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Bildkontraste im menschlichen Muskelgewebe und Beugungsphänomene in der 1H-NMR infolge individueller und kollektiver Dipol-Dipol-Wechselwirkungen von Wasserprotonen in flüssiger Phase

Kirsch, Stefan

English Title: Image contrast of human muscle tissue and diffraction-like phenomena in 1H-NMR owing to individual and collective dipole-dipole interactions of water protons in liquid phase

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PDF, German
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Abstract

Individuelle und kollektive 1H-Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in der NMR von Flüssigkeiten eröffnen neue Ansätze zur Untersuchung von mikroskopischen Strukturen. In der CRAZED-Pulssequenz (zwei HF-Pulse, Zeitintervall τ, Gradient G) führen kollektive Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen Protonen mit einem Abstand d= π/(γGτ) zu intermolekularen Mehrquantenkohärenzen. Die Korrelationsdistanz d ist über die Stärke eines Gradienten einstellbar und beträgt typischerweise 1mm…0,1mm. Die variable Abstandsabhängigkeit eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, strukturierte Proben zu vermessen. Mit Hilfe von periodisch strukturierten Phantomen konnte die Abstandsabhängigkeit verifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die CRAZED-Signale das Fourierspektrum der untersuchten Probe reflektieren. Ähnlich wie bei konventionellen Streuexperimenten erhält man Information über die Wellenzahlen der untersuchten Struktur. Um das CRAZED-Experiment für MRT-Studien verfügbar zu machen, wurden verschiedene CRAZED-MR-Bildgebungstechniken auf einem klinischen 1,5T-Ganzkörper-Tomographen implementiert, mit denen In-vivo-Bilder vom Kopf von Probanden aufgenommen werden konnten. Die CRAZED-Pulssequenz bietet für die MRT einen neuen, vom Abstand zweier Kernspins abhängigen Kontrastparameter. In verschiedenen biologischen Gewebstypen (z.B. Sehnen, Muskelgewebe, Knorpelgewebe, Nervengewebe) resultieren individuelle 1H-Dipol-Dipol-Wechselwirkungen aus bewegungsgehemmten Protonen. Ursache der Bewegungshemmung sind kurzeitige Bindungen der Protonen an eine makromolekulare Matrix (z.B. Proteine) oder chemischer Austausch mit dieser. Um den Anteil der bewegungsgehemmten Protonen in einer MR-Bildgebung selektiv aufzunehmen, wurde der Unterschied zwischen den beiden transversalen Relaxationszeiten T2 und T2 ρ genutzt. Die Technik basiert auf der Signaldifferenz einer synchronisierten Spinecho- und „Magic Sandwich Echo“-Aufnahme. Mit Hilfe von Agar-Gel-Phantomen konnte das Verfahren verifiziert werden. In-vivo-Aufnahmen an der Wade von Probanden konnten damit aufgenommen werden. In Untersuchungen der oben genannten Gewebstypen könnte dieses Verfahren von Nutzen für die Diagnostik sein.

Translation of abstract (English)

Individual and collective 1H dipole-dipole interactions yield a new approach for studies of microscopic structures by liquid NMR. The application of the CRAZED pulse sequence (two rf pulses, delay τ, gradient G) generates intermolecular multiple-quantum coherences based on collective 1H dipole-dipole interactions of protons with mutual distance d= π/(γGτ) (correlation distance). d depends on the strength of the gradient and typical values are d=1mm…0,1mm. In principle, the dependence on the distance enables investigation of dimensions of structured samples. In this study we were able to verify the distance-dependency using periodically structured phantoms. It could also be shown that the measured CRAZED-signal is based on the fourier spectra of the structure. According to traditional diffraction experiments information on the wavelengths of the structure can be obtained. To enable MRI studies, different types of CRAZED MR-imaging pulse sequences were implemented on a clinical 1.5-T whole-body scanner. In vivo MR images from the brain of healthy volunteers could be obtained using these sequences. MR imaging based in the CRAZED experiment provides a new image contrast, depending on the mutual distance of selected protons. In different types of biological tissues (e.g. tendon, cartilage, muscle, nerves) individual 1H dipole-dipole interactions are caused by immobilized protons. Restricted mobility is the consequence of bonds or chemical exchange between protons and a macromolecular matrix. The difference between the transverse relaxation times T2 and T2 ρ is used to isolate immobilized protons in MR imaging. These protons provide a new contrast in MR images. The imaging method is based on the signal difference between a synchronized spinecho and „magic sandwich echo“ pulse sequence. Verification of this method was done using agar-gel phantoms. In vivo images could be obtained from the calf of healthy volunteers. MR image contrast based on immobilized protons may provide additional information for diagnosis of diseases in tissues like tendon, cartilage, muscle, and nerves.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 12 May 2004
Date Deposited: 04 Jun 2004 08:26
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Bildgebung, Mehrquanten-NMR-Spektroskopie, Magnetische Kernresonanz
Uncontrolled Keywords: Dipol-Dipol Wechselwirkung , CRAZED , Beugungsphänomene , Magic Echodipole-dipole interaction , CRAZED , diffraction phenomena
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