English Title: Diffusion Pore Imaging and Exchange Measurements by means of Nuclear Magnetic Resonance

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Abstract

Diffusionsmessungen mittels Magnetresonanztomographie ermöglichen tiefe Einblicke in die mikroskopische Zellstruktur und deren funktionale Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde einerseits die Diffusions-Porenbildgebung weiterentwickelt, welche es prinzipiell ermöglicht nichtinvasiv histologieähnliche Parameter wie Zellgrößenverteilungen zu bestimmen. Andererseits wurden Techniken zur Ermittlung der Permeabilität von Zellmembranen mittels doppelter Diffusionswichtung untersucht. Die Diffusions-Porenbildgebung mit ultrahohen Gradienten wurde erfolgreich an einem 14.1 T-Spektrometer implementiert. Dabei konnte die Porenfunktion von Glaskapillaren (dinnen = 10 - 25 μm) bestimmt werden. Der neuentwickelte Filteransatz ermöglicht durch Unterdrückung unerwünschter Signalanteile eine direkte Messung der Porenfunktion in Gegenwart einer extraporalen Flüssigkeit. Ultrahohe Gradienten (G = 12.06 T/m) ermöglichten die Bestimmung der Porenfunktion von polymerisierten Hohlkugeln (daußen = 3.3 μm). Für üblicherweise vorherrschende Austauschraten ist die Porenbildgebung auch für permeable Poren möglich, sodass eine Übertragung auf Zellen erfolgversprechend ist. Im zweiten Teil wurden theoretische, experimentelle sowie Monte-Carlo-Simulations-basierte Analysen zu Austauschraten-Messungen (Apparent Exchange Rate Mapping) durchgeführt. Hierzu wurden unterschiedliche Geometrien, Packungsdichten, Permeabilitäts- und Größenverteilungen, Signal-zu-Rausch-Verhältnisse sowie Axon-Orientierungsdispersionsmodelle betrachtet. Mit Ausnahme von sehr schnellem Austausch (AXR ≥ 20 - 30 1/s) und sehr kleinen Packungsdichten gilt die erwartete Proportionalität zur Membranpermeabilität in allen betrachteten Systemen, sofern SNR > 150 erreicht wird. Ohne weitere Kenntnisse über die Gewebestruktur ist keine absolute Quantifizierung der Zellmembranpermeabilität möglich. Permeabilitätsänderungen in Pathologien könnten jedoch prinzipiell detektiert werden.

Translation of abstract (English)

Diffusion measurements by magnetic resonance yield deep insights into microscopic cell structures and their functional properties. In this thesis, diffusion pore imaging, which in principle allows the non-invasive determination of histology-like parameters like cell size distributions, was advanced. Furthermore, methods used for the measurement of cell permeabilities via double diffusion encoding were probed. Diffusion pore imaging with ultra-high gradients was successfully implemented on a 14.1 T-spectrometer. It was possible to determine the pore space function of glass capillaries (dinnen = 10 - 25 μm). The proposed filter approach enables the direct measurement of pore space functions in the presence of extraporal fluids by suppressing unwanted signal contributions. Using ultra-high gradients (G = 12.06 T/m) measuring the pore space function of polymerized hollow spheres (daußen = 3.3 μm) was possible. For typical exchange rates, pore imaging is possible for permeable membranes, enabling a translation to actual cells. In the second part, Apparent Exchange Rate Mapping was analyzed theoretically, experimentally and using Monte-Carlo simulations involving different geometries, packing densities, permeability and size distributions, signal-to-noise-ratios and axon orientation dispersion models. Except for very fast exchange (AXR ≥ 20 - 30 1/s) and small packing densities, the expected connection to permeability is valid for SNR > 150. Without further knowledge about the tissue, absolute permeability quantification is not possible. However, changes in permeability due to pathologies could be detected in principal.