Impulsivität ist ein zentraler Aspekt der Persönlichkeit, welcher entlang eines Kontinuums in normaler bis devianter Ausprägung auftreten kann. So moduliert persönlichkeitsbezogene Impulsivität sowohl das Verhalten Gesunder, als auch, in ihrer extremen Ausprägung, klinisch relevante Verhaltensweisen. Signifikant überdurchschnittlich ausgeprägte Impulsivität gilt als charakteristisch für eine Vielzahl psychiatrischer Krankheitsbilder wie Abhängigkeitserkrankungen. Die differentiell-psychologische Forschung geht von einer Persönlichkeitseigenschaft aus, welche den verschiedenen Facetten des Phänomens Impulsivität zu Grunde liegt. Jedoch sind strukturelle Bildgebungsstudien an gesunden Probanden zu diesem Gegenstand noch immer rar und ihre Befunde sehr heterogen. Ziel der vorliegenden publikationsbasierten Dissertationsschrift ist es, einen Beitrag zu einem vertieften Verständnis zerebraler struktureller Korrelate persönlichkeitsbezogener Impulsivität bei Gesunden zu leisten. In drei empirischen Untersuchungen wurden Daten struktureller Magnetresonanztomographie bei Gesunden erhoben und jeweils auf korrelative Zusammenhänge mit persönlichkeitsbezogener Impulsivität getestet. Insgesamt zeigten die für multiple Testung korrigierten Ergebnisse dieser Arbeit negative Korrelationen zwischen persönlichkeitsbezogener Impulsivität und morphometrischen Maßen (kortikale Dicke, kortikales Volumen) des linken superior frontalen Kortex, des linken mittleren frontalen Kortex sowie des linken orbitofrontalen Kortex. Erstmalig wurden Zusammenhänge zwischen Impulsivität als spezifischer Persönlichkeitsfacette und der Kortexdicke an einer repräsentativen gesunden Stichprobe gezeigt. Insgesamt weisen die Ergebnisse auf eine zentrale Rolle linkshemisphärischer Strukturen im Bereich des präfrontalen Kortex für Impulsivität hin. / Impulsiveness is a pivotal aspect of personality comprising a continuum from normal to deviant occurrence. Trait impulsiveness modulates both behavior in healthy individuals and, in its extreme occurrence, even clinically relevant behavior. So, inhibition disorder is understood to be a characteristic in a number of mental health problems such as addiction disorders, personality disorders and attention deficit/ hyperactivity disorders. Research in the field of personality psychology views impulsiveness as a broad trait underlying all of the different facets of impulsiveness. The interest in the biological correlates of trait impulsiveness has stimulated a growing number of neuroscientific studies. However, non-clinical structural imaging studies on impulsiveness are still rare and their findings very heterogeneous. The present cumulative thesis aims to contribute to an advanced understanding of structural cerebral correlates of trait impulsiveness in healthy individuals. Within the scope of three empirical studies structural data were acquired by means of high-resolution magnetic resonance scans in healthy participants and tested respectively for correlations with trait impulsiveness. Summarizing these present studies’ findings, the results surviving a multiple comparison corrected threshold showed negative correlations between trait impulsiveness and morphometric measurements (cortical thickness, cortical volume) of the left superior frontal cortex, the left middle frontal cortex and the left orbitofrontal cortex. For the first time, associations between impulsiveness as a certain facet of personality and cortical thickness have been shown in a representative healthy sample. The present work provides further insight into structural cerebral substrates of trait impulsiveness considering novel methodological aspects. In summary, the results suggest structures of the left prefrontal cortex play a central role in impulsiveness.

