen transfer function of the human lung at 1.5T-A meta-analysis.
Eur J Radiol. 2017 Jan;86:252-260
2016
Schneider MJ, Dietrich O, Ingrisch M, Helck A, Winter KS, Reiser MF, Staehler M, Casuscelli J, Notohamiprodjo M.
Intravoxel incoherent motion magnetic resonance imaging in partially nephrectomized kidneys.
Invest Radiol. 2016 May;51(5):323-30
Ingrisch M, Maxien D, Meinel FG, Reiser MF, Nikolaou K, Dietrich O.
Detection of pulmonary embolism with free-breathing dynamic contrast-enhanced MRI.
J Magn Reson Imaging. 2016 Apr;43(4):887-893
Havla L, Schneider MJ, Thierfelder KM, Beyer SE, Ertl-Wagner B, Reiser MF, Sommer WH, Dietrich O.
Classification of arterial and venous cerebral vasculature based on wavelet postprocessing of CT perfusion data.
Med Phys. 2016 Feb;43(2):702-709.
Abgeschlossene MR-Physik-Doktorarbeiten:
Christoph Polster (2020): Optimierung der Computertomographie mit photonenzählenden Detektoren durch spektrale Filterung (Dr. rer. nat.)
Moritz Schneider (2019): Incoherent-flow-induced signal decay in diffusion-weighted magnetic resonance imaging (Dr. rer. nat.)
Marie Müllner (2015): Optimization and implementation of gold-nanoparticles for medical imaging (Dr. rer. nat.)
Lukas Havla (2015): Visualization and characterization of cerebral angiographic data based on dynamic contrast-enhanced CT acquisitions (Dr. rer. nat.)
Michael Ingrisch (2012): Quantification of cerebral hemodynamics with dynamic contrast-enhanced MRI (Dr. rer. nat.)
Lucianna Filidoro (2011): Ultra-high field magnetic resonance diffusion tensor imaging of the hyaline articular cartilage (Dr. rer. biol. hum.)
Andreas Biffar (2011): Quantitative analysis of diffusion-weighted magnetic resonance imaging in the spine (Dr. rer. biol. hum.)
José Raya (2009): Voxel-based assessment of disease progression in articular cartilage with MRI follow-up examinations of the T2 relaxation time (Dr. rer. biol. hum.)