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MR-based protein imaging of the human brain by means of dualCEST

Breitling, Johannes Sebastian

German Title: MR-basierte Protein-Bildgebung des menschlichen Gehirns mittels dualCEST

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Abstract

Chemical exchange saturation transfer (CEST) is an emerging magnetic resonance imaging (MRI) technique enabling indirect detection of low-concentration cellular compounds in living tissue by their magnetization transfer with water. In particular, protein-attributed CEST signals have been shown to provide valuable diagnostic information for various diseases. While conventional CEST approaches suffer from confounding signals from metabolites and macromolecules, the novel dual-frequency irradiation CEST (dualCEST) technique enables increased protein specificity by selectively detecting the intramolecular spin-diffusion. However, application of this technique has so far been limited to spectroscopic investigations of model solutions at ultrahigh magnetic field strengths. In this thesis, dualCEST was translated to a clinical whole-body MR scanner, enabling protein imaging of the human brain. To this end, several methodological developments were implemented and optimized: (i) improved dual-frequency pulses for signal preparation, (ii) a fast and robust volumetric image readout, (iii) a weighted acquisition scheme, and (iv) an adaptive denoising technique. The resulting improvements are not limited to dualCEST but are relevant for the research field of CEST-MRI in general. Extensive measurements of biochemical model solutions and volunteers demonstrated the protein specificity and reproducibility of dualCEST-MRI. The clinical applicability was verified in pilot studies with tumor and Alzheimer’s patients.

Translation of abstract (German)

Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) ist eine neuartige Magnetresonanz-Bildgebungstechnik, welche eine indirekte Detektion von niedrig konzentrierten organischen Verbindungen in lebendem Gewebe anhand ihres Magnetisierungstransfers mit Wasser ermöglicht. Insbesondere mit Proteinen in Verbindung gebrachte CEST-Signale konnten dabei bereits wertvolle diagnostische Informationen für etliche Erkrankungen liefern. Während konventionelle CEST-Ansätze durch überlagernde Signale von Metaboliten und Makromolekülen beeinträchtigt werden, erreicht die neue Dual-Frequency Irradiation CEST (dualCEST)-Technik eine erhöhte Proteinspezifizität mittels selektiver Detektion von intramolekularen Spindiffusionsprozessen. Eine Anwendung der neuen Technik war bisher jedoch nur für spektroskopische Untersuchungen von Modellösungen bei ultrahohen Magnetfeldstärken möglich. In dieser Arbeit wurde die dualCEST-Technik nun erstmals auf einen klinischen Ganzkörpertomographen übertragen, so dass eine Proteinbildgebung des menschlichen Gehirns möglich ist. Zu diesem Zwecke wurden methodische Weiterentwicklungen für alle relevanten Teilbereiche der Technik implementiert und optimiert: (i) verbesserte Sättigungspulse für die Signalpräparation, (ii) eine schnelle und robuste 3D Bildauslese, (iii) eine gewichtete Bildaufnahme, sowie (iv) einen Algorithmus zur Rauschunterdrückung. Die erzielten Fortschritte sind dabei nicht auf dualCEST beschränkt, sondern relevant für das CEST-Forschungsfeld im Allgemeinen. Umfangreiche Untersuchungen an biochemischen Modelllösungen und Probanden stellten dabei die Spezifität und Reproduzierbarkeit der dualCEST-Bildgebung unter Beweis. Die klinische Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit wurde abschließend im Rahmen erster Pilotstudien von Hirntumor- und Alzheimerpatienten erprobt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 15 June 2020
Date Deposited: 22 Jun 2020 13:16
Date: 2020
Faculties / Institutes: Service facilities > Graduiertenschulen > Graduiertenschule Fundamentale Physik (HGSFP)
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: Magnetic resonance imaging, Magnetization transfer, Spin diffusion
Uncontrolled Keywords: Chemical exchange saturation transfer
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