TY  - THES
A1  - Andelovic, Kristina
T1  - Characterization of arterial hemodynamics using mouse models of atherosclerosis and tissue-engineered artery models
T1  - Charakterisierung arterieller Hämodynamiken in atherosklerotischen Mausmodellen und tissue-engineerten Arterienmodellen
N2  - Within this thesis, three main approaches for the assessment and investigation of altered hemodynamics like wall shear stress, oscillatory shear index and the arterial pulse wave velocity in atherosclerosis development and progression were conducted: 
1.	The establishment of a fast method for the simultaneous assessment of 3D WSS and PWV in the complete murine aortic arch via high-resolution 4D-flow MRI
2.	The utilization of serial in vivo measurements in atherosclerotic mouse models using high-resolution 4D-flow MRI, which were divided into studies describing altered hemodynamics in late and early atherosclerosis
3.	The development of tissue-engineered artery models for the controllable application and variation of hemodynamic and biologic parameters, divided in native artery models and biofabricated artery models, aiming for the investigation of the relationship between atherogenesis and hemodynamics
Chapter 2 describes the establishment of a method for the simultaneous measurement of 3D WSS and PWV in the murine aortic arch at, using ultra high-field MRI at 17.6T [16], based on the previously published method for fast, self-navigated wall shear stress measurements in the murine aortic arch using radial 4D-phase contrast MRI at 17.6 T [4]. This work is based on the collective work of Dr. Patrick Winter, who developed the method and the author of this thesis, Kristina Andelovic, who performed the experiments and statistical analyses. As the method described in this chapter is basis for the following in vivo studies and undividable into the sub-parts of the contributors without losing important information, this chapter was not split into the single parts to provide fundamental information about the measurement and analysis methods and therefore better understandability for the following studies. The main challenge in this chapter was to overcome the issue of the need for a high spatial resolution to determine the velocity gradients at the vascular wall for the WSS quantification and a high temporal resolution for the assessment of the PWV without prolonging the acquisition time due to the need for two separate measurements. Moreover, for a full coverage of the hemodynamics in the murine aortic arch, a 3D measurement is needed, which was achieved by utilization of retrospective navigation and radial trajectories, enabling a highly flexible reconstruction framework to either reconstruct images at lower spatial resolution and higher frame rates for the acquisition of the PWV or higher spatial resolution and lower frame rates for the acquisition of the 3D WSS in a reasonable measurement time of only 35 minutes. This enabled the in vivo assessment of all relevant hemodynamic parameters related to atherosclerosis development and progression in one experimental session. This method was validated in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice, indicating no differences in robustness between pathological and healthy mice. 
The heterogeneous distribution of plaque development and arterial stiffening in atherosclerosis [10, 12], however, points out the importance of local PWV measurements. Therefore, future studies should focus on the 3D acquisition of the local PWV in the murine aortic arch based on the presented method, in order to enable spatially resolved correlations of local arterial stiffness with other hemodynamic parameters and plaque composition. 
In Chapter 3, the previously established methods were used for the investigation of changing aortic hemodynamics during ageing and atherosclerosis in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice using the previously established methods [4, 16] based on high-resolution 4D-flow MRI. In this work, serial measurements of healthy and atherosclerotic mice were conducted to track all changes in hemodynamics in the complete aortic arch over time. Moreover, spatially resolved 2D projection maps of WSS and OSI of the complete aortic arch were generated. This important feature allowed for the pixel-wise statistical analysis of inter- and intragroup hemodynamic changes over time and most importantly – at a glance. The study revealed converse differences of local hemodynamic profiles in healthy WT and atherosclerotic Apoe−/− mice, with decreasing longWSS and increasing OSI, while showing constant PWV in healthy mice and increasing longWSS and decreasing OSI, while showing increased PWV in diseased mice. Moreover, spatially resolved correlations between WSS, PWV, plaque and vessel wall characteristics were enabled, giving detailed insights into coherences between hemodynamics and plaque composition. Here, the circWSS was identified as a potential marker of plaque size and composition in advanced atherosclerosis. Moreover, correlations with PWV values identified the maximum radStrain could serve as a potential marker for vascular elasticity. This study demonstrated the feasibility and utility of high-resolution 4D flow MRI to spatially resolve, visualize and analyze statistical differences in all relevant hemodynamic parameters over time and between healthy and diseased mice, which could significantly improve our understanding of plaque progression towards vulnerability. In future studies the relation of vascular elasticity and radial strain should be further investigated and validated with local PWV measurements and CFD.  
Moreover, the 2D histological datasets were not reflecting the 3D properties and regional characteristics of the atherosclerotic plaques. Therefore, future studies will include 3D plaque volume and composition analysis like morphological measurements with MRI or light-sheet microscopy to further improve the analysis of the relationship between hemodynamics and atherosclerosis.
Chapter 4 aimed at the description and investigation of hemodynamics in early stages of atherosclerosis. Moreover, this study included measurements of hemodynamics at baseline levels in healthy WT and atherosclerotic mouse models. Due to the lack of hemodynamic-related studies in Ldlr-/- mice, which are the most used mouse models in atherosclerosis research together with the Apoe-/- mouse model, this model was included in this study to describe changing hemodynamics in the aortic arch at baseline levels and during early atherosclerosis development and progression for the first time. In this study, distinct differences in aortic geometries of these mouse models at baseline levels were described for the first time, which result in significantly different flow- and WSS profiles in the Ldlr-/- mouse model. Further basal characterization of different parameters revealed only characteristic differences in lipid profiles, proving that the geometry is highly influencing the local WSS in these models. Most interestingly, calculation of the atherogenic index of plasma revealed a significantly higher risk in Ldlr-/- mice with ongoing atherosclerosis development, but significantly greater plaque areas in the aortic arch of Apoe-/- mice. Due to the given basal WSS and OSI profile in these two mouse models – two parameters highly influencing plaque development and progression – there is evidence that the regional plaque development differs between these mouse models during very early atherogenesis. 
Therefore, future studies should focus on the spatiotemporal evaluation of plaque development and composition in the three defined aortic regions using morphological measurements with MRI or 3D histological analyses like LSFM. Moreover, this study offers an excellent basis for future studies incorporating CFD simulations, analyzing the different measured parameter combinations (e.g., aortic geometry of the Ldlr-/- mouse with the lipid profile of the Apoe-/- mouse), simulating the resulting plaque development and composition. This could help to understand the complex interplay between altered hemodynamics, serum lipids and atherosclerosis and significantly improve our basic understanding of key factors initiating atherosclerosis development.
Chapter 5 describes the establishment of a tissue-engineered artery model, which is based on native, decellularized porcine carotid artery scaffolds, cultured in a MRI-suitable bioreactor-system  [23] for the investigation of hemodynamic-related atherosclerosis development in a controllable manner, using the previously established methods for WSS and PWV assessment [4, 16]. This in vitro artery model aimed for the reduction of animal experiments, while simultaneously offering a simplified, but completely controllable physical and biological environment. For this, a very fast and gentle decellularization protocol was established in a first step, which resulted in porcine carotid artery scaffolds showing complete acellularity while maintaining the extracellular matrix composition, overall ultrastructure and mechanical strength of native arteries. Moreover, a good cellular adhesion and proliferation was achieved, which was evaluated with isolated human blood outgrowth endothelial cells. Most importantly, an MRI-suitable artery chamber was designed for the simultaneous cultivation and assessment of high-resolution 4D hemodynamics in the described artery models. Using high-resolution 4D-flow MRI, the bioreactor system was proven to be suitable to quantify the volume flow, the two components of the WSS and the radStrain as well as the PWV in artery models, with obtained values being comparable to values found in literature for in vivo measurements. Moreover, the identification of first atherosclerotic processes like intimal thickening is achievable by three-dimensional assessment of the vessel wall morphology in the in vitro models. However, one limitation is the lack of a medial smooth muscle cell layer due to the dense ECM. Here, the utilization of the laser-cutting technology for the generation of holes and / or pits on a microscale, eventually enabling seeding of the media with SMCs showed promising results in a first try and should be further investigated in future studies. Therefore, the proposed artery model possesses all relevant components for the extension to an atherosclerosis model which may pave the way towards a significant improvement of our understanding of the key mechanisms in atherogenesis.
Chapter 6 describes the development of an easy-to-prepare, low cost and fully customizable artery model based on biomaterials. Here, thermoresponsive sacrificial scaffolds, processed with the technique of MEW were used for the creation of variable, biomimetic shapes to mimic the geometric properties of the aortic arch, consisting of both, bifurcations and curvatures. After embedding the sacrificial scaffold into a gelatin-hydrogel containing SMCs, it was crosslinked with bacterial transglutaminase before dissolution and flushing of the sacrificial scaffold. The hereby generated channel was subsequently seeded with ECs, resulting in an easy-to-prepare, fast and low-cost artery model. In contrast to the native artery model, this model is therefore more variable in size and shape and offers the possibility to include smooth muscle cells from the beginning. Moreover, a custom-built and highly adaptable perfusion chamber was designed specifically for the scaffold structure, which enabled a one-step creation and simultaneously offering the possibility for dynamic cultivation of the artery models, making it an excellent basis for the development of in vitro disease test systems for e.g., flow-related atherosclerosis research. Due to time constraints, the extension to an atherosclerosis model could not be achieved within the scope of this thesis. Therefore, future studies will focus on the development and validation of an in vitro atherosclerosis model based on the proposed bi- and three-layered artery models.
In conclusion, this thesis paved the way for a fast acquisition and detailed analyses of changing hemodynamics during atherosclerosis development and progression, including spatially resolved analyses of all relevant hemodynamic parameters over time and in between different groups. Moreover, to reduce animal experiments, while gaining control over various parameters influencing atherosclerosis development, promising artery models were established, which have the potential to serve as a new platform for basic atherosclerosis research.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Hauptansätze zur Bewertung und Untersuchung der veränderten Hämodynamik wie Wandschubspannung, des oszillatorischen Scherindex und der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit bei der Entwicklung und Progression der Atherosklerose durchgeführt: 
1.	Die Etablierung einer schnellen Methode zur gleichzeitigen Bestimmung der 3D-Wandschubspannung und der Pulswellengeschwindigkeit im gesamten Aortenbogen der Maus mittels hochauflösender 4D-Fluss-MRT 
2.	Die Verwendung von seriellen in vivo Messungen in atherosklerotischen Mausmodellen mittels hochauflösender 4D-Fluss-MRT, die in Studien zur Beschreibung der veränderten Hämodynamik bei später und früher Atherosklerose aufgeteilt wurden
3.	Die Entwicklung von tissue-engineerten Arterienmodellen für die kontrollierte Anwendung und Variation von hämodynamischen und biologischen Parametern, unterteilt in native Arterienmodelle und biofabrizierte Arterienmodelle, mit dem Ziel, die Beziehung zwischen Atherogenese und veränderter Hämodynamik zu untersuchen
Kapitel 2 beschreibt die Etablierung einer Methode zur gleichzeitigen Messung von 3D-Wandschubspannung und Pulswellengeschwindigkeit im Aortenbogen der Maus unter Verwendung der Ultrahochfeld-MRT bei 17,6T [16], die auf der zuvor veröffentlichten Methode zur schnellen, selbstnavigierten Messung der Wandschubspannung im Aortenbogen der Maus unter Verwendung der radialen 4D-Phasenkontrast-MRT bei 17,6T [4] basiert. Dieses Projekt basiert auf der gemeinsamen Arbeit von Dr. Patrick Winter, der diese Methode entwickelt hat, und der Autorin dieser Thesis, Kristina Andelovic, die die Experimente und statistischen Analysen durchgeführt hat. Da die in diesem Kapitel beschriebene Methode die Grundlage für die folgenden in vivo Studien darstellt und sich nicht in die einzelnen Beiträge der Autoren aufteilen lässt, ohne dass wichtige Informationen verloren gehen, wurde dieses Kapitel nicht in die einzelnen Teile aufgeteilt, um grundlegende Informationen über die Mess- und Analysemethoden zu liefern und somit eine bessere Verständlichkeit für die folgenden Studien zu gewährleisten. Die größte Herausforderung in diesem Kapitel bestand darin, die Anforderung an eine hohe räumliche Auflösung zur Bestimmung der Geschwindigkeitsgradienten an der Gefäßwand für die WSS-Quantifizierung und an eine hohe zeitliche Auflösung für die Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit zu erfüllen, ohne die Messzeit aufgrund der Notwendigkeit von zwei separaten Messungen zu verlängern. Darüber hinaus ist für eine vollständige Erfassung der Hämodynamik im murinen Aortenbogen eine vollständige 3D-Messung des Aortenbogens erforderlich, die durch die Nutzung der retrospektiven Navigation und radialen Trajektorien erreicht wurde. 
Dies wurde durch ein hoch flexibles Rekonstruktionssystem ermöglicht, das entweder Bilder mit geringerer räumlicher Auflösung und höheren Bildraten für die Erfassung der Pulswellengeschwindigkeit oder mit höherer räumlicher Auflösung und niedrigeren Bildraten für die Erfassung der 3D-WSS in einer angemessenen Messzeit von nur 35 Minuten rekonstruieren konnte. Die in vivo-Bestimmung aller relevanter hämodynamischen Parameter, die mit der Entwicklung und dem Fortschreiten der Atherosklerose zusammenhängen, wurde somit in einer einzigen experimentellen Sitzung ermöglicht. Die Methode wurde an gesunden Wildtyp- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen validiert, wobei keine Unterschiede in der Robustheit der Messungen zwischen pathologischen und gesunden Mäusen festgestellt werden konnten. 
Die heterogene Verteilung der Plaqueentwicklung und Arterienversteifung in der Atherosklerose [10, 12] weist jedoch auf die Wichtigkeit lokaler PWV-Messungen hin. Zukünftige Studien sollten sich daher auf die 3D-Erfassung der lokalen PWV im murinen Aortenbogen auf Grundlage der vorgestellten Methode konzentrieren, um räumlich aufgelöste Korrelationen der lokalen arteriellen Steifigkeit mit anderen hämodynamischen Parametern und der Plaquezusammensetzung zu ermöglichen. 
In Kapitel 3 wurden die zuvor etablierten Methoden zur Untersuchung der sich verändernden Hämodynamik in der Aorta während des Alterns und der Atherosklerose bei gesunden Wildtyp- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen verwendet [4, 16], die auf hochauflösender 4D-Fluss MRT basieren. In dieser Arbeit wurden serielle Messungen an gesunden und atherosklerotischen Mäusen durchgeführt, um alle Veränderungen der Hämodynamik im gesamten Aortenbogen über die Zeit zu verfolgen. Zudem wurden in dieser Arbeit räumlich aufgelöste 2D-Projektionskarten der WSS und des OSI des gesamten Aortenbogens generiert. Diese Methode ermöglichte die pixelweise statistische Analyse der Unterschiede und hämodynamischen Veränderungen zwischen und innerhalb von Gruppen im Zeitverlauf und die Visualisierung auf einen Blick. Die Studie ergab sich gegensätzlich entwickelnde lokale hämodynamische Profile bei gesunden WT- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen, wobei die longWSS über die Zeit abnahm und der OSI zunahm, während die PWV bei gesunden Mäusen konstant blieb. Im Gegensatz nahm die longWSS zu und der OSI bei kranken Mäusen ab, während die PWV über die Zeit zunahm. Darüber hinaus wurden räumlich aufgelöste Korrelationen zwischen WSS, PWV, Plaque und Gefäßwandeigenschaften ermöglicht, die detaillierte Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Hämodynamik und Plaquezusammensetzung in der Atherosklerose bieten. Dabei wurde die zirkumferentielle WSS als potenzieller Marker für die Plaquegröße und -zusammensetzung bei fortgeschrittener Atherosklerose identifiziert. Darüber hinaus ergaben Korrelationen mit der PWV, dass der maximale radiale Druck als potenzieller Marker für die vaskuläre Elastizität dienen könnte. Zusammengefasst demonstriert diese Studie die Nützlichkeit der hochauflösenden 4D-Fluss MRT zur räumlichen Auflösung, Visualisierung und Analyse statistischer Unterschiede in allen relevanten hämodynamischen Parametern im Zeitverlauf und zwischen gesunden und erkrankten Mäusen, was unser Verständnis der Plaqueprogression in Richtung Vulnerabilität erheblich verbessern könnte. 
In zukünftigen Studien sollte jedoch der Zusammenhang zwischen Gefäßelastizität und radialem Druck weiter untersucht und mit lokalen PWV-Messungen und CFD validiert werden. Darüber hinaus spiegelten die histologischen 2D-Datensätze nicht die 3D-Eigenschaften und regionalen Charakteristika der atherosklerotischen Plaques wider. Daher sollten künftige Studien eine Analyse des 3D-Plaquevolumens und der 3D-Plaquenzusammensetzung sowie morphologische Messungen mittels MRT oder der Lichtblattmikroskopie mit einbeziehen, um das fundamentale Verständnis der Beziehung zwischen veränderter Hämodynamik und der Atherosklerose weiter zu verbessern.
In Kapitel 4 ging es um die Beschreibung und Untersuchung der Hämodynamik in frühen Stadien der Atherosklerose. Darüber hinaus umfasste diese Studie zum ersten Mal Messungen der basalen Hämodynamik in gesunden WT- und atherosklerotischen Mausmodellen. Aufgrund des Mangels an Studien, die die Hämodynamik in Ldlr-/- Mäusen beschreiben, die zusammen mit dem Apoe-/- Mausmodell die am häufigsten verwendeten Mausmodelle in der Atheroskleroseforschung sind, wurde dieses Modell in diese Studie integriert, um erstmals die sich verändernde Hämodynamik im Aortenbogen zu Beginn und während der Entwicklung und Progression der frühen Atherosklerose zu beschreiben. In dieser Studie wurden erstmals deutliche Unterschiede in den basalen Aortengeometrien dieser Mausmodelle identifiziert, die zu signifikant unterschiedlichen Fluss- und WSS-Profilen im Ldlr-/- Mausmodell führen. Eine weitere basale Charakterisierung verschiedener Parameter ergab nur modell-charakteristische Unterschiede in den Lipidprofilen, was beweist, dass die Geometrie die lokale WSS in diesen Modellen stark beeinflusst. Interessanterweise ergab die Berechnung des atherogenen Plasma-Indexes ein signifikant höheres Risiko bei Ldlr-/- Mäusen mit fortschreitender Atheroskleroseentwicklung, aber signifikant größere Plaqueflächen im Aortenbogen der Apoe-/- Mäuse. 
Aufgrund des gegebenen basalen WSS- und OSI-Profils in diesen beiden Mausmodellen - zwei Parameter, die die Plaque-Entwicklung und -Progression stark beeinflussen - gibt es Hinweise darauf, dass sich die regionale Plaque-Entwicklung zwischen diesen Mausmodellen während der Atherogenese stark unterscheidet. Daher sollten sich künftige Studien auf die räumlich-zeitliche Bewertung der Plaqueentwicklung und -Zusammensetzung in den drei definierten Aortenregionen konzentrieren, wobei morphologische Messungen mittels MRT oder histologische 3D-Analysen wie LSFM zum Einsatz kommen. Darüber hinaus bietet diese Studie eine hervorragende Grundlage für künftige Studien mit CFD-Simulationen, in denen die verschiedenen gemessenen Parameterkombinationen (z. B. die Aortengeometrie der Ldlr-/-Maus mit dem Lipidprofil der Apoe-/- Maus) analysiert und die daraus resultierende Plaqueentwicklung und -Zusammensetzung simuliert werden. Dies könnte zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen veränderter Hämodynamik, Serumlipiden und Atherosklerose beitragen und unser grundlegendes Verständnis der Schlüsselfaktoren für die Entstehung von Atherosklerose deutlich verbessern.
In Kapitel 5 wird die Etablierung eines tissue-engineerten Arterienmodells beschrieben, das auf nativen, von Schweinehalsschlagadern hergestellten, dezellularisierten Gerüststrukturen basiert. Diese wurden zudem in einem MRT-geeigneten Bioreaktorsystem [23] kultiviert, um die hämodynamisch bedingte Atheroskleroseentwicklung auf kontrollierbare Weise zu untersuchen, wobei hierfür die zuvor etablierten Methoden zur WSS- und PWV-Bewertung [4, 16] verwendet wurden. Dieses in vitro Arterienmodell zielte auf die Reduzierung von Tierversuchen ab und bot gleichzeitig eine vereinfachte, aber vollständig kontrollierbare physikalische und biologische Umgebung. Zu diesem Zweck wurde in einem ersten Schritt ein sehr schnelles und schonendes Dezellularisierungsverfahren etabliert, das zu Gerüststrukturen basierend auf Schweinehalsschlagadern führte, die eine vollständige Azellularität aufwiesen, wobei gleichzeitig die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix, die allgemeine Ultrastruktur und die mechanischen Eigenschaften der nativen Arterien erhalten blieben. Darüber hinaus wurde eine gute Zelladhäsion und -proliferation erreicht, die mit isolierten menschlichen Endothelzellen aus humanem Vollblut untersucht wurde. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal eine MRT-geeignete Arterienkammer für die gleichzeitige Kultivierung der generierten Modelle und der Untersuchung der hochauflösenden 4D-Hämodynamik in diesen Arterienmodellen entwickelt. Unter Verwendung der hochauflösenden 4D-Fluss-MRT erwies sich das Bioreaktorsystem als sehr geeignet, den Volumenstrom, die beiden Komponenten der WSS inklusive dem radialen Druck und die PWV in den Arterienmodellen zu quantifizieren, wobei die erhaltenen Werte sehr gut mit den in der Literatur gefundenen Werten für in vivo-Messungen vergleichbar sind. Darüber hinaus lassen sich durch die dreidimensionale Untersuchung der Gefäßwandmorphologie in den in vitro-Modellen erste atherosklerotische Prozesse wie die Verdickung der Intima erkennen. Eine Einschränkung ist jedoch das Fehlen einer medialen glatten Muskelzellschicht aufgrund der dichten ECM des Gewebegerüsts. Die Verwendung der Laserschneidetechnik zur Erzeugung von Löchern und / oder Gruben im Mikrometerbereich, die eine Besiedlung des Mediums mit SMCs ermöglichen, zeigte in einem ersten Versuch vielversprechende Ergebnisse und sollte in zukünftigen Studien daher dringend weiter untersucht werden. Das präsentierte Arterienmodell verfügt somit über alle relevanten Komponenten für die Erweiterung zu einem Atherosklerosemodell und ebnet den Weg für ein deutlich besseres Verständnis der Schlüsselmechanismen in der Atherogenese.
