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datestamp: 2021-05-25 09:06:42
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status_changed: 2021-05-25 09:06:42
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Ludwig, Dominik
title: Diffusions-Porenbildgebung und Austauschraten-Messungen mittels kernmagnetischer Resonanz
title_en: Diffusion Pore Imaging and Exchange Measurements by means of Nuclear Magnetic Resonance
subjects: ddc-530
divisions: i-130001
divisions: i-850300
adv_faculty: af-13
keywords: Porenbildgebung,
Austauschraten,
Permeabilität
cterms_swd: Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie
cterms_swd: Kernspintomographie
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.
abstract_translated_text: 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.
abstract_translated_lang: eng
date: 2021
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00029980
ppn_swb: 1759113328
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-299807
date_accepted: 2021-04-28
advisor: HASH(0x55a718525d40)
language: ger
bibsort: LUDWIGDOMIDIFFUSIONS2021
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Ludwig, Dominik  (2021) Diffusions-Porenbildgebung und Austauschraten-Messungen mittels kernmagnetischer Resonanz.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/29980/1/Diss_Dominik_Ludwig.pdf