Titel: Die Darstellung der Rheumatoiden Arthritis im Frühstadium mittels Streulichtanalyse der proximalen Interphalangealgelenke Zielstellung: In dieser Studie wird eine neues laser-basiertes bildgebendes Verfahren zur Darstellung entzündlich-rheumatischer Veränderungen der Fingergelenke evaluiert und mit den etablierten Verfahren Röntgen, Sonographie und Magnetresonanztomographie verglichen. Methoden: Die proximalen Interphalangealgelenke (PIP) von 102 Patienten mit Verdacht auf Rheumatoide Arthritis (RA) und 40 Kontrollpatienten wurden mit der Laser-Streulicht-Analyse untersucht und die daraus resultierende mathematische Funktion des Streulichtverteilungsbildes mittels fünf verschiedener Kennwerte berechnet. Als Referenz wurden 1136 PIP klinisch untersucht, 800 Röntgenaufnahmen angefertigt, 688 Sonographien und 208 magnetresonanztomographische Bilder erstellt, die zur Klassifizierung der Entzündungsakuität dienten. Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigten, dass die untersuchten Kennwerte Breite, Asymmetrie, Steilheit links, Steilheit rechts und Intensität keine Korrelation mit dem Entzündungsgrad des Gelenks mit früher Rheumatoider Arthritis gaben. Schlussfolgerung: Zum jetzigen Stand der Entwicklung erbringt die laser-basierte Streulichtanalyse in der Diagnosefindung der RA keinen Fortschritt, da gesunde Gelenke von floride entzündeten nicht differenziert werden können. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Ursache hierfür in einer zu hohen Sensitivität und mangelnder Reproduzierbarkeit bei der Fingerpositionierung in der Apparatur des Gerätes zu suchen ist. / Title: Imaging of early rheumatoid arthritis with scattering light analysis of the proximal interphalangeal joints Objective: In this study a novel laser-based imaging technique for early rheumatoid arthritis of the finger joints is evaluated and compared to radiography, ultrasound and magnetic-resonance-tomography. Methods: The proximal interphalangeal joints (PIP) of 102 patients with early rheumatoid arthritis (RA) and 40 patients of a control group were measured with laser scattering light analysis and five values describing the resulting image were calculated. The clinical examination of 1136 PIP, 800 x-rays, 688 ultrasound-pictures and 208 magnetic resonance pictures were taken as reference to assess the acuity of inflammation. Results: No correlation was seen for the values to calculate the scattering light image curve (width, asymmetry, left and right skewness and intensity) and the severity of finger joint inflammation. Conclusion: At present the new laser-based imaging technique is not superior to the usual imaging methods for diagnosis of RA This is probably due to a too high sensitivity and a lack of reproducibility for finger positioning in the measuring unit.

Die Diagnostik von Kardiovaskulären Erkrankungen erfolgt vorwiegend mit unspezifischen Methoden, die keine molekularen Informationen über das Gefäß liefern. Die molekulare Bildgebung könnte eine präzisere Diagnose ermöglichen. Ein geeigneter Biomarker für die molekulare Diagnostik von Erkrankungen der Aorta ist das Proteoglycan-spaltende Enzym ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs), welches von Zellen im erkrankten Gewebe von Aorten überexprimiert wird. Insbesondere für die Magnetresonanztomographie (MRT) haben sich Peptide als geeignete Binder für die molekulare Bildgebung erwiesen. In dieser Arbeit wurde eine bestehende Screening-Methode, durch cyclische, hexamere Peptide einer One-Bead-One-Compound (OBOC)-Bibliothek erweitert. Die Cyclisierung erfolgte über eine Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinen. Ein Abbruchsequenzspektrum ermöglichte die Sequenzierung mittels Matrix-unterstützter Laser Desorption/Ionisation-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-ToF-MS). In einem Screening gegen ADAMTS4 konnten cyclische Peptide gefunden werden und mittels Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) charakterisiert. Die Sequenz C*-S-A-A-G-C* zeigte jeweils die selektivste und stärkste Bindung gegen ADAMTS4. In einer Bindungsstudie mit Microscale Thermophoresis (MST)-Spektroskopie zeigte das Peptid eine für die molekulare MR-Bildgebung vorteilhafte, selektive Affinität von (50 ± 20) nM gegenüber ADAMTS4. Die Peptidsequenz wurde mit einem Spacer und einem MRT-aktiven Gadolinium(III)-DOTA-Komplex gekoppelt und zeigte in vitro keine Toxizität. Die Sonde wurde in vivo in einem abdominalen Aortenaneurysma-Modell untersucht. Der Anstieg des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNR, Contrast-to-Noise Ratio) ermöglichte die Unterscheidung zwischen erkrankten und nicht erkrankten Tieren. Zusätzlich konnte bereits in einem frühen Stadium das Rupturrisiko abgeschätzt und eine tödliche Aorten-Ruptur vorhergesagt werden. / Currently, the diagnosis of cardiovascular diseases is performed with unspecific methods, which do not provide any molecular information about the condition of the vessel wall. Molecular imaging could fill the gap and offer a more precise diagnosis. The proteoglycan-cleaving enzyme ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs) could be used as a biomarker for molecular imaging of aneurysm and atherosclerosis, since it is highly upregulated in the unstable course of cardiovascular diseases. Especially for magnetic resonance