Zero-/Ultrakurz-Echozeit-Techniken in der MRT

MRT-Bilder entstehen durch das Anlegen eines statischen Magnetfeldes an das abzubildende Objekt und die Manipulation der Kernmagnetisierung mittels Hochfrequenz- (RF-)Pulsen und Magnetfeldgradienten. Je nach konkreter Bildgebungsanwendung können unterschiedliche Verfahren zur Signalerzeugung und -auslesung gewählt werden. Diese Verfahren unterscheiden sich in den Sequenzen der auf das Objekt angewendeten Magnetfeldgradienten und RF-Pulse. Zwei gängige Arten der Signalerzeugung in der MRT sind Spin-Echo- (SE) und Gradient-Echo- (GRE-) Verfahren.

Spin-Echo- (SE-) Sequenzen funktionieren, indem ein 90°-RF-Puls angewendet wird, der die Nettomagnetisierung des Objekts in die Transversalebene kippt. Nach einer Phase der Dephasierung der Spins wird ein 180°-RF-Puls appliziert, der die durch Magnetfeldinhomogenitäten (B₀) verursachte Dephasierung umkehrt und ein Echo (Spin-Echo) erzeugt. Das resultierende Signal weist eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldinhomogenitäten auf und spiegelt überwiegend die intrinsische T₂-Relaxation wider.

Aus diesem Grund werden SE-Sequenzen häufig zur Erzeugung robuster, qualitativ hochwertiger Bilder mit minimalen Artefakten eingesetzt.

Eine Gradient-Echo- (GRE-) Sequenz erzeugt ebenfalls ein Echo, allerdings durch die sequenzielle Anwendung zweier Gradienten entgegengesetzter Polarität. Der zweite Gradient hebt die durch den ersten Gradient verursachte Dephasierung der Spins auf, nicht jedoch die durch B₀-Inhomogenitäten hervorgerufene Dephasierung. Dadurch entstehen Bilder mit T₂*-Kontrast. Da GRE-Sequenzen magnetische Suszeptibilität abbilden, werden sie häufig in der funktionellen MRT (fMRT) eingesetzt, um Veränderungen der Blutoxygenierung im Gehirn zu messen, die als indirekter Marker neuronaler Aktivität dienen. Veränderungen der Blutoxygenierung beeinflussen das Ausmaß der Magnetfeldverzerrung (und damit der Dephasierung) und sind daher mit GRE-Sequenzen messbar.

Die konventionellen SE- und GRE-Ansätze weisen jedoch mehrere Einschränkungen auf. Insbesondere sind sie ungeeignet für die Bildgebung von Geweben oder Signalen mit sehr kurzen T₂-Relaxationszeiten, da die transversale Nettomagnetisierung in solchen Fällen weitgehend abgeklungen ist, bevor das vorgesehene Echo gebildet werden kann. In der fMRT können diese Techniken zudem durch Suszeptibilitätsartefakte zu Bildverzerrungen führen und sind stark bewegungsempfindlich ^[1]. Darüber hinaus verursachen sie aufgrund des schnellen Gradientenschaltens häufig eine erhebliche akustische Geräuschentwicklung.

Aufgrund dieser Nachteile besteht ein wachsendes Interesse an Ansätzen auf Basis des Free Induction Decay (FID), bei denen das RF-Signal unmittelbar oder sehr kurz nach der RF-Anregung und vor jeglicher Refokussierung gemessen wird. Die FID-basierte Bildgebung lässt sich in Zero-Echo-Time- (ZTE-) und Ultrashort-Echo-Time- (UTE-) Bildgebung unterteilen. Bei der ZTE-Bildgebung wird ein kurzer Anregungspuls appliziert, während der kodierende Magnetfeldgradient bereits anliegt; die Auslesung beginnt nahezu unmittelbar nach einer intrinsischen Sende-/Empfangs-Umschaltverzögerung (T/R). Bei der UTE-Bildgebung erfolgt die Anregung ohne Gradienten, und die Datenerfassung beginnt nach dem Anregungspuls zusammen mit der Zuschaltung des kodierenden Gradienten.

Sowohl bei ZTE- als auch bei UTE-Bildgebung besteht nur eine sehr kurze Zeitspanne zwischen Anregung und Messung, sodass kaum Zeit für den Signalzerfall verbleibt. Aus diesem Grund eignen sich FID-basierte MRT-Verfahren besonders für die Bildgebung von Strukturen mit sehr kurzen T₂-Relaxationszeiten, wie etwa Knochen und Sehnen, die mit konventioneller MRT typischerweise schwer darstellbar sind ^[2].

