German Title: Hin zur hochbeschleunigten hyperpolarisierten 13C MRSI In Vivo: Weiterentwicklung radial-aufgenommener EPSI zu einer vielseitigen Bildaufnahmestrategie

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Abstract

Hyperpolarized Carbon-13 magnetic resonance spectroscopic imaging (13C MRSI) is a powerful technique for the in vivo investigation of metabolic processes in real-time. The greatest challenge for tailored MRSI sequences is to acquire all three spatial dimensions together with full spectral information and in multiple timesteps, while being restricted in available acquisition time through rapid decay of the hyperpolarized state (<1 minute). In this work, advancements for radial echo-planar spectroscopic imaging (rEPSI) were implemented and optimized for various applications within the context of hyperpolarized 13C experiments in vivo on a clinical 3 T scanner. Metabolic processes of hyperpolarized [1-13C]pyruvate were monitored in vivo with high spatio-spectral resolution in just 6 seconds. A novel readout scheme with maximal k-space homogeneity successfully suppressed blurring due to the polarization decay and boosted the temporal resolution to the subsecond regime. Further methodological advancements enabled the acquisition of spatially-resolved 3D in vivo spectra of hyperpolarized [1,2-13C]pyruvate for the first time. Moreover, a novel MR fingerprinting approach was developed using rEPSI for estimation of B1+ fields, enabling a pre-scan calibration for hyperpolarized 13C MRSI. In conclusion, this thesis presents the developed advanced rEPSI as an effective and versatile imaging tool for hyperpolarized 13C MRSI, with enormous potential for substrates of high spectral complexity like [1,2-13C]pyruvate.

Translation of abstract (German)

Die hyperpolarisierte Kohlenstoff-13-Magnetresonanzspektroskopie (13C MRSI) ist ein mächtiges Verfahren zur Echtzeit-Untersuchung von Stoffwechselprozessen in vivo. Die größte Herausforderung bei maßgeschneiderten MRSI-Sequenzen besteht darin, alle drei räumlichen Dimensionen zusammen mit vollständigen Spektralinformationen und in mehreren Zeitschritten zu erfassen, wobei die verfügbare Messzeit durch den schnellen Zerfall des hyperpolarisierten Zustands begrenzt ist (< 1 Minute). In dieser Arbeit wurde die radiale echo-planare spektroskopische Bildgebung (rEPSI) weiterentwickelt und für verschiedene Anwendungen im Zusammenhang mit hyperpolarisierten 13C-Experimenten in vivo auf einem klinischen 3-T-Scanner optimiert. Die Stoffwechselprozesse von hyperpolarisiertem [1-13C]Pyruvat wurden in vivo mit hoher räumlich-spektraler Auflösung in nur 6 Sekunden erfasst. Ein neuartiges Ausleseschema mit maximaler k-Raum-Homogenität unterdrückte erfolgreich die durch den Polarisationsabfall verursachte Unschärfe und steigerte die zeitlichen Auflösung bis in den Subsekundenbereich. Weitere methodische Fortschritte ermöglichten erstmals die in-vivo-Erfassung räumlich aufgelöster Spektren von hyperpolarisiertem [1,2-13C]Pyruvat in 3D. Darüber hinaus wurde ein neuartiger MR-Fingerprinting-Ansatz zur Bemessung von B1+-Feldern durch die rEPSI entwickelt, welcher eine Kalibrierung vor der Messung für hyperpolarisierte 13C MRSI ermöglicht. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit die Entwicklung einer fortschrittlichen rEPSI als eine effektive und vielseitige Bildaufnahmestrategie für hyperpolarisierte 13C MRSI mit enormem Potenzial für Substrate mit hoher spektraler Komplexität wie [1,2-13C]Pyruvat.