imaging (MRI), peptide probes have been proven to be suitable for contrast increase of vessel diseases. In this work, a screening technique was optimized and upgraded for the use of cyclic, hexameric One-Bead-One-Compound (OBOC)-libraries. The cyclisation was performed via a disulfide bridge between two cysteines. A ladder sequence was used for sequencing by Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation-Time of Flight-Mass Spectrometry (MALDI-ToF-MS). In a high throughput screening against ADAMTS4 several peptides were found and classified by their interaction against ADAMTS4 with Surface Plasmon Resonance (SPR). The peptide with the sequence C*-S-R-R-G-C* showed not only the highest selectivity against ADAMTS4 in the screening, but also the strongest interaction in the SPR. In a binding assay by Microscale Thermophoresis (MST), the peptide had a favorable and selective affinity against ADAMTS4 of (50 ± 20) nM. The peptide was extended by a short peptide spacer and a magnetic resonance (MR) active gadolinium(III)-DOTA complex and showed no in vitro toxicity at all. Finally, the probe was tested in an abdominal aortic aneurysm mouse model. Here, the probe enabled the differentiation between diseased animals and the sham group. By the increase of the Contrast-to-Noise Ratio (CNR), the diseases could be visualized. Additionally, an early prediction of the disease development, course, and mortality could be performed.

Die vorliegende Arbeit untersucht die grundsätzliche Machbarkeit, Radiofrequenzimpulse (RF) der Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) (B0≥7.0T) für therapeutische Verfahren wie die RF Hyperthermie oder die lokalisierte Freigabe von Wirkstoffträgern und Markern zu nutzen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein 8-Kanal Sened/Empfangsapplikator entwickelt, der bei einer Protonenfrequenz von 298MHz operiert. Mit diesem weltweit ersten System konnte in der Arbeit experimentell bewiesen werden, dass die entwickelte Hardware sowohl zielgerichtete lokalisierte RF Erwärmung als auch MR Bildgebung und MR Thermometrie (MRTh) realisiert. Mit den zusätzlichen Freiheitsgraden (Phase, Amplitude) eines mehrkanaligen Sendesystems konnte aufgezeigt werden, dass der Ort der thermischen Dosierung gezielt verändert bzw. festgelegt werden kann. In realitätsnahen Temperatursimulationen mit numerischen Modellen des Menschen, wird in der Arbeit aufgezeigt, dass mittels des entwickelten Hybridaufbaus eine kontrollierte und lokalisierte thermische Dosierung im Zentrum des menschlichen Kopfes erzeugt werden kann. Nach der erfolgreichen Durchführung dieser Machbarkeitsstudie wurden in theoretischen Überlegungen, numerischen Simulationen und in ersten grundlegenden experimentellen Versuchen die elektromagnetischen Gegebenheiten von MRT und lokal induzierter RF Hyperthermie für Frequenzen größer als 298MHz untersucht. In einem Frequenzbereich bis zu 1.44GHz konnte der Energiefokus mit Hilfe spezialisierter RF Antennenkonfigurationen entscheidend weiter verkleinert werden, sodass Temperaturkegeldurchmesser von wenigen Millimetern erreicht wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Konzepte ausreichende Signalstärke der zirkular polarisierten Spinanregungsfelder bei akzeptabler oberflächlicher Energieabsorption erzeugen, um eine potentielle Machbarkeit von in vivo MRT bei B0=33.8T oder in vivo Elektronenspinresonanz (ESR) im L-Band zu demonstrieren. / The presented work details the basic feasibility of using radiofrequency (RF) fields generated by ultrahigh field (UHF) magnetic resonance (MR) (B0≥7.0T) systems for therapeutic applications such as RF hyperthermia and targeted drug delivery. A truly hybrid 8-channel transmit/receive applicator operating at the 7.0T proton MR frequency of 298MHz has been developed. Experimental verification conducted in this work demonstrated that the hybrid applicator supports targeted RF heating, MR imaging and MR thermometry (MRTh). The approach offers extra degrees of freedom (RF phase, RF amplitude) that afford deliberate changes in the location and thermal dose of targeted RF induced heating. High spatial and temporal MR temperature mapping can be achieved due to intrinsic signal-to-noise ratio (SNR) gain of UHF MR together with the enhanced parallel imaging performance inherent to the multi-channel receive architecture used. Temperature simulations in human voxel models revealed that the proposed hybrid setup is capable to deposit a controlled and localized RF induced thermal dose in the center of the human brain. After demonstrating basic feasibility, theoretical considerations and proof-of-principle experiments were conducted for RF frequencies of up to 1.44GHz to explore electrodynamic constraints for MRI and targeted RF heating applications for a frequency range larger than 298MHz. For this frequency regime a significant reduction in the effective area of energy absorption was observed when using dedicated RF antenna arrays proposed and developed in this work. Based upon this initial experience it is safe to conclude that the presented concepts generate sufficient signal strength for the circular polarized spin excitation fields with acceptable specific absorption rate (SAR) on the surface, to render in vivo MRI at B0=33.8T or in vivo electron paramagnetic resonance (EPR) at L-Band feasible.

