TY  - THES
A1  - Gram, Maximilian
T1  - Neue Methoden der Spin-Lock-basierten Magnetresonanztomographie: Myokardiale T\(_{1ρ}\)-Quantifizierung und Detektion magnetischer Oszillationen im nT-Bereich
T1  - New methods of spin-lock-based magnetic resonance imaging: myocardial T\(_{1ρ}\) quantification and detection of magnetic oscillations in the nT range
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer, robuster Methoden der Spin-Lock-basierten MRT. Im Fokus stand hierbei vorerst die T1ρ-Quantifizierung des Myokards im Kleintiermodell. Neben der T1ρ-Bildgebung bietet Spin-Locking jedoch zusätzlich die Möglichkeit der Detektion ultra-schwacher, magnetischer Feldoszillationen. Die Projekte und Ergebnisse, die im Rahmen dieses Promotionsvorhabens umgesetzt und erzielt wurden, decken daher ein breites Spektrum der Spin-lock basierten Bildgebung ab und können grob in drei Bereiche unterteilt werden. Im ersten Schritt wurde die grundlegende Pulssequenz des Spin-Lock-Experimentes durch die Einführung des balancierten Spin-Locks optimiert. Der zweite Schritt war die Entwicklung einer kardialen MRT-Sequenz für die robuste Quantifizierung der myokardialen T1ρ-Relaxationszeit an einem präklinischen Hochfeld-MRT. Im letzten Schritt wurden Konzepte der robusten T1ρ-Bildgebung auf die Methodik der Felddetektion mittels Spin-Locking übertragen. Hierbei wurden erste, erfolgreiche Messungen magnetischer Oszillationen im nT-Bereich, welche lokal im untersuchten Gewebe auftreten, an einem klinischen MRT-System im menschlichen Gehirn realisiert.
N2  - The main goal of the present work was to develop new, robust methods of spin-lock-based MRI. The initial focus was on T1ρ quantification of the myocardium in small animal models. However, in addition to T1ρ imaging, spin-locking offers the possibility of detecting ultra-weak magnetic field oscillations. The projects and results realized and obtained in this PhD project therefore cover a broad spectrum of spin-lock based imaging and can be roughly divided into three areas. The first step was to optimize the basic pulse sequence of the spin-lock experiment by introducing balanced spin-locking. The second step was to develop a cardiac MRI sequence for robust quantification of the myocardial T1ρ relaxation time on a preclinical high-field MRI scanner. In the final step, concepts of robust T1ρ imaging were adapted to spin-lock based magnetic field detection. First successful measurements of magnetic field oscillations in the nT range, which occur locally inside the tissue under investigation, were realized on a clinical MRI system in the human brain.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Magnetresonanztomographie
KW  - Kernspinresonanz
KW  - Spin-Lock
KW  - T1ρ
KW  - T1rho
KW  - Kardio-MRT
KW  - Rotary Excitation
KW  - Myokardiale T1ρ-Quantifizierung
KW  - Felddetektion
KW  - funktionelle MRT
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322552
ER  - 
TY  - THES
A1  - Munz, Eberhard
T1  - Physiological and metabolical high-resolution MRI of plants
T1  - Physiologische und metabolische hochaufgelöste Pflanzen-Magnetresonanzbildgebung
N2  - The noninvasive magnetic resonance imaging technique allows for the investigation of functional processes in the living plant. For this purpose during this work, different NMR imaging methods were further developed and applied.
For the localisation of the intrusion of water into the germinating rape seed with the simultaneous depiction of the lipid-rich tissue via a 3D rendering, in Chap. 5 the technique of interleaved chemical selective acquisition of water and lipid was used in the germinating seed. The utilization of high-resolution MR images of germinated seeds enabled the localization of a predetermined water gap in the lipid-rich aleurone layer, which resides directly under the seed coat. The for a long time in biology prevalent discussion, whether such a gap exists or the seed soaks up the water from all sides, rather like a sponge, could hereby, at least for the rapeseed seed, be answered clearly. Furthermore, the segmentation and 3D visualization of the vascular tissue in the rapeseed seeds was enabled by the high-resolution datasets, a multiply branched structure preconstructed in the seed could be shown. The water is directed by the vascular tissue and thus awakens the seed gradually to life. This re-awakening could as well be tracked by means of invasive imaging via an oxygen sensor. In the re-awakened seeds, the lipid degradation starts, other than expected, not in the lipid-rich cotyledons but in the residual endosperm remaining from seed development and in the aleurone layer which previously protected the embryo. Within this layer, the degradation could be verified in the high-resolution MR datasets.
