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Selektive NMR-Bildgebung am Menschen mittels des Protonenaustauschs zwischen Metaboliten und Wasser

Schmitt, Benjamin

English Title: Selective Magnetic Resonance Imaging in Humans by Means of Proton Exchange between Metabolites and Water

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Abstract

Der chemische Austausch von Protonen zwischen freien Wassermolekülen und darin gelösten Stoffen kann mittels 1H-NMR gemessen werden. Das dazu verwendete Verfahren wird als Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) bezeichnet. Es beruht auf der selektiven Sättigung des Resonanzsignals von labil gebundenen Protonen gelöster Stoffe und der anschlieÿenden Detektion der durch chemischen Austausch von Protonen übertragenen Sättigung auf den Pool von freien Wassermolekülen. Die maximale Gröÿe des Sättigungstransfers ist abhängig vom Konzentrationsverhältnis der labilen Protonen zu Protonen des freien Wassers und der Geschwindigkeit des chemischen Austauschs, die wiederum durch den pHWert der chemischen Umgebung sowie deren Temperatur beeinusst wird. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur selektiven Sättigung von Kernspinresonanzen mit Serien von Hochfrequenzpulsen entwickelt. Darüber hinaus wurden verschiedene Techniken zur schnellen Detektion von präparierten CEST-Eekten an klinischen MR-Tomographen entwickelt und experimentell durch Untersuchungen an Modelllösungen validiert. Parallel dazu wurden Ans ätze zur Korrektur von Fehlerquellen bei CEST-Experimenten evaluiert. Schlieÿlich wurden die Verfahren an klinischen Ganzkörper-MR-Tomographen für pH-gewichtete Bildgebung des Gehirns, zur Evaluation der biochemischen Qualität von Knieknorpel und zur Detektion von Tumoren in der weiblichen Brust bei magnetischen Feldstärken von B0 = 3 T und 7 T eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das höhere statische Feld die Detektierbarkeit von CEST-Kontrasten verbessert, was hauptsächlich durch eine Verlängerung der Lebensdauer (T1) der gesättigten Spinzustände bedingt ist.

Translation of abstract (English)

Chemical exchange of protons between bulk water and solute molecules can be detected by means of 1H-NMR. The technique was dubbed chemical exchange saturation transfer (CEST). It is based on selective saturation of the resonance signals of labile protons bound to solute molecules and the subsequent detection of saturation, which originates from chemical exchange of protons, on the bulk water pool. The amount of maximum transferable saturation depends on the fraction of labile protons relative to bulk water protons and on the chemical exchange rate, which depends on pH value and temperature of the chemical environment. In this thesis, a new method for selective saturation of an NMR resonance with a train of radio-frequency pulses was developed. Furthermore, different techniques for rapid detection of prepared CEST effects on clinical MR tomographs were developed and validated by experiments with model solutions. Additionally, methods for correction of common artifacts occurring in CEST experiments were evaluated. Finally, the developed techniques were applied to pH-weighted imaging of the human brain, evaluation of biochemical cartilage quality, and, for the rst time, the detection of breast cancer on whole-body MR tomographs with static magnetic elds of B0 = 3 T and 7 T, respectively. The results indicate a benecial effect of the higher magnetic eld strength on CEST MRI, which is mainly attributed to a longer lifetime (T1) of saturated spin states.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 13 April 2011
Date Deposited: 29 Apr 2011 13:40
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Tomographie, Wasserstoffionenkonzentration, Knorpel
Uncontrolled Keywords: MRI , pH Value , APT, gagCEST
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