Purpose: To investigate if apparent diffusion coefficient (ADC) values within primary central nervous system lymphoma correlate with cellularity and proliferative activity in corresponding histological samples. Materials and Methods: Echo-planar diffusion-weighted magnetic resonance images obtained from 21 patients with primary central nervous system lymphoma were reviewed retrospectively. Regions of interest were drawn on ADC maps corresponding to the contrast enhancing parts of the tumors. Biopsies from all 21 patients were histologically analyzed. Nuclei count, total nuclei area and average nuclei area were measured. The proliferation index was estimated as Ki-67 positive nuclei divided by total number of nuclei. Correlations of ADC values and histopathologic parameters were determined statistically. Results: Ki-67 staining revealed a statistically significant correlation with ADCmin (r = -0.454, p = 0.038), ADCmean (r = -0.546, p = 0.010) and ADCmax (r = -0.515, p = 0.017). Furthermore, ADCmean correlated in a statistically significant manner with total nucleic area (r = -0.500, p = 0.021). Conclusion: Low ADCmin, ADCmean and ADCmax values reflect a high proliferative activity of primary cental nervous system lymphoma. Low ADCmean values—in concordance with several previously published studies—indicate an increased cellularity within the tumor.

<p>Optical coherence tomography is an imaging modality with an outstanding resolution. During the project, a time domain OCT system based on a Michelson fibre interferometer was implemented and put into operation. A super-luminescent diode with a centre wavelength of 1295nm and a bandwidth of 45nm was selected as light source and a linear variable delay line as reference. Basic tests were made on phantoms constructed of filter foils and on gel-like agar slices with optical properties similar to human tissue. It was shown that the achievable resolution was at least 36um and can be increased. The system can easily be enhanced to create two-dimensional images.</p> / <p>Optische Kohärenztomographie ist ein bildgebendes Verfahren mit einer hervorragenden räumlichen Auflösung. Im Laufe des Projekts wurde ein OCT-System basierend auf einem faseroptischen Michelson-Interferometer implementiert und in Betrieb genommen. Als Lichtquelle wurde eine Superlumineszenzdiode mit einer Mittenwellenlänge von 1295nm und einer Bandbreite von 45nm gewählt. Eine variable optische Verzögerungsleitung diente als Referenz. Erste Messungen an Filterfolien und gelähnlichen Agarphantomen, die die optischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe nachbildeten, lieferten eine räumliche Auflösung von mindestens 36um. Durch die modulare Bauweise ist das System leicht für zweidimensionale Aufnahmen erweiterbar.</p>

Optical coherence tomography is an imaging modality with an outstanding resolution. During the project, a time domain OCT system based on a Michelson fibre interferometer was implemented and put into operation. A super-luminescent diode with a centre wavelength of 1295nm and a bandwidth of 45nm was selected as light source and a linear variable delay line as reference. Basic tests were made on phantoms constructed of filter foils and on gel-like agar slices with optical properties similar to human tissue. It was shown that the achievable resolution was at least 36um and can be increased. The system can easily be enhanced to create two-dimensional images. / Optische Kohärenztomographie ist ein bildgebendes Verfahren mit einer hervorragenden räumlichen Auflösung. Im Laufe des Projekts wurde ein OCT-System basierend auf einem faseroptischen Michelson-Interferometer implementiert und in Betrieb genommen. Als Lichtquelle wurde eine Superlumineszenzdiode mit einer Mittenwellenlänge von 1295nm und einer Bandbreite von 45nm gewählt. Eine variable optische Verzögerungsleitung diente als Referenz. Erste Messungen an Filterfolien und gelähnlichen Agarphantomen, die die optischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe nachbildeten, lieferten eine räumliche Auflösung von mindestens 36um. Durch die modulare Bauweise ist das System leicht für zweidimensionale Aufnahmen erweiterbar.