The method presented in Chap. 6 provides a further characteristic trait for phenotyping of seeds and lipid containing plants in general. The visualization of the compounds of fatty acids in plant seeds and fruits could be achieved by the distinct utilization of chemical shift-selective imaging techniques. Via the application of a CSI sequence the fatty acid compounds in an olive were localized in a 2D slice. In conjunction with an individually adjusted CHESS presaturation module Haa85 the high-resolution 3D visualization of saturated and unsaturated fatty acid compounds in different seeds was achieved. The ratio maps calculated from these datasets allow to draw conclusions from the developmental stage or the type of seed. Furthermore, it could be shown that the storage condition of two soybean seeds with different storage time durations lead to no degradation of the fatty acid content.
Additional structural information from inside of dry seeds are now accessible via MRI. In this work the imaging of cereal seeds could be significantly improved by the application of the UTE sequence. The hitherto existing depictions of the lipid distribution, acquired with the spin echo sequence, were always sufficient for examinations of the lipid content, yet defects in the starchy endosperm or differences in the starch concentration within the seed remained constantly unseen with this technique. In a direct comparison of the datasets acquired with the previous imaging technique (spin echo) and with UTE imaging, the advantage of data acquisition with UTE could be shown. By investigating the potential seed compounds (starch, proteins, sugar) in pure form, the constituent parts contributing to the signal could be identified as bound water (residual moisture) and starch. The application of a bi-exponential fit on the datasets of the barley seed enabled the separate mapping of magnetization and of relaxation time of two components contributing to the NMR signal. The direct comparison with histological stainings verified the previous results, thus this technique can be used for the selective imaging of starch in dry seeds.
Conclusions on the translocation characteristics in plants can be drawn by the technique proposed in Chap. 8. The associated translocation velocities can now, even in the range of several um/h, be determined in the living plant. Based on calculated concentrations of an MR contrast agent, which was taken up by the plant, these translocation velocities were estimated both in longitudinal direction, thus along the vascular bundle, and in horizontal direction, thus out of the bundle. The latter velocity is located below the contrast agent's velocity value of free diffusion. By adjusting a dynamic contrast-enhancing imaging technique (DCE-Imaging, Tof91) the acquisition duration of a T1-map was significantly reduced. By means of these maps, local concentrations  of the contrast agent in plant stems and the siliques of the rapeseed plant could be determined.
Numerous questions in plant science can only be answered by non-invasive techniques such as MRI. For this reason, besides the experimental results achieved in this work, further NMR methods were tested and provided for the investigation of plants.
As an example, the study on the imaging of magnetic exchange processes are mentioned, which provided the groundwork for a possible transfer of CEST experiments (Chemical Exchange Saturation Transfer) to the plant. The results are presented in the bachelor thesis of A. Jäger Jae17, which was performed under my supervision, they find great interest under biologists.
The development of new technologies, which extend the possibilities for the investigation of living organisms, is of great importance. For this reason, I have contributed to the development of the currently unpublished method RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations  [Jak17,  Reu17, Gut18a]). By rephasing the transferred magnetization the utilization of properties which have not been available in chemical "`exchange"' experiments is enabled. With this method a positive contrast is generated, thus a reference experiment is not mandatory. Furthermore, the image phase, which in classical experiments contains no information about the exchanged protons, can be used for the distinct identification of multiple substances which have been excited simultaneously.

This recently at the Department of Experimental Physics V developed method can be used in particular for the identification of lipids and for the localization of sugars and amino acids, thus it can serve the enhancement and improvement of non-invasive analytical methods.