Anfang dieses Jahres wurde ein Übersichtsartikel zu den Perspektiven von Zero-/Ultrakurz-Echozeit-Techniken in der funktionellen MRT veröffentlicht ^[1]. ZTE- und UTE-Verfahren wurden dabei als Methoden zur Erzeugung von Bildern untersucht, die neuronale Aktivität im Gehirn abbilden. Ähnlich wie bei den oben beschriebenen GRE-Sequenzen beruht der in ZTE- und UTE-Gehirnbildern beobachtete Kontrast auf Veränderungen des Blutflusses im Gehirn, wird jedoch auf den Einstrom magnetisch nicht gesättigten Blutes zurückgeführt und nicht auf Veränderungen der Blutoxygenierung. Die bei FID-basierten Sequenzen verwendeten extrem kurzen Echozeiten führen zu minimaler Spin-Dephasierung, sodass diese Techniken gegenüber Magnetfeldschwankungen (B₀) – etwa durch Körperbewegungen oder Suszeptibilitätsgradienten – tolerant sind. Bei ZTE-Sequenzen reduziert das inkrementelle Umschalten der Gradienten zwischen den Auslesungen weitgehend gradienteninduzierte Artefakte und senkt die akustische Geräuschentwicklung. Zudem minimiert dieses inkrementelle Gradientenschalten Wirbelströme und unterstützt damit die Kompatibilität mit gleichzeitigen elektrophysiologischen Messungen, beispielsweise mittels EEG ^[3].

Wie in der Übersichtsarbeit ausgeführt, ist die klinische Translation FID-basierter fMRT bislang herausfordernd, und es wurden bisher lediglich erste Anwendungen am Menschen publiziert. Zu den Hindernissen zählen unter anderem der eingeschränkte Zugang zu lokalen Sende-/Empfangsspulen zur präzisen RF-Applikation in kleinen Regionen, die begrenzte Verfügbarkeit von Hardware für das erforderliche ultraschnelle T/R-Umschalten sowie das Fehlen standardisierter Sequenzen. Die Autoren der Übersichtsarbeit gehen jedoch davon aus, dass FID-basierte fMRT künftig insbesondere bei ultrahohen Magnetfeldstärken zur Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen beitragen wird.

Patente spielen eine wichtige Rolle beim Schutz von Entwicklungen im Bereich der MRT. Insbesondere können Patente für neuartige Aspekte der Steuerung eines Magnetresonanztomographiesystems zur Gewinnung von MR-Daten zur Bildrekonstruktion erteilt werden. Dazu zählen beispielsweise Merkmale der verwendeten Sequenzen – wie Timing, Reihenfolge oder Parameter von RF-Pulsen und Gradienten – oder die Art und Weise, wie unterschiedliche Sequenzen kombiniert werden. Patente können sich auch auf neue Verfahren zur Verarbeitung von MR-Daten zur Bildrekonstruktion beziehen, etwa zur Erzeugung eines bestimmten Bildkontrasts oder zur Reduktion bzw. Eliminierung von Artefakten. Darüber hinaus können neuartige und vorteilhafte Aspekte der Hardware des Bildgebungssystems patentgeschützt sein. Entstehen entsprechende Erfindungen im Zusammenhang mit ZTE- oder UTE-Techniken, kann daher Patentschutz für Entwicklungen in diesen Bereichen in Betracht kommen.

1. S. Mangia, S. Michaeli, and O. Gröhn, “ Outlook on zero/ultrashort echo time techniques in functional MRI,” Magnetic Resonance in Medicine 95, no. 2 (2026): 714–723, https://doi.org/10.1002/mrm.70065.
2. Gerta Halilaj, Nebi Cemeta. Beyond radiation: Emerging applications of MRI in dental diagnostics and clinical practice[J]. Journal of Dentistry and Multidisciplinary Sciences, 2025, 1(1): 31-46. doi: 10.3934/jdms.2025004
3. Paasonen J, Laakso H, Pirttimaki T, et al. Multi-band SWIFTenables quiet and artefact-free EEG-fMRI and awake fMRI studies in rat. Neuroimage. 2020;206:116338