Kapitel 6 beschreibt die Entwicklung eines einfach herzustellenden, kostengünstigen und vollständig an gegebene Bedürfnisse anpassbaren Arterienmodells auf Grundlage von Biomaterialien. Hier wurden thermoresponsive Opfergerüststrukturen, die mit der MEW-Technik hergestellt wurden, zur Herstellung variabler, biomimetischer Formen verwendet, um die geometrischen Eigenschaften des Aortenbogens, bestehend aus Verzweigungen und Krümmungen, zu imitieren. Nach der Einbettung der Opfergerüststruktur in ein Gelatin-Hydrogel, das zudem SMCs enthält, wurde es mit bakterieller Transglutaminase vernetzt, bevor es aufgelöst und gespült wurde. Der so entstandene Hydrogelkanal wurde anschließend mit Endothelzellen besiedelt, wodurch ein einfach zu erstellendes, schnelles und kostengünstiges Arterienmodell entstand. Im Gegensatz zum nativen Arterienmodell ist dieses Modell daher deutlich variabler in Größe und Form und bietet die wichtige Möglichkeit, von Anfang an glatte Muskelzellen mit einzubringen. Darüber hinaus wurde speziell für die gegebene Gerüststruktur eine maßgeschneiderte und hochgradig anpassungsfähige Perfusionskammer entwickelt, die eine sehr schnelle und einstufige Herstellung des Arterienmodells ermöglicht und gleichzeitig die Möglichkeit zur dynamischen Kultivierung der Modelle bietet, was eine hervorragende Grundlage für die Entwicklung von in vitro Krankheits-Testsystemen für z.B. die Atheroskleroseforschung im Zusammenhang mit der Hämodynamik darstellt. Aus Zeitgründen konnte die Ausweitung auf ein Atherosklerosemodell jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht realisiert werden. Daher werden sich zukünftige Studien auf die Entwicklung und Validierung eines in vitro-Atherosklerosemodells konzentrieren, das auf den hier entwickelten zwei- und dreischichtigen Arterienmodellen basiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit den Weg für eine schnelle Erfassung und detaillierte Analyse der sich verändernden Hämodynamik während der Entwicklung und der Progression der Atherosklerose geebnet hat, einschließlich räumlich aufgelöster Analysen aller relevanten hämodynamischen Parameter im Zeitverlauf innerhalb einer Gruppe und zwischen verschiedenen Gruppen. Darüber hinaus wurden vielversprechende Arterienmodelle etabliert, die das Potenzial haben, als neue Plattform für die Atherosklerose-Grundlagenforschung zu dienen, um Tierversuche zu minimieren und gleichzeitig die Kontrolle über verschiedene Parameter zu erlangen, die die Atheroskleroseentwicklung beeinflussen.
KW  - Hämodynamik
KW  - Arteriosklerose
KW  - Tissue Engineering
KW  - Atherosclerosis
KW  - MRI
KW  - Hemodynamics
KW  - Tissue Engineering
KW  - Biofabrication
KW  - Artery Models
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303601
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eirich, Philipp
T1  - Accelerated non-Cartesian cardiovascular MR Imaging at 3T and 7T
T1  - Beschleunigte nicht-kartesische MRT Herzbildgebung bei 3T und 7T
N2  - In this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T). 
To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied. 
Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to image artifacts in non-Cartesian acquisitions. 
Among other reasons such as an increased reconstruction complexity, they cause the lack of spiral sequences in clinical routine compared to standard Cartesian imaging.
Therefore, the Gradient System Transfer Functions (GSTFs) of both scanners were determined and used for k-space trajectory correction in post-correction as well as in terms of a pre-emphasis. 
The GSTF pre-emphasis was implemented as a fully automatic procedure, which enabled a precise correction of arbitrary gradient waveforms for double-oblique slice orientations. 
Consequently, artifacts due to trajectory errors could be mitigated, which resulted in high image quality in non-Cartesian MRI. 
Additionally, the GSTF correction was validated by measuring pre-emphasized spiral gradient outputs, which showed high agreement with the theoretical gradient waveforms. 
Furthermore, it could be demonstrated that the performance of the GSTF correction is superior to a simple delay compensation approach.
The developed pulse sequences were applied to gated as well as real-time CMR. Special focus lied on the implementation of a spiral imaging protocol to resolve the beating heart of animals and humans in real time and free breathing. 
In order to achieve real-time CMR with high spatiotemporal resolution, k-space undersampling was performed. For this reason, efficient sampling strategies were developed with the aim to facilitate compressed sensing (CS) during image reconstruction. 
The applied CS approach successfully removed aliasing artifacts and yielded high-resolution cardiac image series. Image reconstruction was performed offline in all cases such that the images were not available immediately after acquisition at the scanner. 
Spiral real-time CMR could be performed in free breathing, which led to an acquisition time of less than 1 minute for a whole short-axis stack. 
At 3T, the results were compared to the gold standard of electrocardiogram-gated Cartesian CMR in breath hold, which revealed similar values for important cardiovascular functional and volumetric parameters. 
This paves the way to an application of the developed framework in clinical routine of CMR.
In addition, the spiral real-time protocol was transferred to swallowing and speech imaging at 3T, and first images were presented. 
The results were of high quality and confirm the straightforward utilization of the spiral sequence in other fields of MRI. 
In general, the GSTF correction yielded high-quality images at both field strengths, 3T and 7T. 
Off-resonance related blurring was mitigated by applying non-Cartesian readout gradients of short duration. At 7T, however, B1-inhomogeneity led to image artifacts in some cases.
All in all, this work demonstrated great advances in accelerating the MRI process by combining efficient, undersampled non-Cartesian k-space coverage with CS reconstruction. 
Trajectory correction using the GSTF can be implemented at any scanner model and enables non-Cartesian imaging with high image quality. 
Especially MRI of dynamic processes greatly benefits from the presented rapid imaging approaches.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden der beschleunigten Magnetresonanztomographie (MRT) etabliert, welche auf nicht-kartesischer Datenaufnahme beruhen. 
Diese wurden insbesondere in der Herzbildgebung bei verschiedenen Magnetfeldstärken (3T und 7T) angewendet. 
Der Fokus lag auf der Entwicklung von hocheffizienten spiralförmigen k-Raum Trajektorien, mit dem Zweck sehr kurze Aufnahmezeiten zu ermöglichen. 
Zusätzlich wurde eine hybride k-Raum Trajektorie untersucht, die sogenannte "twisting radial lines (TWIRL)" k-Raum Trajektorie. 
Ungenauigkeiten des dynamischen Gradientensystems eines MRT Scanners resultieren in fehlerbehafteter k-Raum Abtastung während der Datenaufnahme. 
In der nicht-kartesischen Bildgebung kann dies letztendlich zu Artefakten im rekonstruierten Bild führen. 
Zusammen mit anderen Hemmnissen, wie beispielsweise einer komplexeren Bildrekonstruktion, sind sie verantwortlich dafür, dass noch immer mehrheitlich kartesische Bildgebungssequenzen in der klinischen Routine durchgeführt werden.
Aus diesem Grund wurden die Übertragungsfunktionen der Gradientensysteme der verwendeten MRT Scanner (eng. "Gradient System Transfer Function (GSTF)") bestimmt und für k-Raum Trajektorienkorrekturen verwendet. 
Diese Korrektur wurde sowohl in der Bildrekonstruktion nach bereits erfolgter Datenaufnahme angewendet als auch im Rahmen einer Vorverstärkung bevor die Gradienten ausgespielt werden. 
Diese Vorverstärkung wurde als vollständig automatisierter Prozess implementiert und ermöglichte eine präzise Korrektur beliebig gewählter Gradientenfunktionen aller Schichtorientierungen. 
Auf diesem Wege konnten die durch Trajektorienfehler verursachten Bildartefakte kompensiert werden, was zu hoher Bildqualität in der nicht-kartesischen MRT Bildgebung führte. 
Des Weiteren wurde die Gradientenkorrektur durch Messungen der tatsächlich ausgespielten Gradientenformen validiert. Diese wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretisch zu erwarteten Gradientenformen auf. 
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die auf der Impulsantwort basierende, umfassende Gradientenkorrektur eine höhere Bildqualität ermöglicht als eine einfache Korrektur mittels globaler Zeitverschiebungen.
Die entwickelten MRT Sequenzen wurden sowohl in der segmentierten als auch in der Echtzeit-Herzbildgebung angewendet. 
Im Speziellen lag der Fokus auf der Implementierung eines Protokolls für die spirale MRT Bildgebung, welche das schlagende Herz von Tieren und Menschen in Echtzeit und freier Atmung auflösen kann. 
Um Echtzeit-Herzbildgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vereinen, wurde der k-Raum unterabgetastet. 
In diesem Zusammenhang wurden Strategien zur effizienten und komprimierten Datenaufnahme entwickelt, unter Anwendung der Modell-basierten "Compressed Sensing" (CS)-Technik. 
Diese Methode reduziert Aliasing-Artefakte in der Bildrekonstruktion von unterabgetasteten Daten und ermöglicht deshalb hochaufgelöste, dynamische Echtzeit-Bilderserien des schlagenden Herzens. 
Allerdings wurden die gemessenen Daten stets extern rekonstruiert, sodass die Bilder nicht unmittelbar nach der Aufnahme am MRT Scanner verfügbar waren. 
Die spirale Echtzeit-Herzbildgebung konnte in freier Atmung durchgeführt werden, was eine Messzeit aller Schichten in der kurzen Herzachse in unter 1 Minute ermöglichte. 
Bei 3T wurden die Ergebnisse mit dem Goldstandard der mittels eines Elektrokardiogramms segmentierten kartesischen Herzbildgebung im Atemstopp verglichen und es konnte gezeigt werden, dass wichtige funktionelle und volumetrische Herzparameter übereinstimmen. 
Dies ebnet den Weg zur Anwendung des entwickelten Protokolls in der klinischen Routine der Herzbildgebung am MRT. 
Darüber hinaus wurde das Protokoll in der Echtzeit-Bildgebung von Schlucken und Sprechen bei 3T getestet. 
Die Ergebnisse waren ebenfalls von hoher Qualität und bestätigen den unkomplizierten Transfer der spiralen Sequenz in andere Bereiche der MRT Bildgebung. 
Insgesamt lieferte die GSTF-Korrektur Bilder von hoher Qualität bei beiden Feldstärken, 3T und 7T. 
Eine durch off-Resonanz verursachte Bildunschärfe wurde durch kurze Auslesezeiten der nicht-kartesischen Gradienten abgeschwächt. 
Allerdings führte B1-Inhomogenität in manchen Fällen zu Bildartefakten bei 7T.
Die vorliegende Arbeit stellt einen wesentlichen Beitrag zur Beschleunigung des MRT Bildgebungsprozesses dar, indem effiziente, unterabgetastete nicht-kartesische k-Raum Trajektorien mit der CS-Rekonstruktionstechnik kombiniert wurden. 
Trajektorien-Korrektur basierend auf der GSTF kann prinzipiell an jedem MRT Scanner implementiert werden und legt den Grundstein für nicht-kartesische Bildgebung mit hoher Bildqualität. 
Insbesondere die Bildgebung von dynamischen Prozessen profitiert von den hier vorgestellten beschleunigten Methoden zur Datenaufnahme.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - Spirale
KW  - Artefakt
KW  - Übertragungsfunktion
KW  - MRT
KW  - MRI
KW  - Herzbildgebung
KW  - Cardiac imaging
KW  - Beschleunigte Bildgebung
KW  - Accelerated imaging
KW  - Gradient System Transfer Function
KW  - Echtzeitbildgebung
KW  - Real-time imaging
KW  - Compressed sensing
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-253974
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Heinz, Tizian
A1  - Meller, Felix
A1  - Luetkens, Karsten Sebastian
A1  - Horas, Konstantin
A1  - Schäfer, Thomas
A1  - Rudert, Maximilian
A1  - Reppenhagen, Stephan
A1  - Weißenberger, Manuel
T1  - Can the MRI based AMADEUS score accurately assess pre-surgery chondral defect severity according to the ICRS arthroscopic classification system?
JF  - Journal of Experimental Orthopaedics
N2  - Purpose
The AMADEUS (Area Measurement And DEpth and Underlying Structures) scoring and grading system has been proposed for the MRI based evaluation of untreated focal chondral defects around the knee. The clinical practicability, its correlation with arthroscopically assessed grading systems (ICRS – International Cartilage Repair Society) and thereby its clinical value in terms of decision making and guiding prognosis was yet to determine.
Methods
From 2008 to 2019 a total of 89 individuals were indicated for high tibial valgus osteotomy (HTO) due to tibial varus deformity and concomitant chondral defects of the medial compartment of the knee. All patients received a preoperative MRI (1.5 Tesla or 3.0 Tesla) and pre-osteotomy diagnostic arthroscopy. Chondral defects of the medial compartment were scored and graded with the MRI based AMADEUS by three independent raters and compared to arthroscopic defect grading by the ICRS system. Interrater and intrarater reliability as well as correlation analysis with the ICRS classification system were assessed.
Results
Intraclass correlation coefficients for the various subscores of the AMADEUS showed an overall good to excellent interrater agreement (min: 0.26, max: 0.80). Intrarater agreement turned out to be substantially inferior (min: 0.08, max: 0.53). Spearman correlation revealed an overall moderate correlative association of the AMADEUS subscores with the ICRS classification system, apart from the defect area subscore. Sensitivity of the AMADEUS to accurately identify defect severity according to the ICRS was 0.7 (0.69 for 3.0 Tesla MRI, 0.67 for 1.5 Tesla MRI). The mean AMADEUS grade was 2.60 ± 0.81 and the mean ICRS score 2.90 ± 0.63.
Conclusions
Overall, the AMADEUS with all its subscores shows moderate correlation with the arthroscopic chondral grading system according to ICRS. This suggests that chondral defect grading by means of the MRI based AMADEUS is well capable of influencing and guiding treatment decisions. Interrater reliability shows overall good agreement.
KW  - MRI
KW  - knee
KW  - cartilage defect
KW  - grading system of chondral defects
KW  - AMADEUS
KW  - ICRS
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-300781
SN  - 2197-1153
VL  - 9
IS  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Traub, Jan
A1  - Grondey, Katja
A1  - Gassenmaier, Tobias
A1  - Schmitt, Dominik
A1  - Fette, Georg
A1  - Frantz, Stefan
A1  - Boivin-Jahns, Valérie
A1  - Jahns, Roland
A1  - Störk, Stefan
A1  - Stoll, Guido
A1  - Reiter, Theresa
A1  - Hofmann, Ulrich
A1  - Weber, Martin S.
A1  - Frey, Anna
T1  - Sustained increase in serum glial fibrillary acidic protein after first ST-elevation myocardial infarction
JF  - International Journal of Molecular Sciences
N2  - Acute ischemic cardiac injury predisposes one to cognitive impairment, dementia, and depression. Pathophysiologically, recent positron emission tomography data suggest astroglial activation after experimental myocardial infarction (MI). We analyzed peripheral surrogate markers of glial (and neuronal) damage serially within 12 months after the first ST-elevation MI (STEMI). Serum levels of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and neurofilament light chain (NfL) were quantified using ultra-sensitive molecular immunoassays. Sufficient biomaterial was available from 45 STEMI patients (aged 28 to 78 years, median 56 years, 11% female). The median (quartiles) of GFAP was 63.8 (47.0, 89.9) pg/mL and of NfL 10.6 (7.2, 14.8) pg/mL at study entry 0–4 days after STEMI. GFAP after STEMI increased in the first 3 months, with a median change of +7.8 (0.4, 19.4) pg/mL (p = 0.007). It remained elevated without further relevant increases after 6 months (+11.7 (0.6, 23.5) pg/mL; p = 0.015), and 12 months (+10.3 (1.5, 22.7) pg/mL; p = 0.010) compared to the baseline. Larger relative infarction size was associated with a higher increase in GFAP (ρ = 0.41; p = 0.009). In contrast, NfL remained unaltered in the course of one year. Our findings support the idea of central nervous system involvement after MI, with GFAP as a potential peripheral biomarker of chronic glial damage as one pathophysiologic pathway.
KW  - myocardial infarction
KW  - STEMI
KW  - glial fibrillary acidic protein
KW  - GFAP
KW  - neurofilament light chain
KW  - NfL
KW  - glial damage
KW  - cardiac magnetic resonance imaging
KW  - MRI
KW  - infarction size
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288261
SN  - 1422-0067
VL  - 23
IS  - 18
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schadt, Fabian
A1  - Israel, Ina
A1  - Samnick, Samuel
T1  - Development and Validation of a Semi-Automated, Preclinical, MRI-Template Based PET Image Data Analysis Tool for Rodents
JF  - Frontiers in Neuroinformatics
N2  - AimIn PET imaging, the different types of radiotracers and accumulations, as well as the diversity of disease patterns, make the analysis of molecular imaging data acquired in vivo challenging. Here, we evaluate and validate a semi-automated MRI template-based data analysis tool that allows preclinical PET images to be aligned to a self-created PET template. Based on the user-defined volume-of-interest (VOI), image data can then be evaluated using three different semi-quantitative parameters: normalized activity, standardized uptake value, and uptake ratio.
Materials and MethodsThe nuclear medicine Data Processing Analysis tool (NU_DPA) was implemented in Matlab. Testing and validation of the tool was performed using two types of radiotracers in different kinds of stroke-related brain diseases in rat models. The radiotracers used are 2-[\(^{18}\)F]fluoro-2-deoxyglucose ([\(^{18}\)F]FDG), a metabol\(^{68}\)Ga]Ga-Fucoidan, a target-selective radioligand specifically binding to p-selectin. After manual image import, the NU_DPA tool automatically creates an averaged PET template out of the acquired PET images, to which all PET images are then aligned onto. The added MRI template-based information, resized to the lower PET resolution, defines the VOI and also allows a precise subdivision of the VOI into individual sub-regions. The aligned PET images can then be evaluated semi-quantitatively for all regions defined in the MRI atlas. In addition, a statistical analysis and evaluation of the semi-quantitative parameters can then be performed in the NU_DPA tool.
ResultsUsing ischemic stroke data in Wistar rats as an example, the statistical analysis of the tool should be demonstrated. In this [\(^{18}\)F]FDG-PET experiment, three different experimental states were compared: healthy control state, ischemic stroke without electrical stimulation, ischemic stroke with electrical stimulation. Thereby, statistical data evaluation using the NU_DPA tool showed that the glucose metabolism in a photothrombotic lesion can be influenced by electrical stimulation.
ConclusionOur NU_DPA tool allows a very flexible data evaluation of small animal PET data in vivo including statistical data evaluation. Using the radiotracers [\(^{18}\)F]FDG and [\(^{68}\)Ga]Ga-Fucoidan, it was shown that the semi-automatic MRI-template based data analysis of the NU_DPA tool is potentially suitable for both metabolic radiotracers as well as target-selective radiotracers.
KW  - data analysis
KW  - Matlab
KW  - MRI
KW  - PET
KW  - positron emission tomography
KW  - preclinical imaging
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240289
SN  - 1662-5196
VL  - 15
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Eissler, Cristoph
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Arias-Loza, Paula
A1  - Nose, Naoko
A1  - Chen, Xinyu
A1  - Pomper, Martin G.
A1  - Rowe, Steven P.
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Buck, Andreas K.
A1  - Higuchi, Takahiro
T1  - The number of frames on ECG-gated \(^{18}\)F-FDG small animal PET has a significant impact on LV systolic and diastolic functional parameters
JF  - Molecular Imaging
N2  - Objectives. This study is aimed at investigating the impact of frame numbers in preclinical electrocardiogram- (ECG-) gated \(^{18}\)F-fluorodeoxyglucose (\(^{18}\)F-FDG) positron emission tomography (PET) on systolic and diastolic left ventricular (LV) parameters in rats. Methods. \(^{18}\)F-FDG PET imaging using a dedicated small animal PET system with list mode data acquisition and continuous ECG recording was performed in diabetic and control rats. The list-mode data was sorted and reconstructed with different numbers of frames (4, 8, 12, and 16) per cardiac cycle into tomographic images. Using an automatic ventricular edge detection software, left ventricular (LV) functional parameters, including ejection fraction (EF), end-diastolic (EDV), and end-systolic volume (ESV), were calculated. Diastolic variables (time to peak filling (TPF), first third mean filling rate (1/3 FR), and peak filling rate (PFR)) were also assessed. Results. Significant differences in multiple parameters were observed among the reconstructions with different frames per cardiac cycle. EDV significantly increased by numbers of frames (353.8 & PLUSMN; 57.7 mu l*, 380.8 & PLUSMN; 57.2 mu l*, 398.0 & PLUSMN; 63.1 mu l*, and 444.8 & PLUSMN; 75.3 mu l at 4, 8, 12, and 16 frames, respectively; *P < 0.0001 vs. 16 frames), while systolic (EF) and diastolic (TPF, 1/3 FR and PFR) parameters were not significantly different between 12 and 16 frames. In addition, significant differences between diabetic and control animals in 1/3 FR and PFR in 16 frames per cardiac cycle were observed (P < 0.005), but not for 4, 8, and 12 frames. Conclusions. Using ECG-gated PET in rats, measurements of cardiac function are significantly affected by the frames per cardiac cycle. Therefore, if you are going to compare those functional parameters, a consistent number of frames should be used.
KW  - Myocardial-perfusion SPECT
KW  - left-ventricular function
KW  - ejection fraction
KW  - MRI
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265778
VL  - 2021
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Radeloff, Katrin
A1  - Ramos Tirado, Mario
A1  - Haddad, Daniel
A1  - Breuer, Kathrin
A1  - Müller, Jana
A1  - Hochmuth, Sabine
A1  - Hackenberg, Stephan
A1  - Scherzad, Agmal
A1  - Kleinsasser, Norbert
A1  - Radeloff, Andreas
T1  - Superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) show genotoxic effects but no functional impact on human adipose tissue-derived stromal cells (ASCs)
JF  - Materials
N2  - Adipose tissue-derived stromal cells (ASCs) represent a capable source for cell-based therapeutic approaches. For monitoring a cell-based application in vivo, magnetic resonance imaging (MRI) of cells labeled with iron oxide particles is a common method. It is the aim of the present study to analyze potential DNA damage, cytotoxicity and impairment of functional properties of human (h)ASCs after labeling with citrate-coated very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs). Cytotoxic as well as genotoxic effects of the labeling procedure were measured in labeled and unlabeled hASCs using the MTT assay, comet assay and chromosomal aberration test. Trilineage differentiation was performed to evaluate an impairment of the differentiation potential due to the particles. Proliferation as well as migration capability were analyzed after the labeling procedure. Furthermore, the labeling of the hASCs was confirmed by Prussian blue staining, transmission electron microscopy (TEM) and high-resolution MRI. Below the concentration of 0.6 mM, which was used for the procedure, no evidence of genotoxic effects was found. At 0.6 mM, 1 mM as well as 1.5 mM, an increase in the number of chromosomal aberrations was determined. Cytotoxic effects were not observed at any concentration. Proliferation, migration capability and differentiation potential were also not affected by the procedure. Labeling with VSOPs is a useful labeling method for hASCs that does not affect their proliferation, migration and differentiation potential. Despite the absence of cytotoxicity, however, indications of genotoxic effects have been demonstrated.
KW  - ASCs
KW  - adipose tissue-derived stromal cells
KW  - VSOP
KW  - iron oxide nanoparticles
KW  - toxicity
KW  - MRI
KW  - cell labeling
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222970
SN  - 1996-1944
VL  - 14
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Taeger, Johannes
A1  - Müller-Graff, Franz-Tassilo
A1  - Lukas, Ilgen
A1  - Schendzielorz, Philipp
A1  - Hagen, Rudolf
A1  - Neun, Tilman
A1  - Rak, Kristen
T1  - Cochlear duct length measurements in computed tomography and magnetic resonance imaging using newly developed techniques
JF  - OTO Open
N2  - Objective
Growing interest in measuring the cochlear duct length (CDL) has emerged, since it can influence the selection of cochlear implant electrodes. Currently the measurements are performed with ionized radiation imaging. Only a few studies have explored CDL measurements in magnetic resonance imaging (MRI). Therefore, the presented study aims to fill this gap by estimating CDL in MRI and comparing it with multislice computed tomography (CT).