N2  - Die nicht-invasive Bildgebungstechnik der Magnetresonanz ermöglicht es, funktionelle Prozesse in Pflanzen am lebenden Objekt zu untersuchen. Hierfür wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene NMR-Bildgebungsmethoden weiterentwickelt und angewendet. Da Pflanzen ein magnetisch sehr inhomogenes Gewebe besitzen, bedingt durch Lufteinschlüsse und das Vorhandensein verschiedenster gelöster Stoffe im Pflanzengewebe, wurden daher hauptsächlich Spin-Echo-Methoden für die Bildgebung verwendet.
Um das erste Eindringen des Wassers in den keimenden Raps-Samen bei gleichzeitiger Darstellung des lipid-reichen Gewebes mittels einer 3D-Visualisierung zu lokalisieren, wurde in Kapitel 5 die Technik der verschachtelten, chemisch selektiven Aufnahme von Wasser und Lipid im keimenden Samen verwendet. Durch Verwendung von hochausgelösten MR-Aufnahmen an gekeimten Samen konnte weiterhin in der lipid-reichen Aleuron-Schicht, die sich direkt unter der Samenschale befindet, ein gezielt angelegter Einlass für das Wasser verortet werden. Die in der Biologie lange Zeit verbreitete Diskussion, ob es einen solchen Einlass gibt oder der keimende Samen das Wasser eher wie ein Schwamm von allen Seiten aufsaugt, konnte hierdurch, zumindest für den Raps-Samen, eindeutig beantwortet werden. Weiterhin konnte durch die hoch-aufgelösten Aufnahmen das vaskuläre Gewebe in den Raps-Samen segmentiert und in 3D veranschaulicht werden, es zeigte sich eine mehrfach verzweigte Struktur, die bereits im Samen angelegt ist. Das Wasser folgt hierbei dem vaskulären Gewebe und erweckt hierdurch den Samen schrittweise zum Leben. Dieses Wieder-Erwachen konnte ebenfalls durch die invasive Bildgebung mittels eines Sauerstoff-Sensors nachverfolgt werden. Im nun erwachten Samen selbst beginnt der Lipid-Abbau, anders als zunächst angenommen, nicht in den lipid-haltigen Kotyledonen sondern im von der Samen-Entwicklung verbliebenden Endosperm und in der den Keimling vormals schützenden Aleuron-Schicht. In dieser konnte der Abbau an gekeimten Samen durch hochaufgelöste MR-Aufnahmen nachgewiesen werden.
Die in Kapitel 6 vorgeschlagene Methode liefert ein weiteres Merkmal zur Phenotypisiserung von Samen und lipidhaltigen Pflanzenbestandteilen im Allgemeinen. Die Darstellung der Bestandteile ungesättigter Fettsäuren in Pflanzensamen und -Früchten konnte durch gezielte Verwendung von chemisch selektiven Bildgebungstechniken erreicht werden. Durch die Anwendung einer CSI-Sequenz konnten die Fettsäurebestandteile in Oliven in einer 2D-Schicht lokalisiert werden. In Verbindung mit einem jeweils angepassten CHESS-Vorsättigungsmodul Haa85 wurde die hochaufgelöste 3D-Darstellung von gesättigten und ungesättigten Fettsäurebestandteilen in unterschiedlichen Samen erreicht. Rückschlüsse über das Entwicklungsstadium sowie die Sorte der verwendeten Samen können aus den Verhältnis-Karten, die aus den jeweiligen Datensätzen berechnet wurden, gezogen werden. Dass in diesem Fall die Aufbewahrungsmethode zu keiner Degradation der Fettsäurezusammensetzung geführt hat, konnte weiterhin am Beispiel von zwei Sojasamen mit unterschiedlicher Lagerdauer gezeigt werden. 
