Technische Ausstattung

7-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph MAGNETOM™ Terra.X

Im März 2019 wurde am Institut ein neuer Tomograph (MAGNETOM Terra; Hersteller: Siemens Healthineers) in Betrieb genommen, dessen Magnet ein Feld von 7 Tesla (7 T) produziert – das ist etwa 140.000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Er ersetzte unseren 7T-Tomographen der ersten Generation (MAGNETOM 7T), der über 12 Betriebsjahre hinweg in zahlreichen Magnetresonanz-Tomographie-(MRT-) Studien neue Einblicke in die Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns erlaubt hat. Im April 2024 wurde ein Upgrade (MAGNETOM Terra.X) mit moderner Elektronik und Betriebssoftware sowie einer verbesserten Gradientenleistung vorgenommen. Wie bei allen MRT-Magneten des Instituts wird das statische Magnetfeld mit einer supraleitenden Spule aus Niob-Titan-Legierung erzeugt, die ständig auf eine Temperatur von 4,2 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wird (entspricht –269 °C). Der Magnet ist etwa 2,70 Meter lang und wiegt (nach Installation) etwa 25 Tonnen. Die Öffnung des Patiententunnels hat einen Innendurchmesser von 60 cm. Der Magnet ist aktiv abgeschirmt, wurde aber dennoch in der bereits vorhandenen Eisenkabine mit Abmessungen von 10 × 5,70 × 5,70 Metern und einem Gewicht von 362 Tonnen installiert, da ein Rückbau zu aufwändig gewesen wäre. Insgesamt wird das magnetische Streufeld außerhalb der Abschirmung so effizient reduziert, dass die 0,5 Millitesla-Konturlinie vollständig innerhalb der Abschirmkabine verläuft.

Der Tomograph verfügt über eine leistungsfähige Gradienteneinheit zur Ortskodierung der Signale, die entlang jeder beliebigen Raumachse bis zu 135 Millitesla pro Meter innerhalb von 0,54 Millisekunden erzeugen kann. Die Resonanzfrequenz beträgt bei Experimenten mit Wasserstoffatomkernen („Protonen“) 298 Megahertz. Neben Wasserstoff können auch andere biologisch bedeutsamen stabile Atomkerne (z. B. C-13, Na-23, P-31) untersucht werden. Zum Senden stehen bis zu 16 parallele Hochfrequenz-(HF-) Kanäle mit jeweils 2 Kilowatt Leistung zur Verfügung. Empfangsseitig ist die Anlage mit 64 HF-Kanälen ausgerüstet. Als weitere Besonderheit ist eine Kopfspule NeuroCam™ 7T (Hersteller: Skope Magnetic Resonance Technologies) vorhanden. Sie kann die volle Zahl der vorhandenen HF-Kanäle ausnutzen und verfügt zudem über eine integrierte Magnetfeldkamera, mit der Feldfluktuationen während der Messung aufgezeichnet und während der Bildrekonstruktion korrigiert werden können.

3-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph MAGNETOM™ Skyra Connectom A

Der Tomograph MAGNETOM Skyra CONNECTOM A (Siemens Healthineers) wurde im Dezember 2016 in Betrieb genommen und ersetzte das allererste MRT-Gerät des Instituts (Bruker MedSpec™ 30/100; betrieben seit April 1997). Es ist einer von weltweit drei spezialisierten 3T-Forschungssystemen, wobei die Besonderheit in der Ganzkörper-Gradienteneinheit AS302 liegt, die innerhalb einer Anstiegszeit von 1,5 Millisekunden eine maximale Amplitude von 300 Millitesla pro Meter erreicht. Ermöglicht wird dies durch einen segmentierten Aufbau der Gradientenspule, wobei für jede Raumrichtung vier Gradientenverstärker (jeweils 900 A und 2.250 V) eingesetzt werden. Dadurch lassen sich substantielle Leistungssteigerungen bei der sogenannten diffusionsgewichteten MRT erreichen. Bei solchen Aufnahmen wird die zufällige Eigenbewegung („Diffusion“) von Wassermolekülen im Gewebe erfasst, wodurch Rückschlüsse auf die anatomische Verknüpfung von Hirnarealen erhalten werden. Dabei macht man sich zunutze, dass Zellmembranen oder andere Hindernisse die Bewegungen der Wassermoleküle beeinflussen, sodass diese sich entlang von Nervenfasern weniger behindert bewegen als senkrecht zu ihnen. Aus Diffusionsmessungen entlang verschiedener Richtungen lassen sich so Verläufe der Nervenfasern rekonstruieren und weitere Aussagen zu deren Größe oder Form ableiten, ohne dass die Neurowissenschaftler dazu die nur wenige Mikrometer großen Axone direkt sehen können.

Die Gradientenspule wiegt etwa 1,5 Tonnen. Im Betrieb ist ein effizienter Durchsatz von Kühlwasser zur Abfuhr der Wärme, die aufgrund der großen elektrischen Leistung anfällt, notwendig. Durch den Platzbedarf der Gradienteneinheit beträgt bei dieser Anlage die Öffnung des Patiententunnels nur 56 cm. Wie bei allen anderen 3T-Geräten des Instituts ist das Magnetfeld etwa 60.000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld, und die Resonanzfrequenz bei Experimenten mit Wasserstoffatomkernen beträgt 123 Megahertz. Auch diese Anlage ist mit einer Magnetfeldkamera (Skope) ausgestattet, die hier in eine Eigenbau-Kopfspule mit 64 Empfangskanälen integriert ist (Kooperation mit Prof. Boris Keil, Technische Hochschule Mittelhessen).
  