Study Design
Retrospective data analyses of 42 cochleae.

Setting
Tertiary care medical center.

Methods
Diameter (A value) and width (B value) of the cochlea were measured in HOROS software. The CDL and the 2-turn length were determined by the elliptic circular approximation (ECA). In addition, the CDL, the 2-turn length, and the angular length were determined via HOROS software by the multiplanar reconstruction (MPR) method.

Results
CDL values were significantly shorter in MRI by MPR (d = 1.38 mm, P < .001) but not by ECA. Similar 2-turn length measurements were significantly lower in MRI by MPR (d = 1.67 mm) and ECA (d = 1.19 mm, both P < .001). In contrast, angular length was significantly higher in MRI (d = 26.79°, P < .001). When the values were set in relation to the frequencies of the cochlea, no clinically relevant differences were estimated (58 Hz at 28-mm CDL).

Conclusion
In the presented study, CDL was investigated in CT and MRI by using different approaches. Since no clinically relevant differences were found, diagnostics with radiation may be omitted prior to cochlear implantation; thus, a concept of radiation-free cochlear implantation could be established.
KW  - CDL
KW  - cochlear implantation
KW  - temporal bone
KW  - CT
KW  - MRI
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-263922
VL  - 5
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Weng, Andreas M.
A1  - Köstler, Herbert
A1  - Bley, Thorsten A.
A1  - Ritter, Christian O.
T1  - Effect of short-term smoking & L-arginine on coronary endothelial function assessed by cardiac magnetic resonance cold pressor testing: a pilot study
JF  - BMC Cardiovascular Disorders
N2  - Background

The effect of smoking on coronary vasomotion has been investigated in the past with various imaging techniques in both short- and long-term smokers. Additionally, coronary vasomotion has been shown to be normalized in long-term smokers by L-Arginine acting as a substrate for NO synthase, revealing the coronary endothelium as the major site of abnormal vasomotor response. Aim of the prospective cohort study was to investigate coronary vasomotion of young healthy short-term smokers via magnetic resonance cold pressor test with and without the administration of L-Arginine and compare obtained results with the ones from nonsmokers.

Methods

Myocardial blood flow (MBF) was quantified with first-pass perfusion MRI on a 1.5 T scanner in healthy short-term smokers (N = 10, age: 25.0 ± 2.8 years, 5.0 ± 2.9 pack years) and nonsmokers (N = 10, age: 34.3 ± 13.6) both at rest and during cold pressor test (CPT). Smokers underwent an additional examination after administration of L-Arginine within a median of 7 days of the naïve examination.

Results

MBF at rest turned out to be 0.77 ± 0.30 (smokers with no L-Arginine; mean ± standard deviation), 0.66 ± 0.21 (smokers L-Arginine) and 0.84 ± 0.08 (nonsmokers). Values under CPT were 1.21 ± 0.42 (smokers no L-Arginine), 1.09 ± 0.35 (smokers L-Arginine) and 1.63 ± 0.33 (nonsmokers). In all groups, MBF was significantly increased under CPT compared to the corresponding rest examination (p < 0.05 in all cases). Additionally, MBF under CPT was significantly different between the smokers and the nonsmokers (p = 0.002). MBF at rest was significantly different between the smokers when L-Arginine was given and the nonsmokers (p = 0.035).

Conclusion

Short-term smokers showed a reduced response to cold both with and without the administration of L-Arginine. However, absolute MBF values under CPT were lower compared to nonsmokers independently of L-Arginine administration.
KW  - MRI
KW  - myocardial perfusion
KW  - cold pressor test
KW  - endothelium
KW  - L-arginine
KW  - smoking
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260559
VL  - 21
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Weng, Andreas M.
A1  - Heidenreich, Julius F.
A1  - Metz, Corona
A1  - Veldhoen, Simon
A1  - Bley, Thorsten A.
A1  - Wech, Tobias
T1  - Deep learning-based segmentation of the lung in MR-images acquired by a stack-of-spirals trajectory at ultra-short echo-times
JF  - BMC Medical Imaging
N2  - Background
Functional lung MRI techniques are usually associated with time-consuming post-processing, where manual lung segmentation represents the most cumbersome part. The aim of this study was to investigate whether deep learning-based segmentation of lung images which were scanned by a fast UTE sequence exploiting the stack-of-spirals trajectory can provide sufficiently good accuracy for the calculation of functional parameters.

Methods
In this study, lung images were acquired in 20 patients suffering from cystic fibrosis (CF) and 33 healthy volunteers, by a fast UTE sequence with a stack-of-spirals trajectory and a minimum echo-time of 0.05 ms. A convolutional neural network was then trained for semantic lung segmentation using 17,713 2D coronal slices, each paired with a label obtained from manual segmentation. Subsequently, the network was applied to 4920 independent 2D test images and results were compared to a manual segmentation using the Sørensen–Dice similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff distance (HD). Obtained lung volumes and fractional ventilation values calculated from both segmentations were compared using Pearson’s correlation coefficient and Bland Altman analysis.

To investigate generalizability to patients outside the CF collective, in particular to those exhibiting larger consolidations inside the lung, the network was additionally applied to UTE images from four patients with pneumonia and one with lung cancer.

Results
The overall DSC for lung tissue was 0.967 ± 0.076 (mean ± standard deviation) and HD was 4.1 ± 4.4 mm. Lung volumes derived from manual and deep learning based segmentations as well as values for fractional ventilation exhibited a high overall correlation (Pearson’s correlation coefficent = 0.99 and 1.00). For the additional cohort with unseen pathologies / consolidations, mean DSC was 0.930 ± 0.083, HD = 12.9 ± 16.2 mm and the mean difference in lung volume was 0.032 ± 0.048 L.

Conclusions
Deep learning-based image segmentation in stack-of-spirals based lung MRI allows for accurate estimation of lung volumes and fractional ventilation values and promises to replace the time-consuming step of manual image segmentation in the future.
KW  - MRI
KW  - lung
KW  - deep learning
KW  - image segmentation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260520
VL  - 21
ER  - 
TY  - THES
A1  - Salas Ramirez, Maikol
T1  - Methods to Improve Bone Marrow Dosimetry in Molecular Radiotherapy
T1  - Methoden zur Verbesserung der Knochenmarkdosimetrie in der molekularen Strahlentherapie
N2  - Bone marrow dosimetry is a topic of high interest in molecular radiotherapy. Predicting the level of hematological toxicity is one of the most important goals of nuclear medicine radiation dosimetry. To achieve this, it is necessary to quantify the absorbed dose to the active bone marrow, thus aiming at administering the most efficient therapy with a minimum level of adverse effects in the patient. The anatomical complexity of trabecular bone and bone marrow leads to the need of applying non-nuclear medicine imaging methods for determining the spatial distribution of soft tissue, adipose tissue, and bone in spongiosa.
Therefore, the two objectives of this dissertation are: i) to apply magnetic resonance imaging (MRI) for quantification of the fat volume fraction, and ii) to validate a method based on dual-energy quantitative computed tomography (DEQCT) for quantification of the trabecular bone volume fraction.
In a first step, an MRI sequence (two-point Dixon) for fat-water separation was validated in a 3 Tesla system by quantifying the fat volume fraction in a phantom and the lumbar vertebrae of volunteers and comparing with magnetic resonance spectroscopy (MRS). After successful validation, the fat volume fraction was retrospectively measured in the five lumbar vertebrae of 44 patient images acquired in the clinical routine. The two-point Dixon showed a good quantification of the fat volume fraction in the phantom experiment (-9.8% maximum relative error with respect to the nominal values). In the volunteers, a non-significant difference between MRI and MRS was found for the quantification of the fat volume fraction in volumes-of-interest with similar dimensions and position in both quantification methodologies (MRI and MRS). In the study with patient data, the marrow conversion (red → yellow marrow) was found to be age-dependent, and slower in males (0.3% per year) than in females (0.5% per year). Also, considerable variability of the fat volume fraction in patients of similar ages and the same gender was observed.
These results enable the use of two-point Dixon MRI in the quantification of the fat volume fraction in the bone marrow. Additionally, the constant marrow conversion during adulthood suggests that a patient-specific approach should replace the assumption of a constant cellularity volume fraction of 0.7 (reference man) (1,2) as proposed by the International Commission on Radiological Protection (ICRP).
In a second step, a quantification method based on DEQCT was validated in two CT systems: i) a clinical CT integrated into a SPECT/CT and ii) a dual-source computed tomography (DSCT) system. The method was applied in two phantoms: the first was used to validate the DEQCT method by the quantification of the hydroxyapatite volume fraction in three vials of 50 ml each and three different hydroxyapatite concentrations (100 mg/cm3, 200 mg/cm3, 300 mg/cm3). The second phantom was the European spine phantom (ESP), an anthropomorphic spine phantom. It was used to quantify the bone mineral content (BMC) on the whole vertebra and the hydroxyapatite volume fraction (VFHA) in the spongiosa region of each vertebra of the phantom. Lastly, the BMC of lumbar vertebrae 1 (LV1) and 2 (LV2) was measured in a patient using DEQCT and dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA). Furthermore, the hydroxyapatite volume fraction (VFHA) and the bone volume fraction (VFB) was calculated for both the whole vertebrae and the spongiosa region of LV1 and LV2.
The measured and nominal hydroxyapatite volume fraction in the vial phantom showed a good correlation (maximum relative error: 14.2%). The quantification of the BMC on the whole vertebra and the VFHA on the spongiosa region showed larger relative errors than in the validation phantom. The quantification of BMC on LV1 and LV2 showed relative errors between DEXA and DSCT equal to 7.6% (LV1) and -8.4% (LV2). Also, the values of the VFHA (mineral bone) were smaller than the VFB. This result is consistent with the bone composition (mineral bone plus organic material).
The DEQCT method enables the quantification of hydroxyapatite (mineral bone) and bone (mineral bone plus organic material) in a clinical setting. However, the method showed an overestimation of the quantified mineral bone volume fraction. This overestimation might be related to the lack of detailed information on the CT X-ray spectra and detector sensitivity. Also, the DEQCT method showed a dependency on the CT reconstruction kernel and the chemical description of the materials to be quantified.
Based on the results of this work, the feasibility for quantifying the fat volume fraction and the bone volume fraction in the spongiosa in a clinical setting has been demonstrated/proven. Furthermore, the differences in fat volume fraction in females and males, as well as the variability of the fat volume fraction in subjects of similar ages, questions the approximation of the cellularity volume fraction by only a single ICRP reference value in bone marrow dosimetry for molecular radiotherapy. Lastly, this study presents the first approach for non-invasive quantification of the bone volume fraction (mineral bone plus organic material) for improved bone marrow dosimetry.
N2  - Die Knochenmarkdosimetrie ist von großem Interesse für die Radionuklidtherapie. Die Vorhersage des Grades der hämatologischen Toxizität ist eines der wichtigsten Ziele der nuklearmedizinischen Dosimetrie. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es erforderlich, die Energiedosis des aktiven Knochenmarks zu quantifizieren, um dem Patienten so eine möglichst effiziente Therapie mit einem minimalen Maß an unerwünschten Nebenwirkungen verabreichen zu können. Die anatomische Komplexität von Knochentrabekel und Knochenmark macht es erforderlich, nicht-nuklearmedizinische bildgebende Verfahren anzuwenden, um die räumliche Verteilung von Weichgewebe, Fettgewebe und Knochen in der Spongiosa zu bestimmen.
Daher sind die zwei Ziele dieser Dissertation: i) die Anwendung der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Quantifizierung des Fettvolumenanteils und ii) die Validierung einer auf der quantitativen Dual-Energy Computertomographie (engl. Dual-energy quantitative computed tomography, DEQCT) basierenden Methode zur Quantifizierung des Knochentrabekelvolumenanteils.
In einem ersten Schritt wurde eine Zweipunkt-Dixon-Sequenz der MRT zur Fett-Wasser-Trennung in einem 3 Tesla-System validiert, indem der Fettvolumenanteil in einem Phantom und in den Lendenwirbeln von Probanden quantifiziert und mit mittels der Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ermittelten Werten verglichen wurde. Nach erfolgreicher Validierung wurde der Fettvolumenanteil retrospektiv an den fünf Lendenwirbeln von 44 in der im klinischen Routine aufgenommenen Patientendatensätzen gemessen. Die Zweipunkt-Dixon-Methode zeigte eine gute Quantifizierung des Fettvolumenanteils im Phantomexperiment (-9,8% maximaler relativer Fehler in Bezug auf die Nennwerte). Bei den Probanden wurde ein nicht signifikanter Unterschied zwischen MRT und MRS für die Quantifizierung des Fettvolumenanteils in einem Zielvolumen mit ähnlichen Dimensionen und ähnlicher Orientierung festgestellt. In der Patientenstudie wurde festgestellt, dass die Umwandlung des Knochenmarks (rotes Knochenmark → gelbes Knochenmark) altersabhängig und bei Männern (0,3% pro Jahr) langsamer als bei Frauen (0,5% pro Jahr) voranschreitet. Es wurde allerdings auch eine beträchtliche Variabilität des Fettvolumenanteils bei Patienten ähnlichen Alters und gleichen Geschlechts beobachtet.
Diese Ergebnisse ermöglichen die Verwendung der Zweipunkt-Dixon-MRT zur Quantifizierung des Fettvolumenanteils im Knochenmark. Darüber hinaus legt die konstante Umwandlung des Knochenmarks im Erwachsenenalter nahe, dass der von der Internationalen Strahlenschutzkommission (engl. International Commission on Radiological Protection, ICRP) vorgeschlagene konstante Zellvolumenanteil von 0,7 (Referenzwert für einen männlichen Erwachsenen) (1,2) durch einen patientenspezifischen Ansatz ersetzt werden sollte.
In einem zweiten Schritt wurde eine auf DEQCT basierende Quantifizierungsmethode in zwei CT-Systemen validiert: i) ein in ein SPECT/CT integriertes klinisches CT und ii) ein Dual-Source-Computertomographie-System (DSCT). Die Methode wurde an zwei Phantomen erprobt: Das erste diente zur Validierung der DEQCT-Methode, wobei der Hydroxylapatit-Volumenanteil in drei 50-Milliter-Phiolen mit drei verschiedenen Hydroxylapatit-Konzentrationen (100 mg/cm3, 200 mg/cm3, 300 mg/cm3) quantifiziert wurde. Das zweite Phantom war das European Spine Phantom (ESP), ein anthropomorphes Wirbelsäulenphantom. Es wurde verwendet, um den Knochenmineralgehalt (engl. Bone Mineral Content, BMC) des gesamten Wirbels und den Hydroxylapatit-Volumenanteil (VFHA) in der Spongiosa-Region jedes Phantomwirbels zu quantifizieren. Schließlich wurde der BMC der Lendenwirbel 1 (LV1) und 2 (LV2) bei einem Patienten unter Verwendung von DEQCT und Dual-Röntgen-Absorptiometrie (engl. dual-energy X-ray absorptiometry, DEXA) gemessen. Darüber hinaus wurden der Hydroxylapatit-Volumenanteil (VFHA) und der Knochenvolumenanteil (VFB) sowohl für die gesamten Wirbel als auch für die Spongiosa-Region von LV1 und LV2 berechnet.
Der gemessene und der nominelle Hydroxylapatit-Volumenanteil in den Phiolen zeigten eine gute Korrelation (maximaler relativer Fehler: 14,2%). Die Quantifizierung des BMC im gesamten Wirbel und des VFHA in der Spongiosa-Region zeigten größere relative Fehler als im Validierungsphantom: Die BMC-Quantifizierung für LV1 und LV2 ergaben relative Fehler zwischen DEXA und DSCT in Höhe von 7,6% (LV1) und -8,4% (LV2). Auch die Werte des VFHA (mineralischer Knochen) waren kleiner als die des VFB. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Knochenzusammensetzung (Knochenmineral plus organisches Material).
Die DEQCT-Methode ermöglicht die Quantifizierung von Hydroxylapatit (mineralischer Knochen) und Knochen (mineralischer Knochen plus organisches Material) in einem klinischen Umfeld. Die Methode zeigte jedoch eine Überschätzung des quantifizierten mineralischen Knochenvolumenanteils. Diese Überschätzung könnte mit dem Mangel an detaillierten Informationen über die CT-Röntgenspektren und die Detektorempfindlichkeit zusammenhängen. Auch die DEQCT-Methode zeigte eine Abhängigkeit vom verwendeten CT-Rekonstruktionsalgorithmus und der chemischen Beschreibung der zu quantifizierenden Materialien.
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Machbarkeit einer Quantifizierung des Fettvolumenteils und des Knochenvolumenteils in der Spongiosa in einem klinischen Kontext. Darüber hinaus geben die Unterschiede im Fettvolumenanteil von Frauen und Männern sowie die Variabilität des Fettvolumenanteils bei Individuen ähnlichen Alters Grund zur kritischen Auseinandersetzung mit der Näherung des Zellvolumenanteils durch nur einen einzelnen ICRP-Referenzwert in der Knochenmarkdosimetrie bei Radionuklidtherapien. Zusätzlich wird in dieser Arbeit der erste Ansatz für eine nicht-invasive Quantifizierung des Volumenanteils des Knochens (Knochenmineral plus organisches Material) für eine verbesserte Dosimetrie des Knochenmarks vorgestellt.
KW  - 2-point Dixon
KW  - MRI
KW  - DEQCT
KW  - Bone Quantification
KW  - Fat Quantification
KW  - Molecular Radiotherapy
KW  - Internal Dosimetry
KW  - Bone Marrow Dosimetry
KW  - Nuclar Medicine
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208503
ER  - 
TY  - THES
A1  - Raghuraman, Sairamesh
T1  - New RF coil arrays for Static and Dynamic Musculoskeletal Magnetic Resonance Imaging
T1  - Neue RF-Spulen für statische und dynamisch muskuloskelettale Magnetische Resonanz-Bildgebung
N2  - Magnetic Resonance Imaging at field strengths up to 3 T, has become a default diagnostic modality for a variety of disorders and injuries, due to multiple reasons ranging from its non-invasive nature to the possibility of obtaining high resolution images of internal organs and soft tissues. Despite tremendous advances, MR imaging of certain anatomical regions and applications present specific challenges to be overcome. One such application is MR Musculo-Skeletal Imaging. This work addresses a few difficult areas within MSK imaging from the hardware perspective, with coil solutions for dynamic imaging of knee and high field imaging of hand.  

Starting with a brief introduction to MR physics, different types of RF coils are introduced in chapter 1, followed by sections on design of birdcage coils, phased arrays and their characterization in chapter 2. Measurements, calculations and simulations, done during the course of this work, have been added to this chapter to give a quantitative feel of the concepts explained. 

Chapter 3 deals with the construction of a phased array receiver for dynamic imaging of knee of a large animal model, i.e. minipig, at 1.5 T. Starting with details on the various aspects of an application that need to be considered when an MR RF array is designed, the chapter details the complex geometry of the region of interest in a minipig and reasons that necessitate a high density array. The sizes of the individual elements that constitute the array have been arrived at by studying the ratio of unloaded to loaded Q factors and choosing a size that provides the best ratio but still maintains a uniform SNR throughout the movement of the knee. To have a minimum weight and to allow mechanical movement of the knee, the Preamplifiers were located in a separate box.  A movement device was constructed to achieve adjustable periodic movement of the knee of the anesthetized animal. The constructed array has been characterized for its SNR and compared with an existing product coil to show the improvement. The movement device was also characterized for its reproducibility. High resolution static images with anatomical details marked have been presented. The 1/g maps show the accelerations possible with the array. Snapshots of obtained dynamic images trace the cruciate ligaments through a cycle of movement of the animal's knee. 

The hardware combination of a high density phased array and a movement device designed for a minipig's knee was used as a 'reference' and extended in chapter 4 for a human knee. In principle the challenges are similar for dynamic imaging of a human knee with regards to optimization of the elements, the associated electronics and the construction of the movement device. The size of the elements were optimized considering the field penetration / sensitivity required for the internal tissues. They were distributed around the curvature of the knee keeping in mind the acceleration required for dynamic imaging and the direction of the movement. The constructed movement device allows a periodic motion of the lower half of the leg, with the knee placed within the coil, enabling visualization of the tissues inside, while the leg is in motion. Imaging has been performed using dynamic interleaved acquisition sequence where higher effective TR and flip angles are achieved due to a combination of interleaving and segmentation of the sequence. The movement device has been characterized for its reproducibility while the SNR distribution of the constructed RF array has been compared with that of a commercially available standard 8 channel array. The results show the improvement in SNR and acceleration with the constructed geometry. High resolution static images, dynamic snapshots and the 3D segmentation of the obtained images prove the usefulness of the complete package provided in the design, for performing dynamic imaging at a clinically relevant field strength. 

A simple study is performed in chapter 5 to understand the effects of changes in overlap for coil configurations with different loads and at different frequencies. The noise levels of individual channels and the correlation between them are plotted against subtle changes in overlap, at 64 and 123 MHz. SNR for every overlap setup is also measured and plotted. Results show that achieving critical overlap is crucial to obtain the best possible SNR in those coil setups where the load offered by the sample is low. 

Chapter 6 of the thesis work deals with coil design for high field imaging of hand and wrists at 7 T, with an aim to achieve ultra high resolution imaging. At this field strength due to the increase in dielectric effects and the resulting decrease in homogeneity, whole body transmit coils are impractical and this has led engineers to design local transmit coils, for specific anatomies. While transmit or transceive arrays are usually preferred, to mitigate SAR effects,  the spatial resolution obtained is limited. It is shown that a solution to this, with regards to hand imaging, can be a single volume transmit coil, along with high density receive arrays optimized for different regions of the hand. The use of a phased array for reception provides an increased SNR / penetration under high resolution. A volume transmit coil could pose issues in homogeneity at 7 T, but the specific anatomy of hand and wrist, with comparatively less water content, limits dielectric effects to have homogeneous B_1+ profile over the hand. To this effect, a bandpass birdcage and a 12 channel receive array are designed and characterized. Images of very high spatial resolution (0.16 x 0.16 x 0.16 mm3) with internal tissues marked are presented. In vivo 1/g maps show that an acceleration of up to 3 is possible and the EM simulation results presented show the uniform field along with SAR hotspots in the hand. To reduce the stress created due to the 'superman' position of imaging, provisions in the form of a holder and a hand rest have been designed and presented. Factors that contributed to the stability of the presented design are also listed, which would help future designs of receive arrays at high field strengths.