Zusätzliche strukturelle Informationen aus dem Inneren trockener Samen sind nun mittels MRT zugänglich. In dieser Arbeit konnte durch die UTE-Sequenz die Bildgebung von Getreidesamen deutlich vorangebracht werden. Die bisherigen Darstellungen der Lipid-Verteilung, aufgenommen mit einer Spin-Echo Sequenz, waren zwar für die Betrachtung des Lipid-Gehalts stets ausreichend, Defekte im stärkehaltigen Endosperm oder Unterschiede in der Stärke-Konzentration innerhalb des Samen blieben mit dieser Technik jedoch stets verborgen. Im direkten Vergleich der mit der bisherigen Technik (Spin-Echo) und der UTE-Bildgebung aufgenommenen Datensätze konnte der Vorteil der Datenaufnahme mit UTE gezeigt werden. Durch die Untersuchung der möglichen Samenbestandteile (Stärke, Proteine, Zucker) in Reinform konnten die zum Signal beitragen Bestandteile als gebundenes Wasser (Restfeuchte) und Stärke identifiziert werden. Die Verwendung bi-exponentiellen Fits and die Messdaten ermöglichte es im Gersten-Samen, zwei zum Signal beitragende Komponenten in getrennten Karten bezüglich ihrer Magnetisierung und Relaxationszeit zu trennen. Der Vergleich mit histologischen Färbungen bestätigte die bisherigen Ergebnisse, somit kann diese Technik zur selektiven Darstellung von Stärke in trockenen Samen verwendet werden. 
Rückschlüsse auf das Transportverhalten in Pflanzen können durch die in Kapitel 8 vorgestellte Technik gezogen werden. Die zugehörigen Transportgeschwindigkeiten im lebenden Pflanzenobjekt können nun, selbst im Bereich von wenigen $\mu$m/h, bestimmt werden. Diese wurden anhand von berechneten Konzentrationen eines von der Pflanze aufgenommenen MR-Kontrastmittels sowohl in longitudinaler Richtung, also entlang des Leitgewebebündels, als auch in horizontaler Richtung, also aus dem Leitbündel heraus, abgeschätzt werden; Letztere Geschwindigkeit liegt deutlich unter dem Wert der freien Diffusionsgeschwindigkeit des Kontrastmittels. Hierfür wurden durch Anpassung einer dynamischen Kontrast-erhöhenden Bildgebungstechnik (DCE-Imaging, Tof91) die Aufnahmedauer einer für die weiteren Berechnungen benötigen T1-Karte deutlich reduziert. Mittels dieser Karten konnten die lokalen Konzentrationen des Kontrastmittels in Pflanzenstängeln und Schoten der Rapspflanze bestimmt werden.
Zahlreiche Fragen in der Pflanzenforschung können nur durch nicht-invasive Techniken wie MRT beantwortet werden. Deswegen wurden, neben den experimentellen Ergebnissen, die mittels dieser Arbeit erreicht wurden, auch weitere NMR Methoden für die Untersuchung von Pflanzen getestet und zur Verfügung gestellt.
Als Beispiel seien hier die Untersuchungen zur Bildgebung von magnetischen Austauschprozessen genannt, welche eine Vorarbeit zur möglichen Übertragung con CEST-Experimenten (Chemical Exchange Saturation Transfer) auf das Modell Pflanze liefern. Die Ergebnisse sind in der Bachelor-Arbeit von A. Jäger \cite{jaeger17}, an deren Durchführung ich als Betreuer maßgeblich beteiligt war, dargestellt und finden großes Interesse bei Biologen.
Von besonderer Wichtigkeit sind auch die Entwicklungen neuer Technologien, die die Möglichkeiten zur Untersuchung von lebenden Organismen erweitern können. Deswegen habe ich zu der Entwicklung der bislang unveröffentlichten Methode RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations [Jak17, Reu17, Gut18a]) beigetragen. Durch das Rephasieren der transferierten Magnetisierung können Eigenschaften, die bislang in chemischen "`Austausch"'-Experimenten nicht zur Verfügung stehen, ausgenutzt werden. Mit dieser Methode wird ein positiver Kontrast erzeugt, sie ist deshalb nicht zwingend auf ein Referenz-Experiment angewiesen. Weiterhin kann die Bildphase, welche in klassichen CEST-Experimenten keine Information über die ausgetauschten Protonen enthält, zur eindeutigen Identifizierung mehrerer parallel angeregter Substanzen verwendet werden.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Pflanzen
KW  - Pflanzenbildgebung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172518
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vogel, Patrick
T1  - Traveling Wave Magnetic Particle Imaging
T1  - Traveling Wave Magnetic Particle Imaging
N2  - Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine noch sehr junge Technologie unter den nicht-invasiven tomographischen Verfahren. Seit der ersten Veröffentlichung 2005 wurden einige Scannertypen und Konzepte vorgestellt, welche durch die Messung des Antwortsignals von superparamagnetischen Eisennanopartikeln (SPIOs) auf wechselnde Magnetfelder ein dreidi-mensionales Bild ihrer Verteilung berechnen können. Durch die direkte Messung des Tracers handelt es sich beim MPI um eine sehr sensitive und hochspezifische bildgebende Methode.
