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Growth, ageing and atherosclerotic plaque development alter the biomechanical forces acting on the vessel wall. However, monitoring the detailed local changes in wall shear stress (WSS) at distinct sites of the murine aortic arch over time has been challenging. Here, we studied the temporal and spatial changes in flow, WSS, oscillatory shear index (OSI) and elastic properties of healthy wildtype (WT, n = 5) and atherosclerotic apolipoprotein E-deficient (Apoe\(^{−/−}\), n = 6) mice during ageing and atherosclerosis using high-resolution 4D flow magnetic resonance imaging (MRI). Spatially resolved 2D projection maps of WSS and OSI of the complete aortic arch were generated, allowing the pixel-wise statistical analysis of inter- and intragroup hemodynamic changes over time and local correlations between WSS, pulse wave velocity (PWV), plaque and vessel wall characteristics. The study revealed converse differences of local hemodynamic profiles in healthy WT and atherosclerotic Apoe\(^{−/−}\) mice, and we identified the circumferential WSS as potential marker of plaque size and composition in advanced atherosclerosis and the radial strain as a potential marker for vascular elasticity. Two-dimensional (2D) projection maps of WSS and OSI, including statistical analysis provide a powerful tool to monitor local aortic hemodynamics during ageing and atherosclerosis. The correlation of spatially resolved hemodynamics and plaque characteristics could significantly improve our understanding of the impact of hemodynamics on atherosclerosis, which may be key to understand plaque progression towards vulnerability.
Dynamic light scattering is a popular technique to determine the size distribution of small particles in the sub micrometer region. It operates in reciprocal space, by analyzing the signal fluctuations with the photon auto correlation function. Equally, pulsed field gradient magnetic resonance is a technique generating data in the reciprocal space of the density distribution of an object. Here we show the feasibility of employing a magnetic resonance imaging system as a dynamic scattering device similar to dynamic light scattering appliances. By acquiring a time series of single data points from reciprocal space, analogue to dynamic light scattering, we demonstrate the examination of motion patterns of microscopic particles. This method allows the examination of particle dynamics significantly below the spatial resolution of magnetic resonance imaging. It is not limited by relaxation times and covers a wide field of applications for particle or cell motion in opaque media.
Magnetic particle imaging is an emerging tomographic method used for evaluation of the spatial distribution of iron‐oxide nanoparticles. In this work, the effect of the polymer coating on the response of particles was studied. Particles with covalently crosslinked coating showed improved signal and image resolution.
Quantifizierung myokardialer Mikrostruktur und Perfusion mittels longitudinaler NMR Relaxation
(2018)
Ziel der Arbeit war es die Quantifizierung funktioneller bzw. mikrostruktureller Parameter des Herzmuskels mit Hilfe T1-basierter Methoden zu verbessern. Diese Methoden basieren darauf, die gewünschte Information durch eine geeignete Präparation der Magnetisierung bzw. durch die Gabe von Kontrastmittel in den Zeitverlauf der longitudinalen Relaxation zu kodieren. Aus der Änderung der Relaxationszeit läßt sich dann die gewünschte Information bestimmen. Dafür sollte sowohl der Einfluß der Anatomie als auch derjenige der Meßmethodik auf die Bestimmung der longitudinalen Relaxationszeit und damit auf die Quantifizierung der Funktion bzw. Mikrostrukturparameter untersucht werden.
Speziell der Einfluß der Bildgebungssequenz führt dazu, daß nur eine scheinbare Relaxationszeit gemessen wird. Während dies keinen Einfluß auf die T1-basierte Bestimmung der untersuchten Mikrostrukturparameter hatte, ergab sich für die Perfusionsquantifizierung eine deutliche Abhängigkeit von den Parametern der verwendeten IRLL-Sequenz. Um diesen Einfluß gerecht zu werden, wurden an die Meßmethodik angepaßte Gleichungen zur Bestimmung der Perfusion gefunden mit denen die systematischen Abweichungen korrigiert werden können. Zusätzlich reduzieren die angepaßten Gleichungen die Anforderungen bezüglich der Inversionsqualität im schichtselektiven Experiment. Dies wurde in einem weiteren Projekt bei der Bestimmung der Nierenperfusion im Mausmodell ausgenutzt.