In conclusion, the coils and related hardware presented in this thesis address the following two aspects of MSK imaging: Dynamic imaging of knee and High resolution imaging of hand / wrist. The presented hardware addresses specific challenges and provides solutions. It is hoped that these designs are steps in the direction of improving the existing coils to get a better knowledge and understanding of MSK diseases such as Rheumatoid Arthritis and Osteoarthritis. The hardware can aid our study of ligament reconstruction and development. The high density array and transmit coil design for hand / wrist also demonstrates the benefits of the obtained SNR at 7 T while maintaining SAR within limits. This design is a contribution towards optimizing hardware at high field strength, to make it clinically acceptable and approved by regulatory bodies.
N2  - Die Magnetresonanztomographie mit Feldstärken bis zu 3 T ist zu einer Standard- Diag-nosemethode für eine Vielzahl von Erkrankungen und Verletzungen geworden. Das hat mehrere Gründe, angefangen von ihrer nicht-invasiven Natur bis hin zu ihrer Fähigkeit,hochaufgelöste Bilder von inneren Organen und Weichteilen zu erhalten. Trotz enormer Fortschritte stellt die MR-Bildgebung bestimmter anatomischer Regionen oder bei bestimmten Anwendungen und Fragestellungen eine besondere Herausforderung dar. Eine dieser Anwendungen ist die MR-Bildgebung am Muskuloskelettalen System (MSK). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einigen schwierigen Fragestellungen innerhalb der MSK-Bildgebung aus aus der Perspektive der Hardware-Entwicklung: mit Spulendesigns für die dynamische Bildgebung des Knies und mit MR-Bildgebung der Hand bei hohen Magentfeldern. Nach einer kurzen Einführung in die MR-Physik werden in Kapitel 1 dann verschiedene Typen von Hochfrequenz-Spulen (HF-Spulen) vorgestellt, gefolgt in Kapitel 2 mit Abhandlungen des Designs von Birdcage-Spulen, Phased Arrays und deren Charakterisierung. Außerdem enthält das Kapitel Messungen, Berechnungen und Simulationen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, um einen quantitativen Eindruck von den erläuterten Konzepten zu vermitteln. Kapitel 3 befasst sich mit dem Aufbau eines Phased-Array-Empfängers für die dynamische Bildgebung des Knies an einem großen Tiermodell (Minipig) bei 1,5 T. Es werden detailliert verschiedene Aspekte erläutert, die bei der Konstruktion eines RF-Arrays berücksichtigt werden müssen. Des Weiteren beschreibt das Kapitel die komplexe Geometrie des Zielbereichs am Knie des Minipigs und die Gründe für ein Array mitvielen Spulenelementen. ...
KW  - MRI
KW  - RF Coils
KW  - Dynamic Imaging
KW  - Magnetic Resonance Imaging
KW  - RF Coil arrays
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204165
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mendes Pereira, Lenon
T1  - Morphological and Functional Ultrashort Echo Time (UTE) Magnetic Resonance Imaging of the Human Lung
T1  - Morphologische und funktionelle Magnetresonanztomographie der menschlichen Lunge mit ultrakurzen Echozeiten (UTE)
N2  - In this thesis, a 3D Ultrashort echo time (3D-UTE) sequence was introduced in the Self-gated Non-Contrast-Enhanced Functional Lung Imaging (SENCEFUL) framework. The sequence was developed and implemented on a 3 Tesla MR scanner. The 3D-UTE technique consisted of a nonselective RF pulse followed by a koosh ball quasi-random sampling order of the k-space. Measurements in free-breathing and without contrast agent were performed in healthy subjects and a patient with lung cancer. 
A gating technique, using a combination of different coils with high signal correlation, was evaluated in-vivo and compared with a manual approach of coil selection. The gating signal offered an estimation of the breathing motion during measurement and was used as a reference to segment the acquired data into different breathing phases. 
Gradient delays and trajectory errors were corrected during post-processing using the Gradient Impulse Response Function. Iterative SENSE was then applied to determine the fully sampled data. 
In order to eliminate signal changes caused by motion, a 3D image registration was employed, and the results were compared to a 2D image registration method. 
 Ventilation was assessed in 3D and regionally quantified by monitoring the signal changes in the lung parenchyma. Finally, image quality and quantitative ventilation values were compared to the standard 2D-SENCEFUL technique.
3D-UTE, combined with an automatic gating technique and SENCEFUL MRI, offered ventilation maps with high spatial resolution and SNR. Compared to the 2D method, UTE-SENCEFUL greatly improved the clinical quality of the structural images and the visualization of the lung parenchyma. 
Through‐plane motion, partial volume effects and ventilation artifacts were also reduced with a three-dimensional method for image registration. 
UTE-SENCEFUL was also able to quantify regional ventilation and presented similar results to previous studies.
N2  - In dieser Arbeit wurde eine 3D-UTE (ultrashort echo time) Sequenz mit SENCEFUL-MRI kombiniert. Die Sequenz wurde für einen 3 T MR-Scanner entwickelt und implementiert. Die 3D-UTE-Technik bestand aus einem nichtselektiven HF- Impuls, gefolgt von einer quasi-zufälligen Abtastung des k-Raums. Messungen in freier Atmung und ohne Kontrastmittel wurden bei gesunden Probanden und einem Patienten mit Lungenkrebs durchgeführt.
Zur Zuordnung der Daten zu verschiedene Atemphasen wurde eine Technik verwendet, die verschiedene Spulen mit hoher Signalkorrelation kombiniert. Die Ergebnisse wurden in einer in-vivo Messung bewertet und mit einem manuellen Ansatz der Spulenselektion verglichen.
Die Technik ermöglichte eine Visualisierung der Atembewegung und wurde als Referenz verwendet, um die erfassten Daten in mehrere Atemphasen zu segmentieren. Gradientenverzögerungen und Trajektorienfehler wurden mit der "Gradient Impulse Response Function - GIRF" korrigiert. Bei der Bildrekonstruktion kam Iteratives SENSE zum Einsatz.
Eine 3D-Bildregistrierung erlaubte es, Signaländerungen durch Bewegung zu eliminieren. Es erfolgte ein Vergleich der Ergebnisse mit einem 2D- Bildregistrierungsverfahren.
Die Lungenventilation wurde in 3D gemessen und anhand der Signaländerungen im Lungenparenchym quantifiziert. Schließlich, wurden die Werte für die Bildqualität und Lungenventilation mit der Standard-2D-SENCEFUL-Technik verglichen.
Die 3D-UTE-Sequenz in Kombination mit einer automatischen Gating-Technik und SENCEFUL-MRI, ermöglichte die Akquise von Ventilationskarten mit hoher räumlicher Auflösung und SNR. Im Vergleich zur 2D-Methode, verbesserte UTE- SENCEFUL die klinische Qualität der Morphologischen Bilder.
Bewegung, Partialvolumeneffekte und Ventilationsartefakte wurden ebenfalls mit einer dreidimensionalen Methode zur Bildregistrierung reduziert.
 
Insgesamt konnten mit der 3D-UTE Technik die Ergebnisse vorangegangener Studien reproduziert und die Bildqualität verbessert werden.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Lunge
KW  - MRI
KW  - Ultrashort echo time - UTE
KW  - Magnetic Resonance Imaging
KW  - Lung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-183176
ER  - 
TY  - THES
A1  - Slawig, Anne
T1  - Reconstruction methods for the frequency-modulated balanced steady-state free precession MRI-sequence
T1  - Rekonstruktionsmethoden für die frequenz-modulierte balanced steady-state free precession MRT-Sequenz
N2  - This work considered the frequency-modulated balanced steady-state free precession (fm-bSSFP) sequence as a tool to provide banding free bSSFP MR images. The sequence was implemented and successfully applied to suppress bandings in various in vitro and in vivo examples. In combination with a radial trajectory it is a promising alternative for standard bSSFP applications. First, two specialized applications were shown to establish the benefits of the acquisition strategy in itself. In real time cardiac imaging, it was shown that the continuous shift in frequency causes a movement of the bandings across the FOV. Thus, no anatomical region is constantly impaired, and a suitable timeframe can be found to examine all important structures. Furthermore, a combination of images with different artifact positions, similar to phase-cycled acquisitions is possible. In this way, fast, banding-free imaging of the moving heart was realized. Second, acquisitions with long TR were shown. While standard bSSFP suffers from increasing incidence of bandings with higher TR values, the frequency-modulated approach provided banding free images, regardless of the TR.
A huge disadvantage of fm-bSSFP, in combination with the radial trajectory, is the decrease in signal intensity. In this work a specialized reconstruction method, the multifrequency reconstruction for frequency-modulated bSSFP (Muffm), was established, which successfully compensated that phenomena. The application of Muffm to several anatomical sites, such as inner ear, legs and cardiac acquisitions, proofed the advantageous SNR of the reconstruction.
Furthermore, fm-bSSFP was applied to the clinically highly relevant task of water-fat separation. Former approaches of a phase-sensitive separation procedure in combination with standard bSSFP showed promising results but failed in cases of high inhomogeneity or high field strengths where banding artifacts become a major issue. The novel approach of using the fm-bSSFP acquisition strategy with the separation approach provided robust, reliable images of high quality. Again, losses in signal intensity could be regained by Muffm, as both approaches are completely compatible. 
Opposed to conventional banding suppression techniques, like frequency-scouts or phase-cycling, all reconstruction methods established in this work rely on a single radial acquisition, with scan times similar to standard bSSFP scans. No prolonged measurement times occur and patient time in the scanner is kept as short as possible, improving patient comfort, susceptibility to motion or physiological noise and cost of one scan.
All in all, the frequency-modulated acquisition in combination with specializes reconstruction methods, leads to a completely new quality of images with short acquisition times.
N2  - In dieser Arbeit wird eine Modifikation der balanced steady-state free precession (bSSFP) Sequenz betrachtet. Die frequenzmodulierte bSSFP-Sequenz (fm-bSSFP) kann die sonst typischen Band-Artefakte in bSSFP-MR-Bildern verhindern. Die Sequenz wurde im Rahmen der Arbeit am MR-Scanner implementiert und erfolgreich in verschiedenen in-vitro- und in-vivo-Beispielen angewendet. In Kombination mit einer radialen Trajektorie erwies es sich als eine vielversprechende Alternative für alle Standard-bSSFP Anwendungen. 
Zuerst wurden zwei spezialisierte Anwendungen gezeigt, um die Vorteile der Akquisitionsstrategie an sich darzustellen. Am Beispiel der Echtzeit-Herzbildgebung konnte mit Hilfe der kontinuierlichen Frequenzverschiebung eine Bewegung der Bänder über das FOV erzeugt werden. Somit wird keine anatomische Region ständig von Artefakten überlagert und für jeden Bereich kann ein geeigneter Zeitrahmen gefunden werden, um die wichtigen Strukturen darzustellen und zu untersuchen. Darüber hinaus ist eine Kombination von Bildern mit verschiedenen Artefaktpositionen möglich, ähnlich zu mehreren Aufnahmen mit verschiedenen Phasenzyklen. Auf diese Weise wurde eine schnelle Bildgebung des sich bewegenden Herzens ohne Bandartefakte realisiert. 
Zusätzlich wurden Aufnahmen mit langen Repetitionszeiten (TR) untersucht. Während in der Standard-bSSFP die Häufigkeit von Bandartefakten mit steigendem TR-Wert zunimmt, lieferte der frequenzmodulierte Ansatz Banding-freie Bilder unabhängig vom TR.
Ein großer Nachteil von fm-bSSFP in Kombination mit der radialen Trajektorie ist der Verlust von Signalintensität bei der Rekonstruktion. In dieser Arbeit wurde eine spezielle Rekonstruktionsmethode namens Muffm (mulitfrequency reconstruction for frequency-modulated bSSFP) etabliert, die diesen Verlust erfolgreich kompensieren kann. Die Anwendung von Muffm an verschiedenen anatomischen Strukturen, wie Innenohr, Bein und Herzaufnahmen, bestätigte das vorteilhafte Signal-zu-Rausch-Verhältnis, dass durch die spezielle Rekonstruktion gewonnen werden kann.
Darüber hinaus wurde die fm-bSSFP auf die klinisch interessante Wasser-Fett-Trennung angewandt. Frühere Ansätze eines phasenempfindlichen Trennverfahrens in Kombination mit Standard-bSSFP zeigten vielversprechende Ergebnisse, scheiterten jedoch in Fällen hoher Inhomogenität oder hoher Feldstärken an den auftretenden Bandartefakten. Der neue Ansatz, diesen Separationsalgorithmus mit der fm-bSSFP-Akquisitionsstrategie zu verbinden, lieferte robuste, zuverlässige Bilder von hoher Qualität. Auch hier konnten entstehende Verluste in der Signalintensität durch Muffm zurückgewonnen werden, da beide Ansätze vollständig kompatibel sind.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bandunterdrückungstechniken, wie Frequenz-Scouts oder die Aufnahme mehrerer Bilder mit verschiedenen Phasenzyklen, beruhen alle in dieser Arbeit etablierten Rekonstruktionsverfahren auf einer einzigen radialen Aufnahme. Die Messzeiten sind daher identisch zur Aufnahme einer Standard-bSSFP Messung. Das Verfahren ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Aufenthaltsdauer im Scanner bei einer gleichzeitigen Garantie ein artefaktfreies Bild zu erhalten. Damit ist es insbesondere für Patienten von Vorteil, die unter Platzangst oder sonstigen Beschwerden leiden, die ein langes Stillliegen erschweren. Außerdem werden Bewegungsartefakte, physiologisches Rauschen und nicht zuletzt die Kosten eines Scans minimiert.
Insgesamt bietet die frequenzmodulierte bSSFP Aufnahme in Kombination mit spezialisierten Rekonstruktionsverfahren neue Möglichkeiten zur schnellen Aufnahme von Bildern ohne Bandartefakte.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Magnetic resonance imaging
KW  - MRI
KW  - MRT
KW  - bSSFP
KW  - Rekonstruktion
KW  - reconstruction
KW  - frequency modulation
KW  - water fat separation
KW  - Wasser Fett Trennung
KW  - balanced steady state free precession
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162871
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gilbert, F.
A1  - Meffert, R. H.
A1  - Schmalzl, J.
A1  - Weng, A. M.
A1  - Köstler, H.
A1  - Eden, L.
T1  - Grade of retraction and tendon thickness correlates with MR-spectroscopically measured amount of fatty degeneration in full thickness supraspinatus tears
JF  - BMC Musculoskeletal Disorders
N2  - Background:
The amount of fatty degeneration (FD) has major impact on the clinical result and cuff integrity after rotator cuff repair. A quantitative analysis with magnet resonance imaging (MRI) spectroscopy was employed to analyze possible correlation of FD with tendon retraction, tendon thickness and patients’ characteristics in full thickness supraspinatus tears.

Methods:
Forty-two patients with full-thickness supraspinatus tears underwent shoulder MRI including an experimental spectroscopic sequence allowing quantification of the fat fraction in the supraspinatus muscle belly. The amount of fatty degeneration was correlated with tendon retraction, tendon thickness, patients’ age, gender, smoker status, symptom duration and body mass index (BMI). Patients were divided in to three groups of retraction (A) 0-10 mm (n=), (B) 11-20 mm (n=) and (C) < 21 mm (n=) and the means of FD for each group were calculated.

Results:
Tendon retraction (R = 0.6) and symptom duration (R = 0.6) correlated positively, whereas tendon thickness correlated negatively (R = − 0.6) with the amount of FD. The fat fraction increased significantly with tendon retraction: Group (A) showed a mean fat mount of 3.7% (±4%), group (B) of 16.7% (±8.2%) and group (C) of 37.5% (±19%). BMI, age and smoker-status only showed weak to moderate correlation with the amount of FD in this cohort.

Conclusion:
MRI spectroscopy revealed significantly higher amount of fat with increasing grade of retraction, symptom duration and decreased tendon thickness. Thus, these parameters may indirectly be associated with the severity of tendon disease.
KW  - rotator cuff
KW  - MRI
KW  - spectroscopy
KW  - muscle degeneration
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176116
VL  - 19
IS  - 197
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kazuhino, Koshino
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Toriumi, Fuijo
A1  - Javadi, Mehrbod S.
A1  - Pomper, Martin G.
A1  - Solnes, Lilja B.
A1  - Verde, Franco
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Rowe, Steven P.
T1  - Generative Adversarial Networks for the Creation of Realistic Artificial Brain Magnetic Resonance Images
JF  - Tomography
N2  - Even as medical data sets become more publicly accessible, most are restricted to specific medical conditions. Thus, data collection for machine learning approaches remains challenging, and synthetic data augmentation, such as generative adversarial networks (GAN), may overcome this hurdle. In the present quality control study, deep convolutional GAN (DCGAN)-based human brain magnetic resonance (MR) images were validated by blinded radiologists. In total, 96 T1-weighted brain images from 30 healthy individuals and 33 patients with cerebrovascular accident were included. A training data set was generated from the T1-weighted images and DCGAN was applied to generate additional artificial brain images. The likelihood that images were DCGAN-created versus acquired was evaluated by 5 radiologists (2 neuroradiologists [NRs], vs 3 non-neuroradiologists [NNRs]) in a binary fashion to identify real vs created images. Images were selected randomly from the data set (variation of created images, 40%-60%). None of the investigated images was rated as unknown. Of the created images, the NRs rated 45% and 71% as real magnetic resonance imaging images (NNRs, 24%, 40%, and 44%). In contradistinction, 44% and 70% of the real images were rated as generated images by NRs (NNRs, 10%, 17%, and 27%). The accuracy for the NRs was 0.55 and 0.30 (NNRs, 0.83, 0.72, and 0.64). DCGAN-created brain MR images are similar enough to acquired MR images so as to be indistinguishable in some cases. Such an artificial intelligence algorithm may contribute to synthetic data augmentation for "data-hungry" technologies, such as supervised machine learning approaches, in various clinical applications.
KW  - AI
KW  - Magnetresonanztomografie
KW  - artificial intelligence
KW  - magnetic resonance imaging
KW  - MRI
KW  - DCGAN
KW  - GAN
KW  - stroke
KW  - machine learning
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172185
VL  - 4
IS  - 4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Carinci, Flavio
T1  - Quantitative Characterization of Lung Tissue Using Proton MRI
T1  - Quantitative Charakterisierung des Lungengewebes mithilfe von Proton-MRT
N2  - The focus of the work concerned the development of a series of MRI techniques that were specifically designed and optimized to obtain quantitative and spatially resolved information about characteristic parameters of the lung. Three image acquisition techniques were developed. Each of them allows to quantify a different parameter of relevant diagnostic interest for the lung, as further described below:
1) The blood volume fraction, which represents the amount of lung water in the intravascular compartment expressed as a fraction of the total lung water. This parameter is related to lung perfusion.
2) The magnetization relaxation time T\(_2\) und T� *\(_2\)
, which represents the component of T\(_2\) associated with the diffusion of water molecules through the internal magnetic field gradients of the lung. Because the amplitude of these internal gradients is related to the alveolar size, T\(_2\) und T� *\(_2\) can be used to obtain information about the microstructure of the lung.
3) The broadening of the NMR spectral line of the lung. This parameter depends on lung inflation and on the concentration of oxygen in the alveoli. For this reason, the spectral line broadening can be regarded as a fingerprint for lung inflation; furthermore, in combination with oxygen enhancement, it provides a measure for lung ventilation.
N2  - Die Magnetresonanztomographie (MRT) stellt ein einzigartiges Verfahren im Bereich der
diagnostischen Bildgebung dar, da sie es ermöglicht, eine Vielzahl an diagnostischen Informationen
ohne die Verwendung von ionisierenden Strahlen zu erhalten. Die Anwendung
von MRT in der Lunge erlaubt es, räumlich aufgelöste Bildinformationen über Morphologie,
Funktionalität sowie über die Mikrostruktur des Lungengewebes zu erhalten und
diese miteinander zu kombinieren. Für die Diagnose und Charakterisierung von Lungenkrankheiten
sind diese Informationen von höchstem Interesse. Die Lungenbildgebung
stellt jedoch einen herausfordernden Bereich der MRT dar. Dies liegt in der niedrigen
Protondichte des Lungenparenchyms begründet sowie in den relativ kurzen Transversal-
Relaxationszeiten T\(_2\) und T� *\(_2\)
, die sowohl die Bildau� ösung als auch das Signal-zu-Rausch
Verhältnis beeinträchtigen. Des Weiteren benötigen die vielfältigen Ursachen von physiologischer
Bewegung, welche die Atmung, den Herzschlag und den Blut� uss in den Lungengefasen umfassen, die Anwendung von schnellen sowie relativ bewegungsunemp� ndlichen
Aufnahmeverfahren, um Risiken von Bildartefakten zu verringern. Aus diesen Gründen
werden Computertomographie (CT) und Nuklearmedizin nach wie vor als Goldstandardverfahren
gehandhabt, um räumlich aufgelöste Bildinformationen sowohl über die Morphologie
als auch die Funktionalität der Lunge zu erhalten. Dennoch stellt die Lungen-
MRT aufgrund ihrer Flexibilität sowohl eine vielversprechende Alternative zu den anderen
Bildgebungsverfahren als auch eine mögliche Quelle zusätzlicher diagnostischer Informationen
dar. ...
KW  - Lung
KW  - MRI
KW  - Kernspintomografie
KW  - Lunge
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151189
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gotschy, Alexander
A1  - Bauer, Wolfgang R.
A1  - Winter, Patrick
A1  - Nordbeck, Peter
A1  - Rommel, Eberhard
A1  - Jakob, Peter M.
A1  - Herold, Volker
T1  - Local versus global aortic pulse wave velocity in early atherosclerosis: An animal study in ApoE\(^{-/-}\) mice using ultrahigh field MRI
JF  - PLoS ONE
N2  - Increased aortic stiffness is known to be associated with atherosclerosis and has a predictive value for cardiovascular events. This study aims to investigate the local distribution of early arterial stiffening due to initial atherosclerotic lesions. Therefore, global and local pulse wave velocity (PWV) were measured in ApoE\(^{-/-}\) and wild type (WT) mice using ultrahigh field MRI. For quantification of global aortic stiffness, a new multi-point transit-time (TT) method was implemented and validated to determine the global PWV in the murine aorta. Local aortic stiffness was measured by assessing the local PWV in the upper abdominal aorta, using the flow/area (QA) method. Significant differences between age matched ApoE\(^{-/-}\) and WT mice were determined for global and local PWV measurements (global PWV: ApoE\(^{-/-}\): 2.7 ±0.2m/s vs WT: 2.1±0.2m/s, P<0.03; local PWV: ApoE\(^{-/-}\): 2.9±0.2m/s vs WT: 2.2±0.2m/s, P<0.03). Within the WT mouse group, the global PWV correlated well with the local PWV in the upper abdominal aorta (R\(^2\) = 0.75, P<0.01), implying a widely uniform arterial elasticity.
In ApoE\(^{-/-}\) animals, however, no significant correlation between individual local and global PWV was present (R\(^2\) = 0.07, P = 0.53), implying a heterogeneous distribution of vascular stiffening in early atherosclerosis. The assessment of global PWV using the new multi-point TT measurement technique was validated against a pressure wire measurement in a vessel
phantom and showed excellent agreement. The experimental results demonstrate that vascular stiffening caused by early atherosclerosis is unequally distributed over the length of large vessels. This finding implies that assessing heterogeneity of arterial stiffness by multiple local measurements of PWV might be more sensitive than global PWV to identify early atherosclerotic lesions.
KW  - MRI
KW  - Atherosclerosis
KW  - Aorta
KW  - Stiffness
KW  - Measurement
KW  - Time measurement
KW  - Magnetic resonance imaging
KW  - Mouse models
KW  - Systole
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171824
VL  - 12
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hofmann, Ulf Krister
A1  - Keller, Ramona Luise
A1  - Walter, Christian
A1  - Mittag, Falk
T1  - Predictability of the effects of facet joint infiltration in the degenerate lumbar spine when assessing MRI scans
JF  - Journal of Orthopaedic Surgery and Research
N2  - Background
Imaging results are frequently considered as hallmarks of disease by spine surgeons to plan their future treatment strategy. Numerous classification systems have been proposed to quantify or grade lumbar magnetic resonance imaging (MRI) scans and thus objectify imaging findings. The clinical impact of the measured parameters remains, however, unclear. To evaluate the pathological significance of imaging findings in patients with multisegmental degenerative findings, clinicians can perform image-guided local infiltrations to target defined areas such as the facet joints.

The aim of the present retrospective study was to evaluate the correlation of MRI facet joint degeneration and spinal stenosis measurements with improvement obtained by image-guided intraarticular facet joint infiltration.

Methods
Fifty MRI scans of patients with chronic lumbar back pain were graded radiologically using a wide range of classification and measurement systems. The reported effect of facet joint injections at the site was recorded, and a comparative analysis performed.

