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Lokalisierte Quantifizierung des zerebralen Sauerstoffumsatzes (CMRO2) mit der 17O-Magnetresonanztomographie

Hoffmann, Stefan Heinrich

English Title: Localized quantification of the cerebral metabolic rate of oxygen consumption(CMRO2) with 17O magnetic resonance tomograghy

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Abstract

Der zerebrale Sauerstoffumsatz (CMRO2) ist ein wichtiger Indikator für die Gesundheit und Lebensfähigkeit von Gewebe. In dieser Arbeit wird ein 17O-Inhalations- und Messverfahren präsentiert, mit dem der CMRO2 mit der 17O-MR-Bildgebung bei B0 =7T ortsaufgelöst quantifiziert werden kann. Auf Grund der geringen MR-Sensitivität des 17O-Kerns sind hierfür spezielle Bildgebungstechniken notwendig. Für die Optimierung der Bildgebung wurden zuerst die In-vivo-17O-Relaxationszeiten am Kopf gemessen; in globalen Messungen wurden Mittelwerte von T1 =(5,8±0,2) ms und T2 =(3,5±0,3) ms, in einer ortsaufgelösten Messung für Hirngewebe T2 =(2,0±0,2) ms gefunden. 17O-MRBildgebungstechniken wurden bei B0 =7T für dynamische Messungen optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass ein 3D-Datensatz des Gehirns mit SNR>20 und einer nominellen räumlichen Auflösung von V =(5,0mm)3 in 10 min akquiriert werden kann. Zusätzlich wurde ein effizientes Atemsystem entwickelt und in einem Inhalationsexperiment zur Gabe von 70% angereichertem 17O-Gas (V =(2,2±0,34) l) an einem gesunden Probanden eingesetzt. Im Gehirn konnte während der Inhalation des 17O2 ein ortsabhängiger 17O-Signalanstieg von 10-30% detektiert werden, der in Arealen grauer Substanz 40% über dem für Bereiche weißer Substanz lag. Basierend auf einem mathematischen Modell zur Beschreibung der 17O2-Metabolisierung wurden Modellgleichungen für den 17O-Signalverlauf während des durchgeführten Inhalationsexperiments formuliert. Mit Hilfe dieses Modells konnte der CMRO2 in Regionen weißer / grauer Hirnsubstanz zu CMRO2 =((0,83±0,14) / (1,65±0,29)) μmol/g·min quantifiziert werden. Diese Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit Literaturwerten aus 15O-PET-Untersuchungen.

Translation of abstract (English)

Cerebral oxygen metabolism (CMRO2) is an important indicator for cell health and tissue viability. In this work an inhalation method is presented, which allows for locally resolved quantification of CMRO2 by 17O MRI at B0 =7 T. Because of the low MR sensivity of 17O, dedicated imaging techniques are necessary. For optimization of 17O imaging the relaxation times of 17O were determined in the human head. Mean values of T1 =(5,8±0,2) ms and T2 =(3,5±0,3) ms were observed for the whole brain and T2 =(2,0±0,2) ms was determined for brain tissue by an imaging approach. Imaging techniques for 17O MRI at B0 =7T were optimized for dynamic imaging and it was shown that a 3D dataset of the human brain can be acquired in 10 min with SNR>20 and a nominal spatial resolution of V =(5,0mm)3. In addition, an efficient breathing system for 17O2 delivery was developed and applied in an inhalation experiment to a healthy volunteer for administration of 70% enriched 17O gas (V =(2,2±0,34) l). In the brain, a locally varying signal increase of 10-30% was detected during 17O2 inhalation. A 40% higher increase was observed in gray matter compared to white matter regions. Based on a mathematical model for 17O2 metabolization, equations describing the signal course during the inhalation experiment were derived. With this model equations, CMRO2 for white/gray matter regions of CMRO2 =((0,83±0,14) / (1,65±0,29) μmol/g·min was quantified, which is in good agreement with literature values from 15O PET studies.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 14. December 2011
Date Deposited: 16. Jan 2012 14:55
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Tomographie, Sauerstoff-17
Uncontrolled Keywords: functional MRI , oxygen-17 , CMRO2 , brain metabolism
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