Mikrochips zur Tierkennzeichnung bestehen aus verschiedenen metallischen Materialien. Diese treten in der Magnetresonanztomographie in Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern. So verursachen die ferromagnetischen Materialen der Mikrochips gravierende fokale Bildstörungen. Diese Suszeptibilitätsartefakte können die Beurteilbarkeit der Halsregion erheblich einschränken. Ziel der Studie war, den Einfluss des Sequenztyps auf die Größe des Artefakts zu untersuchen und herauszufinden, welche Möglichkeiten zur Artefaktreduktion bei Veränderung bestimmter Sequenzparameter bestehen. Zusätzlich sollte geklärt werden, wie groß der Abstand zwischen Spinalkanal und Mikrochip mindestens sein muss, um spinale Strukturen beurteilen zu können. In das Untersuchungsgut der Studie gingen die Kadaver von 26 Katzen und 2 Hunden ein. An einem 0,5-Tesla-MRT wurde für verschiedene Sequenztypen (SE-Sequenzen, TSE-Sequenzen, GRE-Sequenzen) und Kombinationen modifizierter Sequenzparameter (Echozeit (TE), Voxelgröße, Ausleserichtung) das Ausmaß der Artefakte ermittelt. Berechnet wurde der Flächeninhalt des Artefakts (cm2). Dieser wurde dann als prozentualer Anteil zur Fläche des Halsquerschnitts angegeben. Diese Berechnung erfolgte für alle untersuchten Einstellungen an transversalen Aufnahmen. Eine ergänzende computertomografische Untersuchung dienste dazu, die Distanz zwischen Spinalkanalund Mikrochip zu messen. Die Untersuchungen der Studie haben gezeigt, dass TSE-Sequenzen wegen ihrer geringeren Artefaktanfälligkeit den SE- und GRE-Sequenzen vorgezogen werden sollten. Besonders kleine Artefakte konnten bei einer T1-TSE-Sequenz mit kleiner TE (10 ms) und kleiner Voxelgröße (große Akquisitionsmatrix von 256 x 256 Pixel, kleines Field of View (FOV) von 160 mm, geringe Schichtdicke (ST) von 2 mm) erreicht werden. Durch Anpassung der Kodierrichtung war es möglich, die Form und Richtung des Artefaktes zu beeinflussen. Lag das Zentrum des Mikrochips näher als 19 mm von der Mitte des Wirbelkanals entfernt, ließen sich auch mit dieser optimierten Sequenz die spinalen Strukturen auf Höhe des Mikrochips nicht beurteilen. Die Größe und Form der Suszeptibilitätsartefakte konnten durch die Wahl des Sequenztyps und Modifikation von Sequenzparametern verändert werden. Dies ist besonders bei kleinen Tieren von Bedeutung. Bei diesen kann es aufgrund der geringen Distanz zwischen Mikrochip und Wirbelsäule zur Beeinträchtigung der MR-Bildauswertung kommen. Eine T1-gewichtete TSE-Sequenz mit kleiner Echozeit (10 ms) und kleiner Voxelgröße (Akquisitionsmatrix 256 x 256 Pixel, FOV 160 mm, ST 2 mm) bietet bei 0,5 Tesla das größte Potenzial zur Artefaktreduktion.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

The vasomotor axon reflex can be evoked in peripheral epidermal nociceptive C-fibers to induce local vasodilation. This neurogenic flare response is a measure of C-fiber functional integrity and therefore shows impairment in patients with small fiber neuropathy. Laser Doppler flowmetry (LDF) and laser Doppler imaging (LDI) are both techniques to analyze vasomotor small fiber function by quantifying the integrity of the vasomotor-mediated axon reflex. While LDF assesses the flare response following acetylcholine iontophoresis with temporal resolution at a single defined skin point, LDI records flare responses with spatial and temporal resolution, generating a two-dimensional map of superficial blood flow. LDF is characterized by a high intra- and interindividual measurement variability, which is smaller in LDI due to its spatial resolution. Nevertheless, LDI still lacks standardized methods for image analysis. Consequently, use of the technique currently remains on an experimental level. Here, we sought to review the current literature on laser Doppler assessment of vasomotor function and discuss potential future applications of established techniques as well as those that are still experimental.