Results
When we allocated patients according to their reported pain relief, 27 showed no improvement (0–30%), 16 reported good improvement (31–75%) and 7 reported excellent improvement (> 75%). MRI features assessed in this study did, however, not show any relevant correlation with reported pain after facet joint infiltration: Values for Kendall’s tau ranged from \(\tau\) = − 0.190 for neuroforaminal stenosis grading as suggested by Lee, to \(\tau\) = 0.133 for posterior disc height as proposed by Hasegawa.

Conclusion
Despite the trend in evidence-based medicine to provide medical algorithms, our findings underline the continuing need for individualised spine care that, along with imaging techniques or targeted infiltrations, includes diagnostic dimensions such as good patient history and clinical examination to formulate a diagnosis.

Trial registration
ClinicalTrials.gov, NCT03308149, retrospectively registered October 2017
KW  - medicine
KW  - lumbar spinal stenosis
KW  - lumbar degenerative disease
KW  - MRI
KW  - facet joint degeneration
KW  - facet joint injection
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173027
VL  - 12
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gilbert, Fabian
A1  - Klein, Detlef
A1  - Weng, Andreas Max
A1  - Köstler, Herbert
A1  - Schmitz, Benedikt
A1  - Schmalzl, Jonas
A1  - Böhm, Dirk
T1  - Supraspinatus muscle elasticity measured with real time shear wave ultrasound elastography correlates with MRI spectroscopic measured amount of fatty degeneration
JF  - BMC Muscoskeletal Disorders
N2  - Background:
Fatty Degeneration (FD) of the rotator cuff muscles influences functional and anatomical outcome after rotator cuff repair. The MRI based estimation of fatty degeneration is the gold standard. There is some evidence that Ultrasound elastography (EUS) can detect local differences of tissue stiffness in muscles and tendons. Shear-wave elastography (SWE) was evaluated to determine the extent to which shear wave velocity was associated with measures of fatty degeneration. MRI-spectroscopic fat measurement was used as a reference to quantify the amount of fat in the muscle belly.

Methods:
Forty-two patients underwent SWE of the supraspinatus muscles at its thickest diameter. After ultrasound evaluation an MRI-spectroscopic fat measurement of the supraspinatus muscle was performed using the SPLASH-technique. A gel filled capsule was used to locate the measured area in the MRI. The values of shear wave velocity (SWV) measured with SWE and spectroscopic fat measurement were correlated statistically using Pearson’s correlation test.

Results:
Correlation of the fat amount measured with MRI-spectroscopy and the SWV measured with SWE was ρ =0.82. Spectroscopic measured fat ratio of the supraspinatus muscle ranged from 0% to 77.41% and SWV from 1.59 m/s to 5.32 m/s. In 4 patients no sufficient SWE could be performed, these individuals showed a larger diameter of the overlying soft tissue. SWV measured with SWE showed a good correlation with MRI spectroscopic fat amount of the supraspinatus muscle.

Conclusion:
These preliminary data suggest that SWE may be a sufficient tool in detecting and estimating the amount of fatty degeneration in the supraspinatus muscle in real time. Large overlying soft tissue may be a limitation in performing sufficient EUS.
KW  - shoulder surgery
KW  - rotator cuff
KW  - MRI
KW  - ultrasound
KW  - fatty degeneration
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159378
VL  - 18
IS  - 549
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Isaias, Ioannis U.
A1  - Trujillo, Paula
A1  - Summers, Paul
A1  - Marotta, Giorgio
A1  - Mainardi, Luca
A1  - Pezzoli, Gianni
A1  - Zecca, Luigi
A1  - Costa, Antonella
T1  - Neuromelanin Imaging and Dopaminergic Loss in Parkinson's Disease
JF  - Frontiers in Aging Neuroscience
N2  - Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder in which the major pathologic substrate is a loss of dopaminergic neurons from the substantia nigra. Our main objective was to determine the correspondence between changes in the substantia nigra, evident in neuromelanin and iron sensitive magnetic resonance imaging (MRI), and dopaminergic striatal innervation loss in patients with PD. Eighteen patients and 18 healthy control subjects were included in the study. Using neuromelanin-MRI, we measured the volume of the substantia nigra and the contrast-to-noise-ratio between substantia nigra and a background region. The apparent transverse relaxation rate and magnetic susceptibility of the substantia nigra were calculated from dual-echo MRI. Striatal dopaminergic innervation was measured as density of dopamine transporter (DAT) by means of single-photon emission computed tomography and [123I] N-ω-fluoropropyl-2b-carbomethoxy-3b-(4-iodophenyl) tropane. Patients showed a reduced volume of the substantia nigra and contrast-to-noise-ratio and both positively correlated with the corresponding striatal DAT density. The apparent transverse relaxation rate and magnetic susceptibility values of the substantia nigra did not differ between patients and healthy controls. The best predictor of DAT reduction was the volume of the substantia nigra. Clinical and imaging correlations were also investigated for the locus coeruleus. Our results suggest that neuromelanin-MRI can be used for quantifying substantia nigra pathology in PD where it closely correlates with dopaminergic striatal innervation loss. Longitudinal studies should further explore the role of Neuromelanin-MRI as an imaging biomarker of PD, especially for subjects at risk of developing the disease.
KW  - MRI
KW  - neuromelanin
KW  - dopamine
KW  - Parkinson's disease
KW  - FP-CIT SPECT
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164046
VL  - 8
IS  - 196
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gilbert, Fabian
A1  - Böhm, Dirk
A1  - Eden, Lars
A1  - Schmalzl, Jonas
A1  - Meffert, Rainer H.
A1  - Köstler, Herbert
A1  - Weng, Andreas M.
A1  - Ziegler, Dirk
T1  - Comparing the MRI-based Goutallier Classification to an experimental quantitative MR spectroscopic fat measurement of the supraspinatus muscle
JF  - BMC Musculoskeletal Disorders
N2  - Background

The Goutallier Classification is a semi quantitative classification system to determine the amount of fatty degeneration in rotator cuff muscles. Although initially proposed for axial computer tomography scans it is currently applied to magnet-resonance-imaging-scans. The role for its clinical use is controversial, as the reliability of the classification has been shown to be inconsistent. The purpose of this study was to compare the semi quantitative MRI-based Goutallier Classification applied by 5 different raters to experimental MR spectroscopic quantitative fat measurement in order to determine the correlation between this classification system and the true extent of fatty degeneration shown by spectroscopy.

Methods

MRI-scans of 42 patients with rotator cuff tears were examined by 5 shoulder surgeons and were graduated according to the MRI-based Goutallier Classification proposed by Fuchs et al. Additionally the fat/water ratio was measured with MR spectroscopy using the experimental SPLASH technique. The semi quantitative grading according to the Goutallier Classification was statistically correlated with the quantitative measured fat/water ratio using Spearman’s rank correlation.

Results

Statistical analysis of the data revealed only fair correlation of the Goutallier Classification system and the quantitative fat/water ratio with R = 0.35 (p < 0.05). By dichotomizing the scale the correlation was 0.72. The interobserver and intraobserver reliabilities were substantial with R = 0.62 and R = 0.74 (p < 0.01).

Conclusion

The correlation between the semi quantitative MRI based Goutallier Classification system and MR spectroscopic fat measurement is weak. As an adequate estimation of fatty degeneration based on standard MRI may not be possible, quantitative methods need to be considered in order to increase diagnostic safety and thus provide patients with ideal care in regard to the amount of fatty degeneration. Spectroscopic MR measurement may increase the accuracy of the Goutallier classification and thus improve the prediction of clinical results after rotator cuff repair. However, these techniques are currently only available in an experimental setting.
KW  - rotator cuff
KW  - MRI
KW  - spectroscopy
KW  - goutallier
KW  - classification
KW  - shoulder surgery
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147788
VL  - 17
IS  - 355
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Munz, Eberhard
A1  - Jakob, Peter M.
A1  - Borisjuk, Ljudmilla
T1  - The potential of nuclear magnetic resonance to track lipids in planta
JF  - Biochimie
N2  - Nuclear Magnetic Resonance (NMR) provides a highly flexible platform for non invasive analysis and imaging biological samples, since the manipulation of nuclear spin allows the tailoring of experiments to maximize the informativeness of the data. MRI is capable of visualizing a holistic picture of the lipid storage in living plant/seed. This review has sought to explain how the technology can be used to acquire functional and physiological data from plant samples, and how to exploit it to characterize lipid deposition in vivo. At the same time, we have referred to the current limitations of NMR technology as applied to plants, and in particular of the difficulty of transferring methodologies optimized for animal/medical subjects to plant ones. A forward look into likely developments in the field is included, anticipating its key future role in the study of living plant.
KW  - coconut cocos-nucifera
KW  - H-1-NMR spectroscopy
KW  - NMR-spectroscopy
KW  - camelina-sativa
KW  - high-throughput
KW  - oil storage
KW  - seeds
KW  - accumulation
KW  - field
KW  - metabolism
KW  - NMR
KW  - Lipid
KW  - MRI
KW  - CSI
KW  - Plants
KW  - Seeds
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-186828
VL  - 130
ER  - 
TY  - THES
A1  - Panjwani, Priyadarshini
T1  - Induction, Imaging, Histo-morphological and Molecular Characterization of Myocarditis in the Rat to Explore Novel Diagnostic Strategies for the Detection of Myocardial Inflammation
T1  - Induktion, Bildgebung und, Histo-morphologische sowie Molekulare Charakterisierung der Myokarditis im Rattenmodell zur Entwicklung neuer diagnostischer Strategien zum Nachweis von Herzmuskelentzündungen
N2  - Fulminant myocarditis is rare but a potentially life-threatening disease. Acute or mild myocarditis following acute ischemia is generally associated with a profound activation of the host’s immune system. On one hand this is mandatory to protect the host’s heart by fighting the invading agents (i.e., bacteria, viruses or other microbial agents) and/or to induce healing and repair processes in the damaged myocardium. On other hand, uncontrolled activation of the immune system may result in the generation of auto-reactive (not always beneficial) immune cells. 
Myocarditis or inflammatory cardiomyopathy is characterized by focal or diffuse infiltrates, myocyte necrosis and/or apoptosis and subsequent fibrotic replacement of the heart muscle. In humans, about 30% of the myocarditis-patients develop dilated cardiomyopathy. As the clinical picture of myocarditis is multifaceted, it is difficult to diagnose the disease. Therefore, the main goal of the present work was to test and further develop novel non-invasive methods for the detection of myocardial inflammation by employing both contrast enhanced MRI techniques as well as novel nuclear tracers that are suitable for  in vivo PET/ SPECT imaging.
As a part of this thesis, a pre-clinical animal model was successfully established by immunizing female Lewis rats with whole-porcine cardiac myosin (CM). Induction of Experimental Autoimmune Myocarditis (EAM) is considered successful when anti-myosin antibody titers are increased more than 100-fold over control animals and pericardial effusion develops. In addition, cardiac tissues from EAM-rats versus controls were analyzed for the expression of various pro-inflammatory and fibrosis markers. To further exploit non-invasive MRI techniques for the detection of myocarditis, our EAM-rats were injected either with (1) ultra-small Paramagnetic iron oxide particles (USPIO’s; Feraheme®), allowing for in vivo imaging , (2) micron sized paramagnetic iron oxide particles (MPIO) for ex vivo inflammatory cell-tracking by cMRI, or (3) with different radioactive nuclear tracers (67gallium citrate, 68gallium-labeled somatostatin analogue, and 68gallium-labeled cyclic RGD-peptide) which in the present work have been employed for autoradiographic imaging, but in principle are also suitable for in vivo nuclear imaging (PET/SPECT). In order to compare imaging results with histology, consecutive heart sections were stained with hematoxylin & eosin (HE, for cell infiltrates) and Masson Goldner trichrome (MGT, for fibrosis); in addition, immuno-stainings were performed with anti-CD68 (macrophages), anti-SSRT2A (somatostatin receptor type 2A), anti-CD61 (β3-integrins) and anti-CD31 (platelet endothelial cell adhesion molecule 1).
Sera from immunized rats strongly reacted with cardiac myosin. In immunized rats, echocardiography and subsequent MRI revealed huge amounts of pericardial effusion (days 18-21). Analysis of the kinetics of myocardial infiltrates revealed maximal macrophage invasion between days 14 and 28. Disappearance of macrophages resulted in replacement-fibrosis in formerly cell-infiltrated myocardial areas. This finding was confirmed by the time-dependent differential expression of corresponding cytokines in the myocardium. Immunized animals reacted either with an early or a late pattern of post-inflammation fibrosis. Areas with massive cellular infiltrates were easily detectible in autoradiograms showing a high focal uptake of 67gallium-citrate and 68gallium labeled somatostatin analogues (68Ga DOTA-TATE). Myocardium with a loss of cardiomyocytes presented a high uptake of 68gallium labeled cyclic RGD-peptide (68Ga NOTA-RGD). MRI cell tracking experiments with Feraheme® as the contrast-agent were inconclusive; however, strikingly better results were obtained when MPIOs were used as a contrast-agent: histological findings correlated well with in vivo and ex vivo MPIO-enhanced MRI images. 
Imaging of myocardial inflammatory processes including the kinetics of macrophage invasion after microbial or ischemic damage is still a major challenge in, both animal models and in human patients. By applying a broad panel of biochemical, histological, molecular and imaging methods, we show here that different patterns of reactivity may occur upon induction of myocarditis using one and the same rat strain. In particular, immunized Lewis rats may react either with an early or a late pattern of macrophage invasion and subsequent post-inflammation fibrosis. Imaging results achieved in the acute inflammatory phase of the myocarditis with MPIOs, 67gallium citrate and 68gallium linked to somatostatin will stimulate further development of contrast agents and radioactive-nuclear tracers for the non-invasive detection of acute myocarditis and in the near future perhaps even in human patients.
N2  - Eine fulminant verlaufende Myokarditis ist eine seltene aber potentiell lebensbedrohliche Erkrankung. Akute oder chronische Myokarditis gehen generell mit einer starken Aktivierung des Immunsystems der Betroffenen einher. Zum einen ist dies notwendig, um das Herz durch Bekämpfung der Eindringlinge (z.B. Bakterien, Viren oder andere mikrobielle Erreger) zu schützen und/oder Heilungs- und Reparaturprozesse im geschädigten Myokard einzuleiten. Zum anderen kann eine unkontrollierte Aktivierung des Immunsystems aber auch zur Entstehung von (nicht immer vorteilhaften) auto-reaktiven Immunzellen führen.
Eine Myokarditis oder entzündliche Kardiomyopathie ist charakterisiert durch fokale oder diffuse Infiltrate, Nekrose und/oder Apoptose der Myozyten und einen fortschreitenden fibrotischen Ersatz des Herzmuskelgewebes. Beim Menschen entwickeln etwa 30% der Myokarditis-Patienten eine dilatative Kardiomyopathie. Da das klinische Bild der Myokarditis sehr vielfältig sein kann, ist die Diagnosestellung dieser Erkrankung schwierig. Deshalb war es das Kernziel dieser Arbeit, nicht-invasive Methoden zum Nachweis myokardialer Entzündungen zu testen, und dabei neue Bildgebungsverfahren unter Einsatz von neuen MRT-Kontrastmitteln sowie neuen nuklearen Tracern, die auch für PET/SPECT geeignet wären, zu entwickeln. Diese Verfahren wurden von uns zunächst an einem human-analogen Ratten-Modell evaluiert, mit dem Ziel später evtl. auch einmal beim Menschen eingesetzt werden zu können.
Für unser präklinisches Tiermodell wurden weibliche Lewis-Ratten mit kardialem Myosin aus Schweinen immunisiert. Die erfolgreiche Induktion einer „Experimentellen Autoimmunen Myokarditis (EAM)“ wurde durch einen signifikanten Anstieg der Anti-Myosin Antikörpertiter in immunisierten Tieren und die Ausbildung eines Perikardergusses (Echokardiographie) bestätigt. Zusätzlich wurde aus apikalem kardialem Gewebe RNA isoliert und die Expression verschiedener pro-inflammatorischer und pro-fibrotischer molekularer Marker untersucht. Um die Bildgebung mittels kontrast-verstärktem cMRT zu optimieren, wurden den Tieren entweder kleine Eisenoxid-Nanopartikel (Ultra small paramagnetic iron oxide particles, USPIO; Feraheme®), oder sog. ,,Micronsized paramagnetic iron oxide particles (MPIO)‘‘ für das Tracking inflammatorischer Zellen injiziert. Im daraufolgenden Schritt wurden radioaktive nukleare Tracer (67Gallium-Citrat, 68Gallium-markierte Somatostatin-Analoga und 68Gallium-markierte zyklische RGD-Peptide) injiziert, um dann Autoradiogramme von Herzschnitten zu gewinnen.
KW  - Ratte
KW  - inflammation
KW  - Myokarditis
KW  - Kernspintomografie
KW  - myocarditis
KW  - MRI
KW  - cardiovascular
KW  - Entzündung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122469
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sauer, Stephanie
A1  - Goltz, Jan P.
A1  - Gassenmaier, Tobias
A1  - Kunz, Andreas S.
A1  - Bley, Thorsten A.
A1  - Klein, Detlef
A1  - Petritsch, Bernhard
T1  - Partial Segmental Thrombosis of the Corpus Cavernosum (PSTCC) diagnosed by contrast-enhanced ultrasound: a case report
JF  - BMC Urology
N2  - Background
Partial segmental thrombosis of the corpus cavernosum (PSTCC) is a rare disease predominantly occurring in young men. Cardinal symptoms are pain and perineal swelling. Although several risk factors are described in the literature, the exact etiology of penile thrombosis remains unclear in most cases. MRI or ultrasound (US) is usually used for diagnosing this condition.

Case presentation
We report a case of penile thrombosis after left-sided varicocele ligature in a young patient. The diagnosis was established using contrast-enhanced ultrasound (CEUS) and was confirmed by contrast-enhanced magnetic resonance imaging (ceMRI). Successful conservative treatment consisted of systemic anticoagulation using low molecular weight heparin and acetylsalicylic acid.