Neben der Untersuchung der Auswirkungen der Meßmethode wurde auch der Einfluß der anatomischen Besonderheiten des Blutkreislaufs am Herzen auf die Parameterquantifizierung mittels T1-basierter Methoden untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß auf Grund der Anatomie des Herzens bei typischen Orientierungen der Bildgebungsschicht, auch bei der schichtselektiven Inversionspräparation der Magnetisierung des Herzmuskels ein Anteil des Blutpools invertiert wird. Daraus folgt, daß die vereinfachende Annahme, nach welcher bei schichtselektiver Präparation in Folge von Perfusion nur Blut mit Gleichgewichtsmagnetisierung den Herzmuskel erreicht, nicht erfüllt ist. Es konnte gezeigt werden, daß dies bei Perfusion zu einer deutlichen Unterschätzung der berechneten Perfusionswertes führt. Um mit diesem Problem umgehen zu können, wurde aufbauend auf einem vereinfachten Modell der zeitlichen Entwicklung der Blutmagnetisierung eine Korrektur für die Bestimmung der Perfusionswerte gefunden welche den Einfluß der anatomischen Besonderheiten berücksichtigt.
Das für die Perfusionskorrektur eingeführte Model prognostiziert ebenso, daß auch bei schichtselektiver Inversion die T1-basierte Bestimmung der untersuchten Mikrostrukturparameter von der Perfusion abhängig wird und eine systematische Überschätzung der quantifizierten Werte verursacht. Da die Perfusion im Kleintier deutlich höher ist als im Menschen, ist dieser Einfluß besonders in der präklinischen Forschung zu beachten. So können dort allein durch verminderte Perfusion deutliche Änderungen in den bestimmten Werten der Mikrostrukturparameter erzeugt werden, welche zu einer fehlerhaften Interpretation der Ergebnisse führen und somit ein falsches Bild für die Vorgänge im Herzmuskel suggerieren. Dabei bestätigt der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur die Vorhersagen für das Rattenmodell. Beim Menschen ist der prognostizierte Effekt deutlich kleiner. Der prognostizierte Fehler bspw. im RBV-Wert liegt in diesem Fall bei etwa 10% und wird üblicherweise in der aktuellen Forschung vernachlässigt. Inwieweit dies in er klinischen Forschung gerechtfertigt ist, muß in weiteren Untersuchungen geklärt werden.
Den untersuchten Methoden zur Bestimmung von funktionellen und mikrostrukturellen Parametern ist gemein, daß sie eine exakte Quantifizierung der longitudinalen Relaxationszeit T1 benötigen. Dabei ist im Kleintierbereich die klassische IRLL-Methode als zuverlässige Sequenz zur T1-Quantifizierung etabliert. In der klinischen Bildgebung werden auf Grund der unterschiedlichen Zeitskalen und anderer technischer Voraussetzungen andere Anforderungen an die Datenakquisition gestellt. Dabei hat in den letzten Jahren die MOLLI-Sequenz große Verbreitung gefunden. Sie ist eine Abwandlung der IRLL-Sequenz, bei der mit einer bSSFP-Bildgebungssequenz getriggert ganze Bilder während eines Herzschlages aufgenommen werden. Die MOLLI-Sequenz reagiert dabei empfindlich auf die Wartezeiten zwischen den einzelnen Transienten. Um mit diese Problematik in den Griff zu bekommen und gleichzeitig die Meßzeit verkürzen zu können wurde eine neue Methode zum Fitten der Daten entwickelt, welche die Abhängigkeit der scheinbaren Relaxationszeit von der Wartezeit zwischen den einzelnen Transienten, sowie der mittleren Herzrate fast vollständig eliminiert. Diese Methode liefert für das ganze klinisch Spektrum an erwarteten T1-Zeiten, vor und nach Kontrastmittelgabe, stabile Ergebnisse und erlaubte ein deutliche Verkürzung der Meßzeit, ohne die Anzahl der aufgenommenen Meßzeitpunkte zu reduzieren. Dies wurde in einer initialen klinischen Studie genutzt, um ECV-Werte in Patienten zu bestimmen.
Ein Nachteil der Verwendung der MOLLI-Sequenz ist, daß nur die scheinbare Relaxationszeit aus den Fit der Meßdaten bestimmt wird. Die standardmäßig genutzte Korrektur benutzt aber dem gefitteten Wert der Gleichgewichtsmagnetisierung um den wahren T1-Wert zu bestimmen. Somit ist es für die Bestimmung des T1-Wertes notwendig, die Qualität der Inversionspräparation zu kennen. Auf Basis der neuen Fitmethode wurde eine Anpassung der MOLLI-Sequenz demonstriert, welche die Bestimmung der Gleichgewichtsmagnetisierung unabhängig von der Qualität der Inversionspräparation erlaubt. Dafür verlängert sich die Meßdauer lediglich um einen Herzschlag um in geeigneter Weise ein zusätzliches Bild aufnehmen zu können.
