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Echo-planare 31P-NMR-spektroskopische Bildgebung in vivo bei 7T

Korzowski, Andreas

English Title: Echo-planar 31P NMR spectroscopic imaging in vivo at 7T

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Abstract

31P-NMR-Spektroskopie ermöglicht die nicht-invasive Beobachtung des Energiestoffwechsels im lebenden Gewebe. In dieser Arbeit wurde eine echo-planare 31P-spektroskopische Bildgebungsmethode (31P-EPSI) für In-vivo-Messungen bei einer Magnetfeldstärke von B0 = 7T entwickelt und validiert. Die Methode nutzt eine segmentierte Aufnahme der spektralen Dimension, eine Aufnahmegewichtung und den nuklearen Overhauser-Effekt (31P-{1H}-NOE). Bildartefakte der echo-planaren Auslese wurden eingehend untersucht und konnten erfolgreich vermindert werden. Zur Optimierung der Signalausbeute von 31P-EPSI wurde ein theoretisches Modell, das die Sensitivität (SNR) der Sequenz und die Dynamik des 31P-{1H}-NOE beschreibt, erstellt und in Modellmessungen validiert (Signalgewinn in vivo bis zu 35%). Die Technik wurde in Messungen an Wadenmuskulatur und Gehirn von Probanden angewendet. Die In-vivo-31P-EPSI-Spektren sind von vergleichbarer Qualität wie In-vivo-31P-Spektren mit konventionellen Aufnahmetechniken. Schließlich wurde die 31P-EPSI-Sequenz für funktionelle 31P-spektroskopische Bildgebung unter Belastung der Wadenmuskulatur eingesetzt. Die Veränderungen der Signalintensität von Metaboliten wie Phosphokreatin oder Änderungen des Gewebe-pH-Wertes konnten dabei mit hoher zeitlicher Auflösung (15-30s für einen 16x16-EPSI-Datensatz) verfolgt werden. Die 31P-EPSI-Technik bei B0 = 7T eröffnet Anwendungsmöglichkeiten für nicht-invasive Untersuchungen der Biophysik des Energiestoffwechsels.

Translation of abstract (English)

31P NMR spectroscopy permits noninvasive observation of the energy metabolism in living tissue. This thesis treats the implementation and validation of an echo-planar 31P spectroscopic imaging technique (31P EPSI) for in vivo measurements at a magnetic field strength B0 = 7T. The technique utilizes acquisition of spectral data in multiple segments, acquisition weighting, and the nuclear Overhauser effect (31P-{1H} NOE). Image artifacts due to echo-planar acquisition were analyzed and reduced. A theoretical model was established and validated for optimization of the signal gain of 31P EPSI by describing the sensitivity (SNR) of the approach and the dynamics of the 31P-{1H} NOE (signal gain in vivo up to 35%). The technique was applied to measurements of calf muscle and brain of volunteers. In vivo 31P EPSI spectra yielded comparable quality as in vivo 31P spectra obtained with conventional spectroscopic imaging techniques. 31P EPSI was applied to functional 31P spectroscopic imaging studies of human calf muscle under exercise. Signal changes from metabolites such as phosphocreatine and changes in tissue pH value were observed and could be monitored with high temporal resolution (15-30s per 16x16 frame). 31P EPSI at 7T offers perspectives for noninvasive studies of the biophysics of the energy metabolism.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 24 June 2015
Date Deposited: 08 Jul 2015 07:31
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
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