Conclusion
PSTCC is a rare condition in young men and appears with massive pain and perineal swelling. In case of suspected PSTCC utilization of CEUS may be of diagnostic benefit.
KW  - MRI
KW  - priapism
KW  - corpus cavernosum
KW  - penile thrombosis
KW  - contrast-enhanced ultrasound
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126495
VL  - 14
IS  - 100
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Brem, Silvia
A1  - Grünblatt, Edna
A1  - Drechsler, Renate
A1  - Riederer, Peter
A1  - Walitza, Susanne
T1  - The neurobiological link between OCD and ADHD
JF  - Attention Deficit and Hyperactivity Disorders
N2  - Obsessive compulsive disorder (OCD) and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) are two of the most common neuropsychiatric diseases in paediatric populations. The high comorbidity of ADHD and OCD with each other, especially of ADHD in paediatric OCD, is well described. OCD and ADHD often follow a chronic course with persistent rates of at least 40–50 %. Family studies showed high heritability in ADHD and OCD, and some genetic findings showed similar variants for both disorders of the same pathogenetic mechanisms, whereas other genetic findings may differentiate between ADHD and OCD. Neuropsychological and neuroimaging studies suggest that partly similar executive functions are affected in both disorders. The deficits in the corresponding brain networks may be responsible for the perseverative, compulsive symptoms in OCD but also for the disinhibited and impulsive symptoms characterizing ADHD. This article reviews the current literature of neuroimaging, neurochemical circuitry, neuropsychological and genetic findings considering similarities as well as differences between OCD and ADHD.
KW  - OCD
KW  - ADHD
KW  - neuroimaging
KW  - genetics
KW  - neuropsychology
KW  - fMRI
KW  - MRI
KW  - EEG
KW  - neurobiology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121312
VL  - 6
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Miras, Alexander D.
A1  - Seyfried, Florian
A1  - Phinikaridou, Alkystis
A1  - Andia, Marcelo E.
A1  - Christakis, Ioannis
A1  - Spector, Alan C.
A1  - Botnar, Rene M.
A1  - le Roux, Carel W.
T1  - Rats Fed Diets with Different Energy Contribution from Fat Do Not Differ in Adiposity
JF  - OBESITY FACTS
N2  - Objective: To determine whether rats reaching the same body mass, having been fed either a low-fat (LFD) or a high-fat diet (HFD), differ in white adipose tissue (WAT) deposition. Methods: In experiment 1, 22 Sprague-Dawley rats of the same age were divided into 11 rats with body mass below the batch median and fed a HFD, and 11 above the median and fed a LFD. In experiment 2, 20 Sprague-Dawley rats of the same age and starting body mass were randomised to either a HFD or LFD. When all groups reached similar final body mass, WAT was quantified using magnetic resonance imaging (MRI), dissection, and plasma leptin. Results: In experiment 1, both groups reached similar final body mass at the same age; in experiment 2 the HFD group reached similar final body mass earlier than the LFD group. There were no significant differences in WAT as assessed by MRI or leptin between the HFD and LFD groups in both experiments. Dissection revealed a trend for higher retroperitoneal and epididymal adiposity in the HFD groups in both experiments. Conclusions: We conclude that at similar body mass, adiposity is independent of the macronutrient composition of the feeding regimen used to achieve it. (C) 2014 S Karger GmbH, Freiburg
KW  - Leptin
KW  - body fat
KW  - induced obesity
KW  - visceral fat
KW  - isocaloric intake
KW  - mass
KW  - tissue
KW  - weight-gain
KW  - metabolism
KW  - expenditure
KW  - accumulation
KW  - High-fat diet
KW  - Low-fat diet
KW  - MRI
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115249
VL  - 7
IS  - 5
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neumann, Daniel
T1  - Advances in Fast MRI Experiments
T1  - Neue Methoden in der MR-Bildgebung
N2  - Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive medical imaging technique, that is rou- tinely used in clinical practice for detection and diagnosis of a wide range of different diseases. In MRI, no ionizing radiation is used, making even repeated application unproblematic. This is an important advantage over other common imaging methods such as X-rays and Computer To- mography. One major drawback of MRI, however, are long acquisition times and associated high costs of experiments. Since the introduction of MRI, several important technical developments have been made to successfully reduce acquisition times. In this work, novel approaches were developed to increase the efficiency of MRI acquisitions.
In Chapter 4, an improved radial turbo spin-echo (TSE) combined acquisition and reconstruction strategy was introduced. Cartesian turbo spin-echo sequences [3] are widely used especially for the detection and diagnosis of neurological pathologies, as they provide high SNR images with both clinically important proton density and T2 contrasts. TSE acquisitions combined with radial sampling are very efficient, since it is possible to obtain a number of ETL images with different contrasts from a single radial TSE measurement [56–58]. Conventionally, images with a particular contrast are obtained from both radial and Cartesian TSE acquisitions by combining data from different echo times into a single image. In the radial case, this can be achieved by employing k-space weighted image contrast (KWIC) reconstruction. In KWIC, the center region of k-space is filled exclusively with data belonging to the desired contrast while outer regions also are assembled with data acquired at other echo times. However, this data sharing leads to mixed contrast contributions to both Cartesian and radial TSE images. This is true especially for proton density weighted images and therefore may reduce their diagnostic value.
In the proposed method, an adapted golden angle reordering scheme is introduced for radial TSE acquisitions, that allows a free choice of the echo train length and provides high flexibility in image reconstruction. Unwanted contrast contaminations are greatly reduced by employing a narrow-band KWIC filter, that restricts data sharing to a small temporal window around the de- sired echo time. This corresponds to using fewer data than required for fully sampled images and consequently leads to images exhibiting aliasing artifacts. In a second step, aliasing-free images are obtained using parallel imaging. In the neurological examples presented, the CG-SENSE algorithm [42] was chosen due to its stable convergence properties and its ability to reconstruct arbitrarily sampled data. In simulations as well as in different in vivo neurological applications, no unwanted contrast contributions could be observed in radial TSE images reconstructed with the proposed method. Since this novel approach is easy to implement on today’s scanners and requires low computational power, it might be valuable for the clinical breakthrough of radial TSE acquisitions.
In Chapter 5, an auto-calibrating method was introduced to correct for stimulated echo contribu- tions to T2 estimates from a mono-exponential fit of multi spin-echo (MSE) data. Quantification of T2 is a useful tool in clinical routine for the detection and diagnosis of diseases as well as for tis- sue characterization. Due to technical imperfections, refocusing flip angles in a MSE acquisition deviate from the ideal value of 180○. This gives rise to significant stimulated echo contributions to the overall signal evolution. Therefore, T2 estimates obtained from MSE acquisitions typically are notably higher than the reference. To obtain accurate T2 estimates from MSE acquisitions, MSE signal amplitudes can be predicted using the extended phase graph (EPG, [23, 24]) algo- rithm. Subsequently, a correction factor can be obtained from the simulated EPG T2 value and applied to the MSE T2 estimates. However, EPG calculations require knowledge about refocus- ing pulse amplitudes, T2 and T1 values and the temporal spacing of subsequent echoes. While the echo spacing is known and, as shown in simulations, an approximate T1 value can be assumed for high ratios of T1/T2 without compromising accuracy of the results, the remaining two parameters are estimated from the data themselves. An estimate for the refocusing flip angle can be obtained from the signal intensity ratio of the second to the first echo using EPG. A conventional mono- exponential fit of the MSE data yields a first estimate for T2. The T2 correction is then obtained iteratively by updating the T2 value used for EPG calculations in each step. For all examples pre- sented, two iterations proved to be sufficient for convergence. In the proposed method, a mean flip angle is extracted across the slice. As shown in simulations, this assumption leads to greatly reduced deviations even for more inhomogeneous slice profiles. The accuracy of corrected T2 values was shown in experiments using a phantom consisting of bottles filled with liquids with a wide range of different T2 values. While T2 MSE estimates were shown to deviate significantly from the spin-echo reference values, this is not the case for corrected T2 values. Furthermore, applicability was demonstrated for in vivo neurological experiments.
In Chapter 6, a new auto-calibrating parallel imaging method called iterative GROG was pre- sented for the reconstruction of non-Cartesian data. A wide range of different non-Cartesian schemes have been proposed for data acquisition in MRI, that present various advantages over conventional Cartesian sampling such as faster acquisitions, improved dynamic imaging and in- trinsic motion correction. However, one drawback of non-Cartesian data is the more complicated reconstruction, which is ever more problematic for non-Cartesian parallel imaging techniques. Iterative GROG uses Calibrationless Parallel Imaging by Structured Low-Rank Matrix Completion (CPI) for data reconstruction. Since CPI requires points on a Cartesian grid, it cannot be used to directly reconstruct non-Cartesian data. Instead, Grappa Operator Gridding (GROG) is employed in a first step to move the non-Cartesian points to the nearest Cartesian grid locations. However, GROG requires a fully sampled center region of k-space for calibration. Combining both methods in an iterative scheme, accurate GROG weights can be obtained even from highly undersampled non-Cartesian data. Subsequently, CPI can be used to reconstruct either full k- space or a calibration area of arbitrary size, which can then be employed for data reconstruction with conventional parallel imaging methods.
In Chapter 7, a new 2D sampling scheme was introduced consisting of multiple oscillating effi- cient trajectories (MOET), that is optimized for Compressed Sensing (CS) reconstructions. For successful CS reconstruction of a particular data set, some requirements have to be met. First, ev- ery data sample has to carry information about the whole object, which is automatically fulfilled for the Fourier sampling employed in MRI. Additionally, the image to be reconstructed has to be sparse in an arbitrary domain, which is true for a number of different applications. Last, data sam- pling has to be performed in an incoherent fashion. For 2D imaging, this important requirement of CS is difficult to achieve with conventional Cartesian and non-Cartesian sampling schemes. Ra- dial sampling is often used for CS reconstructions of dynamic data despite the streaking present in undersampled images. To obtain incoherent aliasing artifacts in undersampled images while at the same time preserving the advantages of radial sampling for dynamic imaging, MOET com- bines radial spokes with oscillating gradients of varying amplitude and alternating orientation orthogonal to the readout direction. The advantage of MOET over radial sampling in CS re- constructions was demonstrated in simulations and in in vivo cardiac imaging. MOET provides superior results especially when used in CS reconstructions with a sparsity constraint directly in image space. Here, accurate results could be obtained even from few MOET projections, while the coherent streaking artifacts present in the case of radial sampling prevent image recovery even for smaller acceleration factors. For CS reconstructions of dynamic data with sparsity constraint in xf-space, the advantage of MOET is smaller since the temporal reordering is responsible for an important part of incoherency. However, as was shown in simulations of a moving phantom and in the reconstruction of ungated cardiac data, the additional spatial incoherency provided by MOET still leads to improved results with higher accuracy and may allow reconstructions with higher acceleration factors.
N2  - Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges nicht-invasives medizinisches Bildge- bungsverfahren, das im klinischen Alltag zur Entdeckung und Diagnose einer Vielzahl von Krank- heiten verwendet wird. Im Gegensatz zu anderen Methoden wie Röntgen und Computertomo- graphie kommt die MRT ohne den Einsatz ionisierender Strahlung aus, was selbst häufige An- wendungen ohne gesundheitliche Risiken erlaubt. Einer der größten Nachteile der MRT sind lange Messzeiten, die in Kombination mit der teuren Technik hohe Untersuchungskosten bedin- gen. Obwohl in der Vergangenheit durch die Entwicklung von sowohl verbesserter Hardware als auch neuen Rekonstruktionsverfahren bereits bedeutende Fortschritte in Bezug auf die Akquisi- tionsdauer erzielt werden konnten, ist eine weitere Beschleunigung nach wie vor ein wichtiges Forschungsgebiet im Bereich der MRT. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung neuer An- sätze zur Steigerung der Effizienz von MRT Experimenten.
In Kapitel 4 wurde eine kombinierte Akquisitions- und Rekonstruktionsstrategie für radiale Turbo Spin-Echo (TSE) Experimente vorgestellt. Im klinischen Alltag sind kartesische TSE Sequenzen zur Untersuchung diverser Krankheitsbilder weit verbreitet, da sie ein hohes SNR aufweisen und die Aufnahme der klinisch wichtigen Bilder mit Protonendichte- und T2-Kontrast erlauben. Im Gegensatz zu kartesischem Abtasten, wo aus einem Datensatz lediglich ein Bild mit bes- timmtem Kontrast erzeugt wird, sind radiale TSE Akquisitionen hocheffizient, da hier aus einem Datensatz mehrere Bilder mit verschiedenem Kontrast gewonnen werden können. In beiden Fällen wird in konventionellen Rekonstruktionsmethoden jedes Bild eines definierten Kontrasts durch das Zusammensetzen eines vollständig abgetasteten k-Raums mit Daten von verschiedenen Echozeiten erzeugt. Im radialen Fall geschieht dies durch die sogenannte "k-space weighted im age contrast" (KWIC) Rekonstruktion. Hierbei wird das Zentrum des k-Raums ausschließlich mit zum gewünschten Kontrast gehörigen Daten gefüllt, während die äußeren Bereiche des k-Raums auch Daten von anderen Echozeiten enthalten. Obwohl der Kontrast von MRT Bildern haupt- sächlich von den Daten im k-Raum Zentrum dominiert wird, führt die Kombination von Daten verschiedener Echozeiten in sowohl radialen als auch kartesischen TSE Bildern zu einem uner- wünschten Mischkontrast. Dieser Effekt wird vor allem in protonendichtegewichteten Bildern sichtbar und kann somit deren diagnostischen Wert deutlich verringern.
Ein unerwünschter Mischkontrast kann verhindert werden, indem die Bandbreite des KWIC- Filters auf ein kleines zeitliches Fenster um die angestrebte Echozeit herum eingeschränkt wird. Um eine freie Wahl der Echozuglänge und hohe Flexibilität in der Bildrekonstruktion zu er- möglichen, wurde für die radiale TSE Akquisition ein angepasstes Abtastschema unter Verwen- dung des goldenen Winkels vorgestellt. Da bei einem KWIC-Filter mit reduzierter Bandbre- ite für jedes Bild weniger Daten zur Verfügung stehen als für einen voll abgetasteten k-Raum benötigt, weisen rekonstruierte Bildern Einfaltungsartefakte auf. Diese werden in einem zweiten Schritt durch die Anwendung paralleler Bildgebung beseitigt. In den gezeigten Beispielen wurde dazu der CG-SENSE Algorithmus verwendet, da er stabile Konvergenz aufweist und für die Rekonstruktion von Daten mit irregulären Abtastschema angewandt werden kann. Anschließend werden bestehende Korrelationen der Bilderserie zur Reduktion verbleibender Artefakte und zu einer Verbesserung des SNR ausgenutzt. Wie mittels Simulationen gezeigt und für neurologische Daten bestätigt, weisen radiale TSE Bilder, die mit dieser Methode rekonstruiert wurden, keinen sichtbaren Mischkontrast mehr auf. Die erreichte Bildqualität ist hierbar vergleichbar mit kon- ventionellen Rekonstruktionsmethoden. Da die vorgestellte Rekonstruktion einfach auf heutigen Scannern implementiert werden kann und lediglich niedrige Rechenkapazitäten benötigt, könnte sie einen wichtigen Beitrag für den klinischen Durchbruch radialer TSE Akquisitionen darstellen.
In Kapitel 5 wurde eine selbstkalibrierende Methode zur Korrektur von aus Multi Spin-Echo (MSE) Bildern gewonnenen T2 Karten vorgestellt. In der klinischen Anwendung spielt die Quan- tifizierung von T2 unter anderem bei der Diagnose von Krankheiten sowie bei der Klassifizierung von Gewebe eine wichtige Rolle. Eine MSE Sequenz verwendet mehrere RF-Pulse, um ein einzelnes Spin-Echo wiederholt zu refokussieren. Idealerweise betragen die Flipwinkel der Re- fokussierungspulse hierbei exakt 180○, um einen exponentiellen Signalabfall zu erhalten. Auf- grund technischer Ungenauigkeiten weichen die Werte der Flipwinkel von Refokussierungspulsen jedoch grundsätzlich von 180○ ab. Niedrigere Flipwinkel führen zu stimulierten Echos, die wesentlich zu den einzelnen Echoamplituden beitragen und den Signalabfall entlang des Echozugs deutlich verlängern können. Somit weisen auch T2 Werte, die aus solchen Bilderserien berech- net werden, eine teilweise deutliche Erhöhung auf. Um exakte Werte zu erhalten, kann der MSE Signalverlauf mittels des "extended phase graph" (EPG) Algorithmus abgeschätzt und so ein Kor- rekturfaktor ermittelt werden. Hierzu müssen die Flipwinkel der Refokussierungspulse, T1 und T2 Werte sowie der zeitliche Abstand der Echos (ESP) bekannt sein. Wie in Simulationen gezeigt wurde, kann T1 für hohe Werte des Quotienten T1/T2 abgeschätzt werden, ohne an Genauigkeit der T2 Ergebnisse einzubüßen. Abschätzungen der verbleibenden benötigten Parameter können direkt aus den Daten selbst gewonnen werden. Während der Flipwinkel aus den Intensitäten der ersten beiden Echos berechnet wird, liefert ein mono-exponentieller Fit der MSE Bilderserie eine erste Näherung für T2. Die Korrektur für die T2 Werte kann anschließend aus den EPG Sig- nalverläufen berechnet werden. Durch Aktualisierung von T2 und erneuter Ausführung des EPG-Algorithmus wird die Genauigkeit der Korrektur iterativ erhöht, wobei schon eine sehr geringe Zahl von Iterationen zu Konvergenz führt. Wie in Simulationen und in Phantomexperimenten für verschiedenste T2-Werte gezeigt, weisen korrigierte T2 Werte eine hohe Genauigkeit auf. Dies gilt auch für niedrigere nominelle Flipwinkel als 180○ und ist somit von speziellem Interesse bei höheren Feldstärken B0, wo Grenzwerte der spezifischen Absorptionsrate die Einstrahlung einer Vielzahl von RF-Pulsen hoher Amplitude verbietet.
In Kapitel 6 wurde iteratives GROG, eine neue selbstkalibrierende iterative parallele Bildge- bungsmethode für die Rekonstruktion von nichtkartesischen Daten vorgestellt. Es sind eine Vielzahl nichtkartesischer Trajektorien für MRT Messungen bekannt, die zahlreiche Vorteile gegenüber kartesischer Bildgebung bieten. Dazu gehören unter anderem eine schnellere Akquisi- tion, verbesserte dynamische Bildgebung sowie die Möglichkeit zur intrinischen Bewegungskor- rektur. Ein Nachteil nichtkartesischer Daten jedoch ist eine aufwendigere Rekonstruktion, sowohl bei voll abgetasteten Datensätzen als insbesondere auch in der parallelen Bildgebung. Itera- tives GROG verwendet Calibrationless Parallel Imaging by Structured Low-Rank Matrix Com- pletion (CPI) zur Rekonstruktion fehlender Daten. Diese Methode benötigt Daten auf karte- sischen Gitterpunkten und kann nicht direkt für nichtkartesische Experimente angewandt wer- den. Stattdessen werden die nichtkartesischen Daten zunächst mittels Grappa Operator Gridding (GROG) in einem ersten Schritt auf ein kartesisches Gitter verschoben. GROG basiert auf paral- leler Bildgebung und benötigt einen voll abgetasteten Teil des k-Raums zur Kalibrierung. Erste Kalibrationsdaten können gewonnen werden, indem die nichtkartesischen Punkte ohne Änderung auf die nächsten kartesischen Gitterpunkte verschoben werden und eine CPI-Rekonstruktion eines zentralen k-Raum Bereichs durchgeführt wird. Anschließend wird GROG angewandt um exakte Werte der kartesischen Gitterpunkte zu erhalten und der Prozess wird iteriert. Nach Kon- vergenz können entweder Kalibrationsdaten gewünschter Größe für eine konventionelle parallele Bildgebungsmethode erzeugt oder artefaktfreie Bilder mit CPI rekonstruiert werden.
In Kapitel 7 wurde ein neues Abtastungsschema für die 2D Bildgebung vorgestellt, das aus Multiplen Oszillierenden Effizienten Trajektorien (MOET) besteht und optimierte Compressed Sensing (CS) Rekonstruktionen ermöglicht. Für eine erfolgreiche Anwendung von Compressed Sensing müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein. Erstens muss jeder Datenpunkt Informa- tionen über das ganze Objekt enthalten, was bei der MRT aufgrund der Datenakquisition im Fourier-Raum automatisch erfüllt ist. Weiterhin muss das gemessene Objekt in einer beliebigen Basis sparse sein. Dies ist für viele verschiedene Anwendungen in der MRT der Fall. Drittens muss für CS Rekonstruktionen die Datenakquisition im k-Raum einem inkohärenten Muster fol- gen. Diese wichtige Voraussetzung ist in der zweidimensionalen Bildgebung mit konventionellen kartesischen und nicht-kartesischen Abtastschemata nur schwer zu erreichen. Deshalb wird für CS Rekonstruktionen häufig eine radiale Trajektorie eingesetzt, trotz der kohärenten streaking- Artefakte in unterabgetasteten Bildern. MOET verwendet daher eine Kombination von radialen Projektionen zusammen mit oszillierenden Gradienten auf der zur Ausleserichtung orthogonalen Achse. So erhält man inkohärente Aliasing-Artefakte und bewahrt gleichzeitig die Vorteile der radialen Bildgebung für die dynamische MRT. Die Überlegenheit von MOET gegenüber radi- aler Bildgebung für CS Rekonstruktionen konnte in Simulationen sowie in der Herzbildgebung aufgezeigt werden. Dies gilt insbesondere für CS Rekonstruktionen direkt im Bildraum, wo MOET gute Resultate liefert während die kohärenten Artefakte bei radialer Bildgebung eine genaue Bildwiederherstellung verhindert. Bei Rekonstruktionen dynamischer Daten, wo Sparsität im xf-Raum ausgenutzt wird, ist der Vorteil von MOET weniger ausgeprägt, da hier bere- its die zeitliche Anordnung der Projektionen einen wesentlichen Beitrag zur Charakteristik der Aliasingartefakte liefert. Wie in Simulationen und für die in vivo Herzbildgebung gezeigt werden konnte, erlaubt die zusätzliche räumliche Inkohärenz von MOET jedoch auch in diesem Fall eine höhere Genauigkeit sowie Rekonstruktionen von Daten höherer Beschleunigung.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Parallele Bildgebung
KW  - nichtkarthesische Bildgebung
KW  - Turbo Spin-Echos
KW  - Compressed Sensing
KW  - Parallel Imaging
KW  - non-Cartesian Imaging
KW  - Compressed Sensing
KW  - MRI
KW  - MRT
KW  - NMR-Tomographie
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108165
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleinschnitz, Christoph
A1  - Mencl, Stine
A1  - Garz, Cornelia
A1  - Niklass, Solveig
A1  - Braun, Holger
A1  - Göb, Eva
A1  - Homola, György
A1  - Heinze, Hans-Jochen
A1  - Reymann, Klaus G.
A1  - Schreiber, Stefanie
T1  - Early microvascular dysfunction in cerebral small vessel disease is not detectable on 3.0 Tesla magnetic resonance imaging: a longitudinal study in spontaneously hypertensive stroke-prone rats
JF  - Experimental & Translational Stroke Medicine
N2  - Background

Human cerebral small vessel disease (CSVD) has distinct histopathologic and imaging findings in its advanced stages. In spontaneously hypertensive stroke-prone rats (SHRSP), a well-established animal model of CSVD, we recently demonstrated that cerebral microangiopathy is initiated by early microvascular dysfunction leading to the breakdown of the blood–brain barrier and an activated coagulatory state resulting in capillary and arteriolar erythrocyte accumulations (stases). In the present study, we investigated whether initial microvascular dysfunction and other stages of the pathologic CSVD cascade can be detected by serial magnetic resonance imaging (MRI).

Findings

Fourteen SHRSP and three control (Wistar) rats (aged 26–44 weeks) were investigated biweekly by 3.0 Tesla (3 T) MRI. After perfusion, brains were stained with hematoxylin–eosin and histology was correlated with MRI data. Three SHRSP developed terminal CSVD stages including cortical, hippocampal, and striatal infarcts and macrohemorrhages, which could be detected consistently by MRI. Corresponding histology showed small vessel thromboses and increased numbers of small perivascular bleeds in the infarcted areas. However, 3 T MRI failed to visualize intravascular erythrocyte accumulations, even in those brain regions with the highest densities of affected vessels and the largest vessels affected by stases, as well as failing to detect small perivascular bleeds.

Conclusion

Serial MRI at a field strength of 3 T failed to detect the initial microvascular dysfunction and subsequent small perivascular bleeds in SHRSP; only terminal stages of cerebral microangiopathy were reliably detected. Further investigations at higher magnetic field strengths (7 T) using blood- and flow-sensitive sequences are currently underway.
KW  - Cerebral small vessel disease
KW  - SHRSP
KW  - MRI
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97056
UR  - http://www.etsmjournal.com/content/5/1/8
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Langhauser, Friederike L.
A1  - Heiler, Patrick M.
A1  - Grudzenski, Saskia
A1  - Lemke, Andreas
A1  - Alonso, Angelika
A1  - Schad, Lothar R.
A1  - Hennerici, Michael G.
A1  - Meairs, Stephen
A1  - Fata, Marc
T1  - Thromboembolic stroke in C57BL/6 mice monitored by 9.4 T MRI using a 1H cryo probe
JF  - Experimental and Translational Stroke Medicine
N2  - Background
A new thromboembolic animal model showed beneficial effects of t-PA with an infarct volume reduction of 36.8% in swiss mice. Because knock-out animal experiments for stroke frequently used C57BL76 mice we evaluated t-PA effects in this mouse strain and measured infarct volume and vascular recanalisation in-vivo by using high-field 9.4 T MRI and a 1H surface cryo coil.
Methods
Clot formation was triggered by microinjection of murine thrombin into the right middle cerebral artery (MCA). Animals (n = 28) were treated with 10 mg/kg, 5 mg/kg or no tissue plasminogen activator (t-PA) 40 min after MCA occlusion. For MR-imaging a Bruker 9.4 T animal system with a 1H surface cryo probe was used and a T2-weighted RARE sequence, a diffusion weighted multishot EPI sequence and a 3D flow-compensated gradient echo TOF angiography were performed.
Results
The infarct volume in animals treated with t-PA was significantly reduced (0.67 ± 1.38 mm3 for 10 mg/kg and 10.9 ± 8.79 mm3 for 5 mg/kg vs. 19.76 ± 2.72 mm3 ; p < 0.001) compared to untreated mice. An additional group was reperfused with t-PA inside the MRI. Already ten minutes after beginning of t-PA treatment, reperfusion flow was re-established in the right MCA. However, signal intensity was lower than in the contralateral MCA. This reduction in cerebral blood flow was attenuated during the first 60 minutes after reperfusion. 24 h after MCA occlusion and reperfusion, no difference in signal intensity of the contralateral and ipsilateral MCAs was observed.
Conclusions
We confirm a t-Pa effect using this stroke model in the C57BL76 mouse strain and demonstrate a chronological sequence MRI imaging after t-PA using a 1H surface cryo coil in a 9.4 T MRI. This setting will allow testing of new thrombolytic strategies for stroke treatment in-vivo in C57BL76 knock-out mice.
KW  - animal models
KW  - MRI
KW  - experimental
KW  - embolic stroke
KW  - T-PA
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124218
VL  - 4
IS  - 18
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wild, J. M.
A1  - Marshall, H.
A1  - Bock, M.
A1  - Schad, L. R.
A1  - Jakob, P. M.
A1  - Puderbach, M.
A1  - Molinari, F.
A1  - Van Beek, E. J. R.
A1  - Biederer, J.
T1  - MRI of the lung (1/3): methods
JF  - Insights into Imaging
N2  - Proton magnetic resonance imaging (MRI) has recently emerged as a clinical tool to image the lungs. This paper outlines the current technical aspects of MRI pulse sequences, radiofrequency (RF) coils and MRI system requirements needed for imaging the pulmonary parenchyma and vasculature. Lung MRI techniques are presented as a “technical toolkit”, from which MR protocols will be composed in the subsequent papers for comprehensive imaging of lung disease and function (parts 2 and 3). This paper is pitched at MR scientists, technicians and radiologists who are interested in understanding and establishing lung MRI methods. Images from a 1.5 T scanner are used for illustration of the sequences and methods that are highlighted.