Abschließend wurde in dieser Arbeit der Signal-Zeit-Verlauf der MOLLI-Sequenz eingehend theoretische untersucht um ein besseres Verständnis der getriggerten IRLL-Sequenzen zu entwickeln. In diesem Zusammenhang konnte eine einfache Interpretation der scheinbaren Relaxationszeit gefunden werden. Ebenso konnte erklärt werden, warum die für ungetriggerte IRLL-Sequenzen abgeleitete Korrekturgleichung auch im getriggerten Fall erstaunlich gute Ergebnisse liefert. Weiterhin konnten Fehlerquellen für die verbleibenden Abweichungen identifiziert werden, welche als Ausgangspunkt für die Ableitung verbesserter Korrekturgleichungen genutzt werden können.
In biological tissue, an accumulation of similarly shaped objects with a susceptibility difference to the surrounding tissue generates a local distortion of the external magnetic field in magnetic resonance imaging. It induces stochastic field fluctuations that characteristically influence proton spin dephasing in the vicinity of these magnetic perturbers. The magnetic field correlation that is associated with such local magnetic field inhomogeneities can be expressed in the form of a dynamic frequency autocorrelation function that is related to the time evolution of the measured magnetization. Here, an eigenfunction expansion for two simple magnetic perturber shapes, that of spheres and cylinders, is considered for restricted spin diffusion in a simple model geometry. Then, the concept of generalized moment analysis, an approximation technique that is applied in the study of (non-)reactive processes that involve Brownian motion, allows deriving analytical expressions of the correlation function for different exponential decay forms. Results for the biexponential decay for both spherical and cylindrical magnetized objects are derived and compared with the frequently used (less accurate) monoexponential decay forms. They are in asymptotic agreement with the numerically exact value of the correlation function for long and short times.
Microstructural Analysis of Peripheral Lung Tissue through CPMG Inter-Echo Time R2 Dispersion
(2015)
Since changes in lung microstructure are important indicators for (early stage) lung pathology, there is a need for quantifiable information of diagnostically challenging cases in a clinical setting, e.g. to evaluate early emphysematous changes in peripheral lung tissue. Considering alveoli as spherical air-spaces surrounded by a thin film of lung tissue allows deriving an expression for Carr-Purcell-Meiboom-Gill transverse relaxation rates R-2 with a dependence on inter-echo time, local air-tissue volume fraction, diffusion coefficient and alveolar diameter, within a weak field approximation. The model relaxation rate exhibits the same hyperbolic tangent dependency as seen in the Luz-Meiboom model and limiting cases agree with Brooks et al. and Jensen et al. In addition, the model is tested against experimental data for passively deflated rat lungs: the resulting mean alveolar radius of RA = 31.46 \(\pm\) 13.15 \(\mu\)m is very close to the literature value (similar to 34 \(\mu\)m). Also, modeled radii obtained from relaxometer measurements of ageing hydrogel foam (that mimics peripheral lung tissue) are in good agreement with those obtained from mu CT images of the same foam (mean relative error: 0.06 \(\pm\) 0.01). The model's ability to determine the alveolar radius and/or air volume fraction will be useful in quantifying peripheral lung microstructure.
This longitudinal study was performed to evaluate the feasibility of detecting the interaction between wall shear stress (WSS) and plaque development. 20 ApoE\(^{-/-}\)mice were separated in 12 mice with Western Diet and 8 mice with Chow Diet. Magnetic resonance (MR) scans at 17.6 Tesla and histological analysis were performed after one week, eight and twelve weeks. Allin vivoMR measurements were acquired using a flow sensitive phase contrast method for determining vectorial flow. Histological sections were stained with Hematoxylin and Eosin, Elastica van Gieson and CD68 staining. Data analysis was performed using Ensight and a Matlab-based "Flow Tool". The body weight of ApoE\(^{-/-}\)mice increased significantly over 12 weeks. WSS values increased in the Western Diet group over the time period; in contrast, in the Chow Diet group the values decreased from the first to the second measurement point. Western Diet mice showed small plaque formations with elastin fragmentations after 8 weeks and big plaque formations after 12 weeks; Chow Diet mice showed a few elastin fragmentations after 8 weeks and small plaque formations after 12 weeks. Favored by high-fat diet, plaque formation results in higher values of WSS. With wall shear stress being a known predictor for atherosclerotic plaque development, ultra highfield MRI can serve as a tool for studying the causes and beginnings of atherosclerosis.
