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Dynamische Magnetresonanztomographie des Sauerstoffisotops 17O zur Charakterisierung des zerebralen Sauerstoffumsatzes

Niesporek, Sebastian Christian

English Title: Dynamic Magnetic Resonance Imaging of the oxygen isotope 17O for the characterization of the cerebral metabolic rate of oxygen consumption

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Abstract

In vielen Organismen nimmt die Verstoffwechselung von molekularem Sauerstoff eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel ein. Ziel dieser Arbeit war es, die dynamische Magnetresonanztomographie (MRT) des Sauerstoffisotops 17O zur quantitativen und lokalen Bestimmung des zerebralen Sauerstoffumsatzes (CMRO2) mittels eines Inhalationsexperimentes bei einer Magnetfeldstärke von B0=7T weiterzuentwickeln sowie in ihrer Robustheit und Genauigkeit zu evaluieren. Die physikalischen Eigenschaften des 17O-Atomkerns verlangen spezielle radiale Auslesetechniken und erlauben nur geringe räumliche Auflösungen. Die daraus resultierenden Partialvolumeneffekte(PVE) verfälschen die Signalwertbestimmung und vermindern die erreichbare Präzision bei der funktionellen Quantifizierung. Daher wurde ein PVE-Korrekturalgorithmus etabliert, der eine verbesserte Konzentrations- sowie T2*-Bestimmung erlaubt. Für Inhalationsexperimente wurde ein Aufbau bestehend aus einem Gasapplikationssystem und optimierter Hochfrequenz-Sende- und Empfangsantenne konzipiert. Des Weiteren wurde für die 17O-MRT die Korrekturstabilität und erreichbare zeitliche sowie nominelle räumliche Auflösung von (4,5mm)3 verifiziert: eine temporäre Abtastrate von 1:00 min erlaubt eine Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung innerhalb von 5–9% des Literaturwertes. Die Analyse des dynamischen Signal- und Korrekturverhaltens mittels Simulationen führte zum Protokoll eines In-vivo-Inhalationsexperiments. Die quantifizierten funktionellen Parameter einer Probandenstudie waren CMRO2,GM=(2,03–2,52)±0,14μmol/g min (graue Substanz, GM) sowie CMRO2,WM=(0,61–0,74)±0,08μmol/g min (weiße Substanz, WM) und lagen damit im GM-Kompartiment höher als in vorherigen Studien. Die Ergebnisse zeigten eine geringe Variation über alle Messungen und demonstrierten dadurch die Reproduzierbarkeit der vorgeschlagenen Methode der dynamischen 17O-MRT.

Translation of abstract (English)

In the energy metabolism of most organisms molecular oxygen plays a vital role. The aim of this work was to improve and evaluate the robustness as well as precision of the dynamic magnetic resonance imaging (MRI) approach of the oxygen isotope 17O which enables a quantitative and localized determination of the cerebral metabolic rate of oxygen consumption (CMRO2) through an inhalation experiment at a magnetic field strength of B0=7T. The physical properties of the 17O-nucleus require special radial-readout techniques and only allow low spatial resolutions. The resulting partial volume effects (PVE) bias the signal evaluation and degrade the achievable accuracy of the functional quantification. Firstly, a PVE-correction algorithm was established, allowing an enhanced concentration and T2*-determination. For inhalation-experiments a setup consisting of a gas-application system and an optimized radio-frequency coil was developed. Furthermore, for 17O-MRI the correction stability and attainable temporal as well as nominal spatial resolution of (4,5mm)3 were verified: a temporal sampling rate of 1:00 min allows an accuracy of concentration quantification within 5–9% of the literature value. The analysis of the dynamic signal and correction behavior by simulations led to a protocol of an in vivo inhalation-experiment. In a volunteer study the following functional parameters were obtained: CMRO2,GM=(2,03–2,52)±0,14μmol/g min (gray matter, GM) und CMRO2,WM=(0,61–0,74)±0,08μmol/g min (white matter, WM) which were higher in the GM-compartment than in previous studies. The results show a small variation and demonstrate therewith the reproducibility of the suggested dynamic 17O-MRI method.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 13 December 2017
Date Deposited: 04 Jan 2018 08:21
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: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Uncontrolled Keywords: Sauerstoffumsatz, CMRO2, MRI, Magnetresonanztomographie, MRT
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