Main Messages

• Outline of the hardware and pulse sequence requirements for proton lung MRI
• Overview of pulse sequences for lung parenchyma, vascular and functional imaging with protons
• Demonstration of the pulse-sequence building blocks for clinical lung MRI protocols
KW  - MRI
KW  - lung
KW  - proton
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124238
VL  - 3
IS  - 4
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Reiter, Theresa
A1  - Gensler, Daniel
A1  - Ritter, Oliver
A1  - Weiss, Ingo
A1  - Geistert, Wolfgang
A1  - Kaufmann, Ralf
A1  - Hoffmeister, Sabine
A1  - Friedrich, Michael T.
A1  - Wintzheimer, Stefan
A1  - Düring, Markus
A1  - Nordbeck, Peter
A1  - Jakob, Peter M.
A1  - Ladd, Mark E.
A1  - Quick, Harald H.
A1  - Bauer, Wolfgang R.
T1  - Direct cooling of the catheter tip increases safety for CMR-guided electrophysiological procedures
JF  - Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance
N2  - Background: One of the safety concerns when performing electrophysiological (EP) procedures under magnetic resonance (MR) guidance is the risk of passive tissue heating due to the EP catheter being exposed to the radiofrequency (RF) field of the RF transmitting body coil. Ablation procedures that use catheters with irrigated tips are well established therapeutic options for the treatment of cardiac arrhythmias and when used in a modified mode might offer an additional system for suppressing passive catheter heating. 
Methods: A two-step approach was chosen. Firstly, tests on passive catheter heating were performed in a 1.5 T Avanto system (Siemens Healthcare Sector, Erlangen, Germany) using a ASTM Phantom in order to determine a possible maximum temperature rise. Secondly, a phantom was designed for simulation of the interface between blood and the vascular wall. The MR-RF induced temperature rise was simulated by catheter tip heating via a standard ablation generator. Power levels from 1 to 6 W were selected. Ablation duration was 120 s with no tip irrigation during the first 60 s and irrigation at rates from 2 ml/min to 35 ml/min for the remaining 60 s (Biotronik Qiona Pump, Berlin, Germany). The temperature was measured with fluoroscopic sensors (Luxtron, Santa Barbara, CA, USA) at a distance of 0 mm, 2 mm, 4 mm, and 6 mm from the catheter tip. Results: A maximum temperature rise of 22.4 degrees C at the catheter tip was documented in the MR scanner. This temperature rise is equivalent to the heating effect of an ablator's power output of 6 W at a contact force of the weight of 90 g (0.883 N). The catheter tip irrigation was able to limit the temperature rise to less than 2 degrees C for the majority of examined power levels, and for all examined power levels the residual temperature rise was less than 8 degrees C. 
Conclusion: Up to a maximum of 22.4 degrees C, the temperature rise at the tissue surface can be entirely suppressed by using the catheter's own irrigation system. The irrigated tip system can be used to increase MR safety of EP catheters by suppressing the effects of unwanted passive catheter heating due to RF exposure from the MR scanner.
KW  - EP Procedures
KW  - radiofrequency ablation
KW  - contact force
KW  - lesion size
KW  - MRI
KW  - temperature
KW  - tissue
KW  - wires
KW  - model
KW  - ablation
KW  - safety
KW  - catheter tip
KW  - MR guidance
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-134927
VL  - 14
IS  - 12
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Borisjuk, Ljudmilla
A1  - Rolletschek, Hardy
A1  - Fuchs, Johannes
A1  - Melkus, Gerd
A1  - Neuberger, Thomas
T1  - Low and High Field Magnetic Resonance for \(in\) \(Vivo\) Analysis of Seeds
JF  - Materials
N2  - Low field NMR has been successfully used for the evaluation of seed composition and quality, but largely only in crop species. We show here that 1.5T NMR provides a reliable means for analysing the seed lipid fraction present in a wide range of species, where both the seed size and lipid concentration differed by >10 fold. Little use of high field NMR has been made in seed research to date, even though it potentially offers many opportunities for studying seed development, metabolism and storage. Here we demonstrate how 17.5T and 20T NMR can be applied to image seed structure, and analyse lipid and metabolite distribution. We suggest that further technical developments in NMR/MRI will facilitate significant advances in our understanding of seed biology.
KW  - Time-domain NMR
KW  - H-1-NMR spectroscopy
KW  - Soybean seeds
KW  - Human brain
KW  - Oil
KW  - Storage
KW  - Plants
KW  - Deterioration
KW  - Transport
KW  - Gradients
KW  - NMR
KW  - MRI
KW  - seed quality
KW  - Crop seed
KW  - lipid imaging
KW  - sucrose allocation
KW  - seed aging
KW  - (13)C
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140910
VL  - 4
IS  - 8
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ehses, Philipp
T1  - Development of new Acquisition Strategies for fast Parameter Quantification in Magnetic Resonance Imaging
T1  - Entwicklung neuer Aufnahmeverfahren zur schnellen Parameterbestimmung in der Magnetresonanztomographie
N2  - Magnetic resonance imaging (MRI) is a medical imaging method that involves no ionizing radiation and can be used non-invasively. Another important - if not the most important - reason for the widespread and increasing use of MRI in clinical practice is its interesting and highly flexible image contrast, especially of biological tissue. The main disadvantages of MRI, compared to other widespread imaging modalities like computed tomography (CT), are long measurement times and the directly resulting high costs. In the first part of this work, a new technique for accelerated MRI parameter mapping using a radial IR TrueFISP sequence is presented. IR TrueFISP is a very fast method for the simultaneous quantification of proton density, the longitudinal relaxation time T1, and the transverse relaxation time T2. Chapter 2 presents speed improvements to the original IR TrueFISP method. Using a radial view-sharing technique, it was possible to obtain a full set of relaxometry data in under 6 s per slice. Furthermore, chapter 3 presents the investigation and correction of two major sources of error of the IR TrueFISP method, namely magnetization transfer and imperfect slice profiles. In the second part of this work, a new MRI thermometry method is presented that can be used in MRI-safety investigations of medical implants, e.g. cardiac pacemakers and implantable cardioverter-defibrillators (ICDs). One of the major safety risks associated with MRI examinations of pacemaker and ICD patients is RF induced heating of the pacing electrodes. The design of MRI-safe (or MRI-conditional) pacing electrodes requires elaborate testing. In a first step, many different electrode shapes, electrode positions and sequence parameters are tested in a gel phantom with its geometry and conductivity matched to a human body. The resulting temperature increase is typically observed using temperature probes that are placed at various positions in the gel phantom. An alternative to this local thermometry approach is to use MRI for the temperature measurement. Chapter 5 describes a new approach for MRI thermometry that allows MRI thermometry during RF heating caused by the MRI sequence itself. Specifically, a proton resonance frequency (PRF) shift MRI thermometry method was combined with an MR heating sequence. The method was validated in a gel phantom, with a copper wire serving as a simple model for a medical implant.
N2  - Die Magnetresonanztomographie (MRT) zeichnet sich als medizinisches Bildgebungsverfahren dadurch aus, dass sie ohne ionisierende Strahlung auskommt und nicht-invasiv einsetzbar ist. Ein weiterer wichtiger - wenn nicht der wichtigste - Grund für die weite und wachsende Verbreitung der MRT in der klinischen Praxis ist ihr interessantes und hoch-flexibles Kontrastverhalten, und damit die gute Darstellbarkeit biologischen Gewebes. Die Hauptnachteile der MRT sind die, verglichen mit z.B. Computer-Tomographie (CT), langen Messzeiten und die damit direkt verbundenen hohen Untersuchungskosten. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt Verbesserungen der IR TrueFISP Methode zur MR-Parameterbestimmung. IR TrueFISP ist eine schnelle Methode zur gleichzeitigen Quantifizierung der Protonendichte, der longitudinalen Relaxationszeit T1, sowie der transversalen Relaxationszeit T2. In Kapitel 2 dieser Arbeit wird eine Methode zur Beschleunigung der IR TrueFISP Quantifizierung vorgestellt, die es erlaubt einen kompletten Relaxometrie-Datensatz in unter 6 s pro Schicht aufzunehmen. Weiterhin werden in Kapitel 3 zwei allgemeine Fehlerquellen der IR TrueFISP Methode untersucht und Korrekturverfahren vorgestellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden neuartige MR-Thermometrie Methoden vorgestellt, die sich besonders zur Untersuchung der MR-Sicherheit von medizinischen Implanten, insbesondere Herzschrittmachern und implantierbaren Kardioverter-Defibrillatoren (ICDs), eignen. Momentan sind in den allermeisten Fällen MRT Untersuchungen an Herzschrittmacher- und ICD-Patienten aufgrund der damit verbundenen Risiken kontraindiziert. Das dabei am schwierigste in den Griff zu bekommende und damit größte Risiko ist die mögliche Schädigung des Myokards, hervorgerufen durch die von den geschalteten HF-Feldern induzierten Ströme in den Schrittmacherelektroden. Um eine MR-sichere Elektrode und/oder sichere Messprotokole zu entwickeln ist es notwendig viele verschiedene Elektroden, Elektrodenpositionen und Messparameter-Einstellungen in einem körperähnlichen Gel-Phantom untersucht. Die bei der jeweiligen Messung auftretenden Erhitzungen werden dabei meist mit Hilfe fiberoptischer Thermometer an verschiedenen Positionen im Gel gemessen. Eine Alternative ist die Aufnahme einer globalen Karte der Temperaturerhöhung mit Hilfe der MR-Thermometrie. In dieser Arbeit wird eine Messmethode vorgestellt, die MR-Thermometrie mit HF induziertem Heizen kombiniert. Diese Methode wurde an einem Kupferdraht im Gelphantom validiert und mit fiberoptisch gemessenen Temperaturanstiegen verglichen.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Messprozess
KW  - Relaxometrie
KW  - Thermometrie
KW  - nicht-kartesische Bildgebung
KW  - Relaxometry
KW  - Thermometry
KW  - non-Cartesian imaging
KW  - Optimierung
KW  - MRI
KW  - NMR-Tomographie
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72531
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pillai, Deepu
T1  - Differential effects of Pigment epithelium derived factor and epidermal growth factor on Ischemia-reperfusion injury in rats - a magnetic resonance imaging study at 3 tesla
T1  - Unterschiedlichen Wirkungen von PEDF und EGF auf Ischämie-Reperfusionsschaden bei Ratten - Eine Kernspintomografie studie bei 3 Tesla
N2  - Stroke, after myocardial infarction and cancer is the third most common cause of death worldwide and 1/6th of all human beings will suffer at least one stroke in their lives. Furthermore, it is the leading cause for adult disability with approximately one third of patients who survive for the next 6 months are dependent on others. Because of its huge socioeconomic burden absorbing 6% of all health care budgets and with the fact that life expectancy increases globally, one can assume that stroke is already, and will continue to be, the most challenging disease. Ischemic stroke accounts for approximately 80% of all strokes and results from a thrombotic or embolic occlusion of a major cerebral artery (most often the middle cerebral artery, MCA) or its branches Following acute ischemic stroke, the most worrisome outcome is the rapidly increasing intra-cranial pressure due to the formation of space-occupying vasogenic oedema which can have lethal consequences. Permeability changes at the Blood-Brain Barrier (BBB) usually accompanies the oedematous development and their time course can provide invaluable insight into the nature of the insult, activation of compensatory mechanisms followed by long term repair. Rodent models of focal cerebral ischemia have been developed and optimized to mimic human stroke conditions and serve as indispensable tools in the field of stroke research. The presented work constituting of three separate but complete works by themselves are sequential, where, the first part was dedicated to the establishment of non-invasive small animal imaging strategies on a 3 tesla clinical magnetic resonance scanner. This facilitated the longitudinal monitoring of pathological outcomes following stroke where identical animals can serve as its own control. Tissue relaxometric estimations were carried out initially to derive the transverse (T2), longitudinal (T1) and the transverse relaxation time due to magnetic susceptibility effects (T2*) at the cortical and striatal regions of the rodent brain. Statistically significant differences in T2*-values could be found between the cortex and striatal regions of the rodent brain. The derived tissue relaxation values were considered to modify the existing imaging protocols to facilitate the study of the rodent model of ischemic stroke. The modified sequence protocols adequately characterized all the clinically relevant sequels following acute ischemic stroke, like, the altered perfusion and diffusion characteristics. Subsequent to this, serial magnetic resonance imaging was performed to investigate the temporal and spatial relationship between the biphasic nature of BBB opening and, in parallel, the oedema formation after I/R injury in rats. T2-relaxometry for oedema assessment was performed at 1 h after ischemia, immediately following reperfusion, and at 4, 24 and 48 hours post reperfusion. Post-contrast T1-weighted imaging was performed at the last three time points to assess BBB integrity. The biphasic course of BBB opening with significant reduction in BBB permeability at 24 hours after reperfusion was associated with a progressive expansion of leaky BBB volume, accompanied by a peak ipsilateral oedema formation. At 48 hours, the reduction in T2-value indicated oedema resorption accompanied by a second phase of BBB opening. In addition, at 4 hours after reperfusion, oedema formation could also be detected at the contralateral striatum which persisted to varying degrees throughout the study, indicative of widespread effects of I/R injury. The observations of this study may indicate a dynamic temporal shift in the mechanisms responsible for biphasic BBB permeability changes, with non-linear relations to oedema formation. Two growth factor peptides namely pigment epithelium derived factor (PEDF) and epidermal growth factor (EGF) with widely different trophic properties were considered for their beneficial effects, if any, in the established rodent model of I/R injury and studied up to one week employing magnetic resonance imaging. Both the selected, trophic factors demonstrated significant neuroprotection as demonstrated by a reduction in infarct volume, even though PEDF was found to be the most potent one. PEDF also demonstrated significant attenuation of oedema formation in comparison to both the control and EGF groups, even though EGF could also demonstrate oedema suppression. In the present work, we noticed that interventions with macromolecule protein/peptides by itself could mediate remote oedema at distant sites even though the significance of such an observation is not clear at present. Susceptibility (T2*) weighted tissue relaxometric estimations were considered at the infarct region to detect any metabolic changes arising out of any neuroprotection and/or cellular proliferation / neurogenesis. PEDF group demonstrated a striking reduction of the T2*-values, which is indicative of an increased metabolic activity. Moreover, all the groups (Control, EGF and PEDF) demonstrated significantly elevated T2*-values at the contralateral striatum, which is indicative of widespread metabolic suppression usually associated with a variety of traumatic brain conditions. Moreover, as expected from the properties of PEDF, it demonstrated an extended BBB permeability suppression throughout the duration of the study. This study underlines the merits of considering non-invasive imaging strategies without which it was not possible to study the required parameters in a longitudinal fashion. All the observations are adequately supported by reasonably well defined mechanisms and needs to be further verified and confirmed by an immunohistochemical study. These results also need to be complemented by a functional study to evaluate the behavioural outcome of animals following these treatments. These studies are progressing at our laboratory and the results will be duly published afterwards.
N2  - Schlaganfall ist nach Herzinfarkt und Krebs die dritthäufigste Todesursache weltweit und 1/6 aller Menschen erleiden mindestens einen Schlaganfall in ihrem Leben. Wichtiger ist jedoch, dass Schlaganfallerkrankungen ist die führende Ursache für dauerhafte Behinderungen darstellen. Ungefähr ein Drittel dieser Patienten, die die ersten 6 Monate überleben sind auf die Hilfe anderer angewiesen. Die enorme Wichtigkeit des Schlaganfalls begründet sich zudem dadurch, dass schon jetzt die sozioökonomischen Kosten 6% der gesamten Gesundheitausgaben betragen und die globale Lebenserwartung weiter steigen wird. Der ischämische Hirninfarkt ist der mit 80% vorherrschende Schlaganfalltyp und resultiert aus thrombotischen und embolischen Verschlüssen der großen hirnversorgenden Arterien und deren Ästen (insbesondere der A. cerbri media). Die wichtigste Komplikation mit hoher Mortalität nach einem ischämischen Schlaganfall ist Entwicklung eines raumfordernden vasogene Ödementwicklung. Änderungen der Permeabilität der Blut-Hirn Schranke (BHS) begleitet die Ödementwicklung und Analyse der zeitlichen BHS Permeabilität können wichtige Erkenntnisse über den natürlichen Verlauf eines Hirninfarkts und die Aktivierung kompensatorischer Mechanismen, die in Reparaturvorgänge münden, liefern. Verschiedene modelle des akuten ischämischen Schlaganfalls mit Nagetieren wurden entwickelt um die Schlaganfalltherapie des Menschen weiter zu entwickeln. Sie sind momentan unersetzliche Instrumente in der Schlaganfallforschung. Die hier vorgestellte Arbeitet setzt sich auch 3 abgeschlossenen sequentiellen Teilprojekten zusammen. Das erste Teilprojekt befasst mit der Etablierung von der nicht-invasiven Kleintierbildgebung auf einem klinischen 3 Tesla Kernspintomographen. Diese Arbeit bildet die Grundlage für das in vivo Monitoring der pathologischen Veränderungen nach Schlaganfall in einem identischen Versuchstier nachverfolgt werden kann und so die eigene Kontrolle darstellt. Gewebs relaxometrische Messungen wurden initial durchgeführt um die transverse (T2), longitudinal (T1) und transverse (T2*) Relaxationszeit (aufgrund der magnetischen Suszeptibilitätseffekte) in kortikalen und striatalen Hirnregionen der Nagetiere zu bestimmen. Statistisch signifikante Unterschiede in der T2*- Werte konnte zwischen der kortikalen und Striatalen Regionen des Gehirn von Nagetieren gefunden werden. Hierdurch konnten bestehende Messprotokolle vom Menschen auf die Nagetiere optimiert und für die Untersuchungen des Schlaganfalls genutzt werden. Diese Vorarbeiten erlauben klinisch relevante Veränderungen wie eine veränderte Diffusion und Perfusion nach ischämischen Schlaganfall zu verfolgen. Basierend auf diesen Vorarbeiten wurde die örtliche und zeitliche Charakterisierung der bi-phasischen BHS-Öffnung und der Ödementwicklung nach experimenteller I/R der Ratte mittels serieller Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Hier diente die T2-Relaxometrie zur Ödemquantifizierung und wurde 1 Stunde nach Beginn der zerebralen Ischämie, unmittelbar nach Reperfusion und im Intervall von weiteren 4, 24 und 48 Stunden durchgeführt. Eine T1-gewichtete Sequenz wurde vor und nach Gabe von Kontrastmittel an den drei letztgenannten Zeitpunkten zeigte den bi-phasischen Verlauf der BHS-Öffnung 4 und 48 Stunden nach Reperfusion. Eine signifikante Reduktion der BHS Permeabilität 24 Stunden war zum einem mit einer Erhöhung des Gesamtvolumens der gestörten BHS und zum anderen mit Maximum der Ödementwicklung assoziiert. Darüber hinaus konnte 48 Stunden nach Reperfusion bereits eine Resorption des Ödems anhand der T2-Relaxometrie gemessen werden während die zweite Phase der bi-phasischen BHS-Öffnung auftrat. Zusätzlich trat 4 Stunden nach Reperfusion eine Ödembildung auch der nicht-ischämischen Striatum auf, welche in unterschiedlichem Maße über die Studiendauer persistierte. Dies spricht dafür, dass Ischämie und Reperfusion Effekte auf das gesamte Gehirn haben können. Zusammenfassend sprechen die Beobachtung dafür, dass der zeitlichen Entwicklung des Hirnödems verschiedene Mechanismen der erhöhten Blut-Hirn Schranken Permeabilität zu Grunde liegen. Zwei Wachstumsfaktoren, der, Pigment epithelium abstammende Wachstumsfaktor (PEDF) und der epidermale Wachstumsfaktor (EGF), mit deutlich unterschiedlichen trophischen Eigenschaften wurden auf ihre positiven Effekte im etablierten Tiermodel der zerebralen I/R hin untersucht. Dabei wurden serielle MRT Untersuchungen bis hin zu einer Woche genutzt. Beide Wachstumsfaktoren führten im Model zu einer signifikanten Neuroprotektion, die sich in einer Reduktion des Infarktvolumens gegenüber einer Kontrolle mit Kochsalz zeigte. PEDF allerdings hatte gegenüber EGF eine potentere Wirkung und zeigte darüber hinaus und noch deutlicher als EGF eine signifikante Verminderung der Ödembildung. Allerdings zeigte eine Behandlung mit diesen großmolekularen Proteinen zumindest nach 24 Stunden auch eine Neigung zur Ödembildung in vom Schlaganfall nicht betroffenen Hirnarealen, deren Signifikanz allerdings noch unklar ist. T2*- gewichtete Relaxationsmessungen können dazu genutzt werden, um metabolische Veränderungen, die aus neuroprotektiven Therapieansätzen bzw. zellulärer Proliferation bzw. Neurogenese entstehen, zu quantifizieren. Hier zeigten insbesondere mit PEDF behandelte Versuchstiere eine hochsignifikante Reduktion der T2*-Werte, welche als Hinweis auf eine erhöhte metabolische Aktivität gewertet werden können. Insgesamt zeigten alle Behandlungsgruppen (Kochsalzkontrollen, EGF und PEDF) behandelte Tiere signifikant erhöhte T2*-werte auf des kontralateralen Striatums, welche auf eine weitreichende metabolische Suppression hindeuten, wie sie normalerweise bei einer Reihe von traumatischen Hirnerkrankungen gefunden werden können. Ein weiterer Befund ist, wie erwartet, die ausgedehnte Verminderung der BHS-Durchgängigkeit durch PEDF über die gesamte Dauer der Untersuchung hinweg. Diese Studie unterstreicht den Nutzen nicht-invasiver Bildgebungsstrategien, ohne die die Untersuchung der benötigten Parameter in einem longitudinalen Design nicht möglich wäre. Ausblickend müssen diese gut mittels MRT charakterisierten Prozesse durch immunhistologische und funktionelle Untersuchungen gestützt und nachfolgend publiziert werden.
KW  - Schlaganfall
KW  - Ischemie
KW  - NMR-Tomographie
KW  - Epidermaler Wachstumsfaktor
KW  - MRI
KW  - MRI
KW  - Stroke
KW  - Ischemia
KW  - PEDF
KW  - EGF
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-57341
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geissinger, Ulrike
T1  - Vaccinia Virus-mediated MR Imaging of Tumors in Mice: Overexpression of Iron-binding Proteins in Colonized Xenografts
T1  - Vaccinia Virus-vermittelte MR Bildgebung von Tumoren in Maeusen: Ueberexpression von Eisen-bindenden Proteinen in kolonisierten Heterotransplantaten