Weitere interessante Beiträge:

• Pressemeldung 12. Dezember 2016

3-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph MAGNETOM™ Prisma^fit

Der Magnet (3 Tesla, 60-cm-Bohrung) dieser klinischen Anlage ist bereits seit März 2003 in Betrieb (damals MAGNETOM Trio und als erste Anlage ihrer Art mit einer Ganzkörper-HF-Spule). Dabei wurde das Gerät kontinuierlich durch Hardware- und Software-Upgrades auf dem neuesten Stand der Technik gehalten, seit Dezember 2014 in der Konfiguration MAGNETOM Prisma^fit (Siemens Healthineers). Ein Ganzkörper-Gradientensystem erzeugt Gradienten von bis zu 80 Millitesla pro Meter entlang beliebiger Richtungen innerhalb einer Anstiegszeit von 0,4 Millisekunden. Zur Untersuchung des menschlichen Gehirns oder Rückenmarks werden verschiedene kommerzielle Spezialspulen verwendet. Im gepulsten Modus erzeugt der HF-Verstärker bis zu 35 Kilowatt, um die Körperspule zu betreiben. Bis zu 64 unabhängige Kanäle können gleichzeitig für den Signalempfang mit Kopfspulen genutzt werden.

3-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph MAGNETOM™ Skyra^fit

Der 3-Tesla-Tomograph wird seit Februar 2011 betrieben. Im Dezember 2016 erfolgte ein Upgrade auf die Konfiguration MAGNETOM Skyra^fit (Siemens Healthineers). Wie auch die Anlage MAGNETOM Prisma^fit wird das Gerät überwiegend für Studien der strukturellen und funktionellen Neurobildgebung an freiwilligen Versuchspersonen eingesetzt. Der Magnet (ca. 6 Tonnen) ist mit 1,73 Metern relativ kurz und besitzt eine große Bohrung mit 70 cm Durchmesser. Ein Ganzkörper-Gradientensystem erzeugt Gradienten von bis zu 40 Millitesla pro Meter entlang beliebiger Richtungen innerhalb einer Anstiegszeit von 0,2 Millisekunden.

3-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph MAGNETOM™ Cima.X

Die 3-Tesla-Anlage MAGNETOM Cima.X (Siemens Healthineers) wird seit Mai 2025 betrieben. Sie ist in gemieteten Räumen des Universitätsklinikums Leipzig (Liebigstraße 18) installiert und ersetzt eine ältere Anlage MAGNETOM Verio, die seit September 2010 betrieben worden war. Der Magnet besitzt eine für klinische Seriengeräte besonders leistungsfähige Ganzkörper-Gradienteneinheit mit einer maximalen Amplitude von 200 Millitesla pro Meter entlang beliebiger Raumrichtungen, die innerhalb einer Anstiegszeit von 1 Millisekunde erreicht werden. Auch dieser Magnet ist vergleichsweise kurz (1,72 Meter) und besitzt eine Öffnung von 60 cm Durchmesser. Neben Studien der strukturellen und funktionellen Neurobildgebung werden an dieser Anlage Experimente mit MRT-gesteuertem fokussierten Ultraschall durchgeführt.

9,4-Tesla-Magnetresonanz-Tomograph BioSpec™ 94/30

Die Anlage BioSpec 94/30 (Bruker) ist für präklinische Untersuchungen konzipiert und wird am Institut für bildgebende Untersuchungen an (fixierten) Gehirnpräparaten oder kleinen Gewebeproben eingesetzt. Sie wurde im Dezember 2025 in Betrieb genommen und ist damit der neueste Tomograph des Instituts. Der supraleitende Magnet besitzt eine Feldstärke von 9,4 Tesla (etwa 188.000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld); die Resonanzfrequenz bei Experimenten mit Wasserstoffatomkernen beträgt hier 400 Megahertz. Die Bohrung des Magneten ist mit 30 cm Durchmesser immer noch ausreichend groß für die Bildgebung von Gehirnpräparaten von Menschenaffen, die im Rahmen des Kooperationsprojekts „Evolution of Hominoid Brain Connectomics (EBC)“ der Max-Planck-Institute für Kognitions- und Neurowissenschaften und für Evolutionäre Anthropologie untersucht werden. Für derartige größere Präparate steht ein Gradientensystem mit 300 Millitesla pro Meter (Anstiegszeit 0,26 Millisekunden) zur Verfügung. Daneben gibt es für kleinere Proben einen Gradienteneinschub, der 1.000 Millitesla pro Meter in 0,11 Millisekunden erreicht. Ein weiteres Ausstattungsmerkmal für sehr kleine Proben ist eine sogenannte Kryospule. Sie wird im Betrieb auf ca. 23 Grad Kelvin (ca. –250 °C) gekühlt und erreicht aufgrund der damit verbundenen effizienten Rauchreduktion ein besonders hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und erlaubt Untersuchungen mit besonders hoher räumlicher Auflösung.