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Quantitative pulsed CEST MR imaging

Meißner, Jan-Eric

German Title: Quantitative gepulste CEST-MR-Bildgebung

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Abstract

Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) experiments enable the indirect detection of small metabolites, e.g. creatine, and proteins in living tissue by means of magnetic resonance imaging. Selective RF saturation of solute protons in chemical exchange with water leads to an accumulation of saturation in the water magnetization. The resulting reduction of the water signal depends on physiological properties, e.g. pH, temperature and solute concentration, but also on the saturation scheme. In a clinical setup, the latter is limited to a series of short RF-pulses to obey safety regulations. Pulsed saturation is diffcult to describe theoretically, thus, the quantitative determination of physiological parameters via CEST experiments is a challenging task. In this thesis, a new analytical model for CEST is proposed, which extends a former interleaved saturation-relaxation approach. This model enables the analytical calculation of Z-spectra yielding deeper insight into the physics of pulsed CEST experiments. Furthermore, it enables for the first time in the case of pulsed saturation the separate and independent determination of the exchange rate k and the relative proton concentration f. The validity of this approach was tested by simulations and verified in measurements of model solutions containing creatine on a 7-Tesla whole-body MR tomograph. Finally, the obtained knowledge was used to quantitatively investigate pH and absolute creatine concentration in the human calf muscle under resting conditions and during exercise.

Translation of abstract (German)

Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) Experimente ermöglichen die indirekte Detektion von kleinen Metaboliten, z.B. Kreatin, und Proteinen im lebenden Gewebe mittels Magnetresonanz-Bildgebung. Selektive RF-Sättigung von gebundenen Protonen, welche im chemischem Austausch mit Wasser stehen, führt zu einer Akkumulation von Sättigung in der Magnetisierung des Wassers. Die resultierende Reduktion des Wasser-Signals hängt von physiologischen Eigenschaften, wie pH, Temperatur und Metabolit-Konzentration, aber auch von dem verwendeten Sättigungsschema ab. Letzteres ist an klinisch einsetzbaren MR-Tomographen auf eine Serie kurzer RF-Pulse beschränkt, um sicherheitstechnische Vorschriften einzuhalten. Die gepulste Sättigung ist allerdings theoretisch nur schwer zu beschreiben, so dass die quantitative Bestimmung physiologischer Größen mittels CEST-Experimenten eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit wird ein neues analytisches Modell für CEST auf Grundlage eines bereits bekannten verschachtelten Sättigungs- und Relaxations-Ansatzes vorgestellt. Dieses Modell erlaubt es, das Z-Spektrum analytisch zu berechnen und ermöglicht dadurch tiefere Einblicke in die Physik von gepulsten CEST-Experimenten. Des Weiteren konnten erstmals für den Fall der gepulsten Sättigung die Austauschrate k und die relative Protonenkonzentration f getrennt und unabhängig voneinander bestimmt werden. Die Gültigkeit dieses Ansatzes wurde durch Simulationen überprüft und mittels Messungen an Kreatin-Modellösungen an einem 7-Tesla-Ganzkörper-MR-Tomographen verifiziert. Schließlich konnte das gewonnene Wissen verwendet werden, um den pH-Wert und die absolute Konzentrationen von Kreatin im Wadenmuskel des Menschen in Ruhe und unter Belastung zu bestimmen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 19 April 2017
Date Deposited: 01 Jun 2017 08:50
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
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