N2  - Vaccinia virus plays an important role in human medicine and molecular biology ever since the 18th century after E. Jenner discovered its value as a vaccination virus against smallpox. After the successful eradication of smallpox, vaccinia virus, apart from its use as a vaccine carrier, is today mainly used as a viral vector in molecular biology and increasingly in cancer therapy. The capability to specifically target and destroy cancer cells makes it a perfect agent for oncolytic virotherapy. Furthermore, the virus can easily be modified by inserting genes encoding therapeutic or diagnostic proteins to be expressed within the tumor. The emphasis in this study was the diagnosis of tumors using different vaccinia virus strains. Viruses with metal-accumulating capabilities for tumor detection via MRI technology were generated and tested for their usefulness in cell culture and in vivo. The virus strains GLV-1h131, GLV-1h132, and GLV-1h133 carry the gene encoding the two subunits of the iron storage protein ferritin under the control of three different promoters. GLV-1h110, GLV-1h111, and GLV-1h112 encode the bacterial iron storage protein bacterioferritin, whereas GLV-1h113 encodes the codon-optimized version of bacterioferritin for more efficient expression in human cells. GLV-1h22 contains the transferrin receptor gene, which plays an important role in iron uptake, and GLV-1h114 and GLV-1h115 contain the murine transferrin receptor gene. For possibly better iron uptake the virus strains GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156, and GLV-1h157 were generated, each with a version of a ferritin gene and a transferrin receptor gene. GLV-1h154 carries the genes that encode bacterioferritin and human transferrin receptor, GLV-1h155 the human ferritin H-chain gene and the human transferrin receptor gene. GLV-1h156 and GLV-1h157 infected cells both express the mouse transferrin receptor and bacterioferritin or human ferritin H-chain, respectively. The virus strains GLV-1h186 and GLV-1h187 were generated to contain a mutated form of the ferritin light chain, which was shown to result in iron overload and the wildtype light chain gene, respectively. The gene encoding the Divalent Metal Transporter 1, which is a major protein in the uptake of iron, was inserted in the virus strain GLV-1h102. The virus strain GLV-1h184 contains the magA gene of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum, which produces magnetic nanoparticles for orientation in the earth’s magnetic field. Initially the infection and replication capability of all the virus strains were analyzed and compared to that of the parental virus strain GLV-1h68, revealing that all the viruses were able to infect cells of the human cancer cell lines A549 and GI-101A. All constructs exhibited a course of infection comparable to that of GLV-1h68. Next, to investigate the expression of the foreign proteins in GI-101A and A549 cells with protein analytical methods, SDS-gelelectrophoresis, Western blots and ELISAs were performed. The proteins, which were expressed under the control of the strong promoters, could be detected using these methods. To be able to successfully detect the protein expression of MagA and DMT1, which were expressed under the control of the weak promoter, the more sensitive method RT-PCR was used to at least confirm the transcription of the inserted genes. The determination of the iron content in infected GI-101A and A549 cells showed that infection with all used virus strains led to iron accumulation in comparison to uninfected cells, even infection with the parental virus strain GLV-1h68. The synthetic phytochelatin EC20 was also shown to enhance the accumulation of different heavy metals in bacterial cultures. In vivo experiments with A549 tumor-bearing athymic nude mice revealed that 24 days post infection virus particles were found mainly in the tumor. The virus-mediated expression of recombinant proteins in the tumors was detected successfully by Western blot. Iron accumulation in tumor lysates was investigated by using the ferrozine assay and led to the result that GLV-1h68-infected tumors had the highest iron content. Histological stainings confirmed the finding that iron accumulation was not a direct result of the insertion of genes encoding iron-accumulating proteins in the virus genome. Furthermore virus-injected tumorous mice were analyzed using MRI technology. Two different measurements were performed, the first scan being done with a seven Tesla small animal scanner seven days post infection whereas the second scan was performed using a three Tesla human scanner 21 days after virus injection. Tumors of mice injected with the virus strains GLV-1h113 and GLV-1h184 were shown to exhibit shortened T2 and T2* relaxation times, which indicates enhanced iron accumulation. In conclusion, the experiments in this study suggest that the bacterioferritin-encoding virus strain GLV-1h113 and the magA-encoding virus strain GLV-1h184 are promising candidates to be used for cancer imaging after further analyzation and optimization.
N2  - Das Vaccinia Virus spielt in der Humanmedizin und Molekularbiologie eine wichtige Rolle seit E. Jenner im 18. Jahrhundert seinen Nutzen als Impfvirus entdeckt hat. Nach der erfolgreichen Ausrottung der Pocken, wird das Vaccinia Virus heutzutage neben der Anwendung als Impfstoffträger hauptsächlich als viraler Vektor in der Molekularbiologie und in zunehmendem Maße in der Krebstherapie verwendet. Die Fähigkeit Krebszellen gezielt zu zerstören, macht es zu einem perfekten Wirkstoff für die onkolytische Virotherapie. Des Weiteren kann das Virus durch das Inserieren von Genen, die für therapeutische oder diagnostische Proteine kodieren, und im Tumor exprimiert werden, modifiziert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Tumordiagnose mit Hilfe verschiedener Vaccinia Virusstämme. Viren mit der Fähigkeit, Metalle anzureichern wurden zur Tumordetektion mittels Kernspintomographie hergestellt und auf ihre Nutzbarkeit in Zellkultur und in vivo getestet. Die Virusstämme GLV-1h132, GLV-1h132 und GLV-1h133 tragen das Gen, welches für die zwei Untereinheiten des Eisenspeicherproteins Ferritin kodieren unter der Kontrolle von drei verschiedenen Promotoren. GLV-1h110, GLV-1h111, und GLV-1h112 tragen das Gen, welches für das bakterielle Eisenspeicherprotein Bacterioferritin kodiert, wohingegen das inserierte Gen in GLV-1h113 für die codon-optimierte Version dieses Proteins kodiert, die eine effizientere Expression in humanen Zellen ermöglichen soll. GLV-1h22 beinhaltet das Transferrin-Rezeptor-Gen, welches eine wichtige Rolle in der Eisenaufnahme spielt, und GLV-1h114 und GLV-1h115 beinhalten das murine Transferrin-Rezeptor-Gen. Für eine möglicherweise bessere Eisenaufnahme wurden die Virusstämme GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156 und GLV-1h157 mit je einer Version eines Ferritin-Gens und eines Transferrin-Rezeptor-Gens generiert. GLV-1h154 trägt die Gene, die für Bacterioferritin und den humanen Transferrin Rezeptor kodieren, GLV-1h155 trägt die Gene für die humane Ferritin H-Untereinheit und den humanen Transferrin Rezeptor. Zellen, die mit GLV-1h156 und GLV-1h157 infiziert wurden, exprimierten den Maus-Transferrin-Rezeptor und Bacterioferritin beziehungsweise die humane Ferritin-H-Untereinheit. Die Virusstämme GLV-1h186 und GLV-1h187 wurden mit einer mutierten Form der leichten Untereinheit von Ferritin, für die eine Überladung mit Eisen gezeigt wurde, beziehungsweise mit der leichten Untereinheit des wildtypischen Gens ausgestattet. Das Gen, das für den Divalenten Metal Transporter 1 kodiert, welches ein bedeutendes Protein für die Aufnahme von Eisen darstellt, wurde in den Virusstamm GLV-1h102 inseriert. Der Virusstamm GLV-1h184 trägt das magA Gen des magnetotaktischen Bakteriums Magnetospirillum magnetotacticum, welches magnetische Nanopartikel zur Orientierung im Erdmagnetfeld produziert. Zunächst wurde die Infektions- und Replikationsfähigkeit aller Viren analysiert und mit der des Ausgangsstammes GLV-1h68 verglichen, was zeigte, dass alle Viren in der Lage waren humane Krebszellen der Zelllinien GI-101A und A549 zu infizieren. Alle Konstrukte zeigten einen vergleichbaren Infektionsverlauf zu GLV-1h68. Als nächstes, um die Expression der fremden Proteine in GI-101A und A549 Zellen zu untersuchen, wurden SDS-Gelelektrophorese, Western Blots und ELISAs durchgeführt. Die Proteine, welche unter der Kontrolle von starken Promotoren exprimiert wurden, konnten mit diesen Methoden detektiert werden. Um die Expression von MagA und DMT1 zu detektieren, welche unter der Kontrolle des schwachen Promotors exprimiert wurden, wurde die sensitivere Methode RT-PCR angewendet, mit der zumindest die Transkription der Gene nachgewiesen werden konnte. Die Bestimmung des Eisengehaltes in infizierten GI-101A und A549 Zellen zeigte, dass die Infektion mit allen Viren im Vergleich zu uninfizierten Zellen zu einer Eisenanreicherung führte, sogar die Infektion mit dem Ausgangsstamm GLV-1h68. Für das synthetische Phytochelatin EC20 wurde auch eine Anhäufung von verschiedenen Schwermetallen in Bakterienkulturen gezeigt. In vivo Experimente mit A549 tumor-tragenden athymischen Nacktmäusen ergaben, dass Viruspartikel 24 Tage nach der Infektion hauptsächlich im Tumor gefunden wurden. Die von den Viren vermittelte Expression der rekombinanten Proteine in den Tumoren wurde erfolgreich mit Hilfe von Western Blots detektiert. Die Eisenansammlung in Tumorlysaten wurde mit dem Ferrozine Assay untersucht und führte zu dem Ergebnis, dass Tumore, die mit GLV-1h68 infiziert wurden, den höchsten Eisengehalt vorwiesen. Histologische Färbungen bestätigten die Erkenntnis, dass die Eisenansammlung nicht ein direktes Resultat der Insertion von eisenansammelnden Genen in das Virusgenom war. Darüberhinaus wurden tumortragende Mäuse, denen Virus injiziert wurde, mittels Kernspintomographie analysiert. Zwei verschiedene Messungen wurden durchgeführt, wobei die erste Messung sieben Tage nach Virusinjektion mit einem sieben Tesla Kleintier-Scanner durchgeführt wurde und die zweite Messung mit einem humanen drei Tesla Scanner 21 Tage nach Virusinjektion. Tumore von Mäusen, die mit den Virusstämmen GLV-1h113 und GLV-1h184 injiziert wurden, zeigten verkürzte T2- und T2*-Relaxationszeiten, was auf eine verbesserte Eisenakkumulation hinweist. Zusammenfassend deuten die Experimente dieser Studie darauf hin, dass der Virusstamm GLV-1h113, welcher für Bacterioferritin kodiert, und der Virusstamm GLV-1h184, welcher für MagA kodiert, nach weiterer Untersuchung und Optimierung vielversprechende Kandidaten für die Krebs Bildgebung sind.
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - NMR-Tomographie
KW  - Tumor
KW  - Krebsbildgebung
KW  - Tumordetektion
KW  - Vaccinia Virus
KW  - Tumor detection
KW  - MRI
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48099
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neuberger, Thomas
T1  - Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy at ultra high fields
T1  - Magnetresonanztomographie und -spektroskopie bei sehr hohen Feldstärken
N2  - The goal of the work presented in this thesis was to explore the possibilities and limitations of MRI / MRS using an ultra high field of 17.6 tesla. A broad range of specific applications and MR methods, from MRI to MRSI and MRS were investigated. The main foci were on sodium magnetic resonance spectroscopic imaging of rodents, magnetic resonance spectroscopy of the mouse brain, and the detection of small amounts of iron labeled stem cells in the rat brain using MRI Sodium spectroscopic imaging was explored since it benefits tremendously from the high magnetic field. Due to the intrinsically low signal in vivo, originating from the low concentrations and short transverse relaxation times, only limited results have been achieved by other researchers until now. Results in the literature include studies conducted on large animals such as dogs to animals as small as rats. No studies performed on mice have been reported, despite the fact that the mouse is the most important laboratory animal due to the ready availability of transgenic strains. Hence, this study concentrated on sodium MRSI of small rodents, mostly mice (brain, heart, and kidney), and in the case of the brain on young rats. The second part of this work concentrated on proton magnetic resonance spectroscopy of the rodent brain. Due to the high magnetic field strength not only the increasing signal but also the extended spectral resolution was advantageous for such kind of studies. The difficulties/limitations of ultra high field MRS were also investigated. In the last part of the presented work detection limits of iron labeled stem cells in vivo using magnetic resonance imaging were explored. The studies provided very useful benchmarks for future researchers in terms of the number of labeled stem cells that are required for high-field MRI studies. Overall this work has shown many of the benefits and the areas that need special attention of ultra high fields in MR. Three topics in MRI, MRS and MRSI were presented in detail. Although there are significant additional difficulties that have to be overcome compared to lower frequencies, none of the work presented here would have been possible at lower field strengths.
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war neue Möglichkeiten, aber auch Grenzen der Kernmagnetresonanz an Kleintieren an NMR - Systemen mit sehr hohen Feldstärken (bis zu 17.6 Tesla) zu erkunden. Anhand ausgesuchter Anwendungen wurden Methoden der Bildgebung (MRI), der Spektroskopie (MRS) als auch der spektroskopischen Bildgebung (MRSI) untersucht. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der spektroskopischen Bildgebung von Natrium an Kleintieren. Weitere Themen sind die Protonenspektroskopie am Ratten- und Mäusehirn und die Untersuchung der Nachweisgrenze von mit Eisen markierten Stammzellen im Rattenhirn mittels der NMR Bildgebung. Spektroskopische Bildgebung von Natrium wurde durchgeführt, da diese Anwendung von besonderem Maße von dem höheren Feld profitiert. Auf Grund des intrinsisch geringen Signals in vivo, welches seine Ursachen in den relativ geringen in vivo Konzentrationen und den kurzen Relaxationszeiten hat, wurden bisher nur NMR Untersuchungen an größeren Tieren durchgeführt. In der Literatur wurden bisher noch keine Untersuchungen an dem wichtigsten Labortier, der Maus, beschrieben. Diese Arbeit konzentrierte sich daher auf Untersuchungen an Kleintieren, sprich der Ratte (Hirn) und der Maus (Hirn, Herz und Niere). Der zweite Teil der Arbeit konzentrierte sich auf Protonen MRS am Kleintierhirn. Hier war nicht nur das höhere SNR sondern auch der ebenfalls auf Grund des hohen Magnetfeldes erweiterte spektrale Bereich von Vorteil. Schwierigkeiten und Grenzen des hohen Feldes wurden in diesem Abschnitt ebenfalls untersucht. Im dritten und letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Detektierbarkeitsgrenze von mit Eisen markierten Stammzellen mittels MRI untersucht. Die Studie zeigt Richtgrößen an benötigten markierten Zellen für zukünftige Studien. Insgesamt wurden in dieser Arbeit die vielen Vorteile, aber auch die Gebiete welche besondere Aufmerksamkeit bei Messungen an sehr hohen Magnetfeldern benötigen, aufgezeigt. Drei Themen im Bereiche der Kernspintomographie, der Spektroskopie und der spektroskopischen Bildgebung wurden im Detail untersucht. Obwohl durch das hohe Magnetfeld neue Schwierigkeiten bewältigt werden mussten, wäre keine der hier präsentierten Studien bei niedrigen Feldstärken durchführbar gewesen.
KW  - NMR-Tomographie
KW  - Natrium
KW  - CSI
KW  - Spektroskopie
KW  - MRI
KW  - high field
KW  - MRS
KW  - sodium
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36670
ER  - 
TY  - THES
A1  - Purea, Edmund Armin
T1  - New Methods and Applications in Nuclear Magnetic Resonance Microscopy using small RF Coils
T1  - Neue Methoden und Anwendungen kleiner HF-Spulen in der NMR-Mikroskopie
N2  - Nuclear magnetic resonance (NMR) imaging is a well-established imaging technique. If the achieved spatial resolution is below 100 um, it is usually denoted as magnetic resonance microscopy (MRM). The spatial resolution limit is on the order of a few um. As a downside, high resolution imaging is usually time-consuming and technological requirements are very sumptuous. Furthermore, miniaturization of the radiofrequency (RF) coil leading to a so-called microcoil is necessary; it also brings along detrimental effects. Therefore, there is a high potential for optimizing present MRM methods. Hence it is the aim of this work to improve and further develop present methods in MRM with focus on the RF coil and to apply those methods on new biological applications. All experiments were conducted on a Bruker 17.6 T system with a maximum gradient strength of 1 T/m and four RF receiver channels. Minimizing the RF coil dimensions, leads to increased artefacts due to differences in magnetic susceptibility of the coil wire and surrounding air. Susceptibility matching by immersing the coil in FC-43 is the most common approach that fulfills the requirements of most applications. However, hardly any alternatives are known for cases where usage of FC-43 is not feasible due to its specific disadvantages. Two alternative substances (bromotricholoromethane and Fomblin Y25) were presented and their usability was checked by susceptibility determination and demonstration experiments after shimming under practical conditions. In a typical MRM microcoil experiment, the sample volume is significantly smaller than the maximum volume usable for imaging. This mismatch has been optimized in order to increase the experiment efficiency by increasing the number of probe coils and samples used. A four-channel probehead consisting of four individual solenoid coils suited for cellular imaging of Xenopus laevis oocytes was designed, allowing simultaneous acquisition from four samples. All coils were well isolated and allowed quantitative image acquisition with the same spatial resolution as in single coil operation. This method has also been applied in other studies for increased efficiency: using X. laevis oocytes as a single cell model, the effect of chemical fixation on intracellular NMR relaxation times T1 and T2 and on diffusion was studied for the first time. Significant reduction of relaxation times was found in all cell compartments; after reimmersion in buffer, values return close to the initial values, but there were small but statistically significant differences due to residual formaldehyde. Embryos of the same species have been studied morphologically in different developmental stages. Wild type embryos were compared to embryos that had experienced variations in protein levels of chromosomal proteins HMGN and H1A. Significant differences were found between wild type and HMGN-modified embryos, while no difference was observed between wild type and H1-modified embryos. These results were concordant with results obtained from light microscopy and histology. The technique of molecular imaging was also performed on X. laevis embryos. Commercially available antibodies coupled to ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) dextrane coated particles (MACS) served as a specific probe detectable by MRM, the aim being the detection of tissue specific contrast variations. Initially, the relaxivity of MACS was studied and compared to Resovist and VSOP particles. The iron concentration was determined quantitatively by using a general theoretical approach and results were compared to values obtained from mass spectroscopy. After incubation with MACS antibodies, intraembryonal relaxation times were determined in different regions of the embryo. These values allowed determination of local iron oxide particle concentrations, and specific binding could be distinguished from unspecific binding. Although applications in this work were focused on X. laevis oocytes and embryos, 3D-imaging on a beewolf head was also carried out in order to visualize the postpharyngeal gland. Additionally, an isolated beewolf antenna was imaged with a spatial resolution of (8 um)^3 for depiction of the antennal glands by using a microcoil that was specially designed for this sample. The experiments carried out in this work show that commercially available MRM systems can be significantly optimized by using small sample-adapted RF coils and by parallel operation of multiple coils, by which the sample throughput and thus time-efficiency is increased. With this optimized setup, practical use was demonstrated in a number of new biological applications.
N2  - Bildgebung mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) ist eine etablierte Methode. Liegt die erreichte Ortsauflösung unter 100 um, wird sie allgemein als Magnetresonanz-Mikroskopie (MRM) bezeichnet. Die Untergrenze der Auflösung liegt in der Größenordnung weniger um. Da höchstaufgelöste Bildgebung meist sehr zeitintensiv ist, kostspielige Anforderungen an die zugrunde liegende Technologie setzt und zudem durch die notwendige Verkleinerung der Hochfrequenz (HF)-Spule auf sogenannte microcoils und Erhöhung der Bildauflösung auch nachteilige Effekte zunehmen, besteht viel Optimierungsbedarf bei bestehenden MRM-Methoden. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Verbesserung und Weiterentwicklung bestehender Methoden der MRM mit besonderem Augenmerk auf die HF-Spule und ihre Anwendung auf neue biologische Fragestellungen. Alle Experimente wurden an einem Bruker 17.6T System mit einer maximalen Gradientenstärke von 1T/m und vier HF-Empfangskanälen durchgeführt. Die Miniaturisierung der HF-Spule führt zu Bildverzerrungen aufgrund des Unterschieds in magnetischer Suszeptibilität zwischen Luft und Spulendraht. Der übliche Ansatz der Suszeptibilitätsanpassung mit FC-43 ist für die meisten Anwendungen ausreichend, jedoch gibt es kaum bekannte Alternativen für den Fall, dass die Nachteile von FC-43 eine Verwendung verhindern. Es wurden zwei neue Substanzen (Bromtrichlormethan sowie Fomblin Y25) vorgestellt und ihre Verwendbarkeit mittels Suszeptibilitätsmessung und experimentellen Shim-Ergebnissen im praktischen Einsatz geprüft. Bei üblichen MRM-Experimenten mit ’microcoils’ ist das Probenvolumen deutlich kleiner als das maximal für Bildgebung zur Verfügung stehende Volumen. Dieses Ungleichgewicht wurde ausgenutzt, um die Effizienz von Mikroskopie-Experimenten durch parallelen Einsatz mehrerer ’microcoils’ zu erhöhen. Ein Probenkopf mit vier entkoppelten Solenoidspulen wurde für zelluläre Bildgebung an Xenopus laevis (Krallenfrosch)-Oozyten konstruiert. Ohne Auflösungsverlust konnten damit vier Proben zeitgleich quantitativ untersucht werden. Diese Methode wurde auch in weiteren Studien zur Steigerung der Effizienz eingesetzt: Am Modell einzelner Zellen (X. laevis-Oozyten) wurde die Auswirkung chemischer Fixierung auf NMR-Relaxationszeiten (T1, T2) sowie Diffusion erstmals intrazellulär untersucht. Es konnten erhebliche Verkürzungen der Relaxationszeiten in allen Zellkompartimenten festgestellt werden, die nach Spülung mit Pufferlösung bis auf geringe, statistisch signifikante Abweichungen bedingt durch verbleibendes Formaldehyd auf die Ausgangswerte der nichtfixierten Zelle zurückkehrten. In einem weiteren Projekt wurden Embryonen derselben Spezies in verschiedenen Entwicklungsstadien morphologisch untersucht. Wildtyp-Embryonen wurden mit Embryonen verglichen, deren natürlicher Gehalt an chromosomalen Proteinen HMGN und H1A verändert wurden. Signifikante Unterschiede zwischen Wildtyp und HMGN-veränderten Embryonen konnten festgestellt werden, während sich kein Unterschied zu H1A-veränderten Embryonen zeigte. Lichtmikroskopie und Histologie lieferten damit übereinstimmende Ergebnisse. Ebenfalls an Xenopus-Embryonen wurde die Technik der molekularen Bildgebung eingesetzt. Ziel war es, mit kommerziell erhältlichen Antikörpern, die an superparamagnetische Eisenoxidpartikel mit einer Größe von wenigen nm (USPIO) mit Dextranhülle gekoppelt sind (MACS), gewebespezifische Kontraständerungen zu erhalten. Zunächst wurde die Relaxivität von MACS untersucht und mit Resovist- sowie VSOP-Partikeln verglichen. Anschließend wurde die Eisenkonzentration quantitativ unter Zuhilfenahme eines allgemeinen theoretischen Modells bestimmt und mit Ergebnissen verglichen, die massenspektroskopisch gewonnen wurden. Nach Inkubation mit MACS wurden Relaxationszeiten intraembryonal in verschiedenen Regionen gemessen. Daraus wurden Konzentrationen von Eisenoxid-Partikeln berechnet; zusätzlich konnte zwischen spezifischer und unspezifischer Bindung differenziert werden. Obwohl der Anwendungsschwerpunkt dieser Arbeit auf der Bildgebung an X. laevis- Oozyten und Embryonen lag, wurde auch Bildgebung am Kopf eines Bienenwolfs zur 3D-Darstellung der Postpharyngealdrüse durchgeführt. Zusätzlich wurde mit einer speziell auf das Untersuchungsobjekt angepassten ’microcoil’ eine isolierte Bienenwolfantenne mit einer Auflösung von (8 um)^3 untersucht; Ziel war die Darstellung der Antennaldrüsen. Die durchgeführten Projekte zeigen, dass bei kommerziell erhältlichen MRM-Systemen deutliches Optimierungspotential existiert: zum einen durch verkleinerte und probenangepasste HF-Spulen, zum anderen durch die Parallelisierung mehrerer Spulen, wodurch der Probendurchsatz und damit die Zeiteffizienz gesteigert werden kann. Mit diesem optimierten Aufbau konnte anschließend die Nutzbarkeit der MRM bei neuen biologischen Anwendungen gezeigt werden.
KW  - Magnetische Resonanz
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - Glatter Krallenfrosch
KW  - Bienenwolf
KW  - NMR-Mikroskopie
KW  - Simultanbildgebung
KW  - MRI
KW  - magnetic resonance
KW  - imaging
KW  - microscopy
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-31066
ER  -