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status_changed: 2020-06-22 13:16:58
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Breitling, Johannes Sebastian
title: MR-based protein imaging of the human brain by means of dualCEST
title_de: MR-basierte Protein-Bildgebung des menschlichen Gehirns mittels dualCEST
subjects: ddc-530
subjects: ddc-600
divisions: i-741010
divisions: i-850300
divisions: i-851340
adv_faculty: af-13
keywords: Chemical exchange saturation transfer
cterms_swd: Magnetic resonance imaging
cterms_swd: Magnetization transfer
cterms_swd: Spin diffusion
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.
abstract_translated_text: 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.
abstract_translated_lang: ger
date: 2020
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00028481
ppn_swb: 1703780566
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-284811
date_accepted: 2020-06-15
advisor: HASH(0x55fc36c0b598)
language: eng
bibsort: BREITLINGJMRBASEDPRO2020
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Breitling, Johannes Sebastian  (2020) MR-based protein imaging of the human brain by means of dualCEST.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/28481/1/Diss%20--%20Breitling%2C%20J%20-%202020%20-%20MR-based%20protein%20imaging%20of%20the%20human%20brain%20by%20means%20of%20dualCEST.pdf