Zu Beginn dieser Forschungsarbeit gab es nur wenige bekannte MPI-Scanner, die jedoch alle ein nur kleines Field-of-View (FOV) vorweisen konnten. Der Grund dafür liegt in der Ver-wendung von Permanentmagneten.
Das Ziel war es nun, ein neues Konzept auszuarbeiten und einen 3D-MPI-Scanner zu entwer-fen, der in der Lage ist, ein mausgroßes Objekt zu messen.
In dieser Arbeit wird ein alternatives Scannerkonzept für die dreidimensionale Bildge-bung superparamagnetischer Eisennanopartikel vorgestellt. Der Traveling Wave MPI-Scanner (TWMPI) basiert auf einem neu entwickelten Hauptspulensystem, welches aus mehreren Elektromagneten besteht. Dadurch ist die Hardware bereits in der Lage, eine Linie entlang der Symmetrieachse über einen großen Bereich dynamisch zu kodieren. Mit Hilfe weiterer Ab-lenkspulen kann schließlich ein FOV von 65 x 25 x 25 Millimetern dreidimensional abgetastet werden. Dazu stehen mehrere Scanverfahren zur Verfügung, welche das Probenvolumen li-nienweise oder ebenenweise abtasten und mit einer Auflösung von ca. 2 Millimetern die Ver-teilung der SPIOs in wenigen Millisekunden abbilden können.
Mit diesem neuen Hardwareansatz konnte erstmals ein MPI-Scanner mit einem MR-Tomographen (MRT) kombiniert werden. Das MPI/MRT-Hybridsystem liefert tomographi-sche Bilder des Gewebes (MRT) und zeigt die Verteilung des eisenhaltigen Kontrastmittels (MPI), ohne die Probe bewegen zu müssen.
In einer in-vivo Echtzeitmessung konnte der TWMPI-Scanner mit 20 Bildern pro Se-kunde die dynamische Verteilung eines eisenhaltigen Kontrastmittels im Körper und speziell im schlagenden Herzen eines Tieres darstellen. Diese Echtzeitfähigkeit eröffnet in der kardi-ovaskuläre Bildgebung neue Möglichkeiten.
Erste Messungen mit funktionalisierten Eisenpartikeln zeigen die spezifische Bildge-bung verschiedener Zelltypen und stellen einen interessanten Aspekt für die molekulare Bild-gebung dar. Die Sensitivität des Scanners liegt dabei im Bereich von wenigen Mikrogramm Eisen pro Milliliter, was für den Nachweis von wenigen 10.000 mit Eisen markierten Zellen ausreicht.
Neben Messungen an diversen Ferrofluiden und eisenhaltigen Kontrastmitteln konnte der Einfluss von massiven Materialen, wie Eisenstückchen oder Eisenspänen, auf die rekon-struierten Bilder untersucht werden.
Erste Messungen an Gestein zeigen die Verteilung von Eiseneinschlüssen und bieten die Möglichkeit einer weiteren zerstörungsfreien Untersuchungsmethode für Materialwissen-schaftler und Geologen. Weiterführende Testmessungen mit einer unabhängigen μMPI-Anlage zeigen erste Ergebnisse mit Auflösungen im Mikrometerbereich und liefern Erkennt-nisse für den Umgang und Messung mit starken Gradientenfeldern.