Magnetic nanoparticles (MNPs) have been adapted for many applications, e.g., bioassays for the detection of biomarkers such as antibodies, by controlled engineering of specific surface properties. Specific measurement of such binding states is of high interest but currently limited to highly sensitive techniques such as ELISA or flow cytometry, which are relatively inflexible, difficult to handle, expensive and time-consuming. Here we report a method named COMPASS (Critical-Offset-Magnetic-Particle-SpectroScopy), which is based on a critical offset magnetic field, enabling sensitive detection to minimal changes in mobility of MNP ensembles, e.g., resulting from SARS-CoV-2 antibodies binding to the S antigen on the surface of functionalized MNPs. With a sensitivity of 0.33 fmole/50 µl (≙7 pM) for SARS-CoV-2-S1 antibodies, measured with a low-cost portable COMPASS device, the proposed technique is competitive with respect to sensitivity while providing flexibility, robustness, and a measurement time of seconds per sample. In addition, initial results with blood serum demonstrate high specificity.
Background
Oncolytic virotherapy of tumors is an up-coming, promising therapeutic modality of cancer therapy. Unfortunately, non-invasive techniques to evaluate the inflammatory host response to treatment are rare. Here, we evaluate \(^{19}\)F magnetic resonance imaging (MRI) which enables the non-invasive visualization of inflammatory processes in pathological conditions by the use of perfluorocarbon nanoemulsions (PFC) for monitoring of oncolytic virotherapy.
Methodology/Principal Findings
The Vaccinia virus strain GLV-1h68 was used as an oncolytic agent for the treatment of different tumor models. Systemic application of PFC emulsions followed by \(^1H\)/\(^{19}\)F MRI of mock-infected and GLV-1h68-infected tumor-bearing mice revealed a significant accumulation of the \(^{19}\)F signal in the tumor rim of virus-treated mice. Histological examination of tumors confirmed a similar spatial distribution of the \(^{19}\)F signal hot spots and \(CD68^+\)-macrophages. Thereby, the \(CD68^+\)-macrophages encapsulate the GFP-positive viral infection foci. In multiple tumor models, we specifically visualized early inflammatory cell recruitment in Vaccinia virus colonized tumors. Furthermore, we documented that the \(^{19}\)F signal correlated with the extent of viral spreading within tumors.
Conclusions/Significance
These results suggest \(^{19}\)F MRI as a non-invasive methodology to document the tumor-associated host immune response as well as the extent of intratumoral viral replication. Thus, \(^{19}\)F MRI represents a new platform to non-invasively investigate the role of the host immune response for therapeutic outcome of oncolytic virotherapy and individual patient response.
In Vivo Imaging of Stepwise Vessel Occlusion in Cerebral Photothrombosis of Mice by \(^{19}\)F MRI
(2011)
Background
\(^{19}\)F magnetic resonance imaging (MRI) was recently introduced as a promising technique for in vivo cell tracking. In the present study we compared \(^{19}\)F MRI with iron-enhanced MRI in mice with photothrombosis (PT) at 7 Tesla. PT represents a model of focal cerebral ischemia exhibiting acute vessel occlusion and delayed neuroinflammation.
Methods/Principal Findings
Perfluorocarbons (PFC) or superparamagnetic iron oxide particles (SPIO) were injected intravenously at different time points after photothrombotic infarction. While administration of PFC directly after PT induction led to a strong \(^{19}\)F signal throughout the entire lesion, two hours delayed application resulted in a rim-like \(^{19}\)F signal at the outer edge of the lesion. These findings closely resembled the distribution of signal loss on T2-weighted MRI seen after SPIO injection reflecting intravascular accumulation of iron particles trapped in vessel thrombi as confirmed histologically. By sequential administration of two chemically shifted PFC compounds 0 and 2 hours after illumination the different spatial distribution of the \(^{19}\)F markers (infarct core/rim) could be visualized in the same animal. When PFC were applied at day 6 the fluorine marker was only detected after long acquisition times ex vivo. SPIO-enhanced MRI showed slight signal loss in vivo which was much more prominent ex vivo indicative for neuroinflammation at this late lesion stage.
Conclusion
Our study shows that vessel occlusion can be followed in vivo by \(^{19}\)F and SPIO-enhanced high-field MRI while in vivo imaging of neuroinflammation remains challenging. The timing of contrast agent application was the major determinant of the underlying processes depicted by both imaging techniques. Importantly, sequential application of different PFC compounds allowed depiction of ongoing vessel occlusion from the core to the margin of the ischemic lesions in a single MRI measurement.