Eine Modifizierung der Messanlage erlaubt es, in gerade einmal 500 μs ein komplettes Bild aufzunehmen, womit die Bewegung eines Ferrofluidtropfens in Wasser sichtbar gemacht werden konnte. Damit ist diese TWMPI-Anlage das schnellste MPI-System und eröffnet die Möglichkeit grundlegende Erfahrungen in der Partikeldynamik zu erlangen.
Der vorgestellte Traveling Wave MPI-Scanner ist ein alternativer Scannertyp, welcher sich von anderen MPI-Scannern abhebt. Mit neuen Ansätzen ist in der Lage ein mausgroßes Objekt auf dynamische Weise sehr schnell abzutasten. Dabei konnten in verschiedenen Mes-sungen die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des TWMPI-Konzeptes demonstriert wer-den, welche die gesteckten Ziele deutlich übertreffen.
N2  - Magnetic particle imaging (MPI) is still a very young technology among the non-invasive tomographic modalities. Since its first publication in 2005, several types of scanners and concepts were presented, which can reconstruct a three-dimensional image of the distri-bution of superparamagnetic iron-oxide nanoparticles (SPIOs) by measuring their magnetiza-tion response to varying magnetic fields. Due to the direct measurement of the tracer MPI is a very sensitive and highly specific imaging modality.
At the beginning of this project only a few MPI-scanners were known, but all of them are limited to a small field-of-view (FOV). The reason for this is the use of permanent mag-nets.
The aim of this work was to develop a new concept and design for a 3D-MPI-scanner, which is able to measure a mouse sized object.
In this thesis an alternative scanner concept for three-dimensional imaging of super-paramagnetic iron nanoparticles is presented. The Traveling Wave-MPI-scanner (TWMPI) is based on a newly developed main coil system, which consists of a series of electromagnets. This coil array is by itself able to dynamically encode a line along the symmetry axis over an extended length. With additional offset coils the system is able to scan a FOV of 65 x 25 x 25 millimeters in three dimensions. For scanning the whole volume several tech-niques are available, which map the data line-by-line or slice-by-slice in a few milliseconds and yield the distribution of SPIOs with a resolution of about 2 millimeters.
Using this new hardware approach a MPI-scanner was successfully combined with an MRI-scanner for the first time. The MPI/MRI-hybrid-system provides tomographic images of the tissue (MRI) and detects the distribution of iron-containing contrast agent (MPI), without the need to move the sample.
In an in-vivo real-time measurement using the TWMPI-scanner the dynamic distribu-tion of an iron-containing contrast agent was visualized in the body and especially in the beat-ing heart of an animal with a temporal resolution of 20 frames per second. This real-time ca-pability opens up new possibilities in cardio-vascular imaging.
First measurements using functionalized iron-oxide nanoparticles specifically detect different cell types and thereby provide an interesting aspect for molecular imaging. The sensi-tivity of the scanner is in the range of a few micrograms of iron per milliliter, which is suffi-cient to detect about 50,000 iron-labeled cells.
In several studies the influence of various ferrofluids, iron-containing contrast agents and solid materials, such as pieces of iron or iron filings, were examined on the reconstructed images.
First measurements on ferrous rock show the location of iron-inclusions and offer an-other non-destructive imaging technique for material scientists and geologists. Additional tests with an independent μMPI-system were performed to explore resolutions in the micrometer range and provide insights for handling and measuring with a high gradient strength.
A modification of the setup allows to acquire a full slice in just 500 microseconds, which enable the visualization of the motion of a droplet of ferrofluid in water. With this TWMPI is the fastest MPI-system available and gives access to fundamental studies of particle dynamics.
The presented Traveling Wave MPI-system is an alternative scanner concept, which sets itself apart from other MPI-scanners. Mouse-sized objects can be imaged in a dynamic way in very short times. The feasibility and performance of the TWMPI-concept were suc-cessfully demonstrated in various measurements considerably exceeding the original aims.
KW  - Magnetpartikelbildgebung
KW  - Traveling Wave Magnetic Particle Imaging
KW  - Traveling Wave Magnetic Particle Imaging
KW  - tomographic imaging method
KW  - molecular imaging
KW  - field free point (FFP)
KW  - Tomografie
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-132700
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  -