Für die Verwendung von zellbasierten Therapeutika ist vor allem die korrekt Identifikation sowohl vom Ausgangsmaterial wie auch dem produziertem Material von zentraler Wichtigkeit. In dieser Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, welche eine nicht-invasive Klassifizierung von Zellen und zellulärer Entwicklung aufgrund ihrer zweidimensionalen Magnetresonanz-Korrelationsspektren ermöglichte. Hierzu wurde ein mobiler MR-Scanner mit einer Feldstärke von 0.5T und einem Isozentrum von 1 cm3 verwendet. Aufgrund der kompakten und leichten Bauweise war es möglich, das System in normalen Zellkulturlaboren zu verwenden. Von den Proben wurde ein zweidimensionales T1/T2 -Korrelationsspektrum aufgenommen, anhand dessen die Zellen klassifiziert werden sollten. Mithilfe von Agarose-Dotagraf® -Zell- Phantomen konnte die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Messsystems und der verwendeten Sequenz validiert werden. Aufgrund der unter Umständen recht langen Messzeiten der MR-Technologie war auch die Handhabung und Kultur der Zellproben während des Messprozesses von großer Bedeutung. Um hierfür den Durchsatz an Proben zu erhöhen, wurde eine kostengünstige und ebenfalls mobile Robotikanlage entwickelt. Diese basierte auf dem kommerziell erhältlichen Roboterarm Braccio, welcher durch einen Arduino Mega Mikrocontroller gesteuert wurde. Mit bis zu 24 Proben pro Tag konnte durch die Automatisierung der Durchsatz an Proben um den Faktor 3 – 4 gesteigert werden. Durch den entwickelten Prozess war es möglich, eine umfangreiche Datenbank – bestehend aus 362 unabhängigen Messungen (biologische Replikate) – aufzubauen. Die Datenbank enthielt Messungen von zehn unterschiedlichen Zelllinien. Zusätzlich wurden T1/T2 -Korrelationsspektren von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) vor und nach deren Differenzierung zu Adipocyten aufgenommen, um ihre zelluläre Entwicklung nicht-invasiv charakterisieren zu können. Die aufgenommenen Daten wurden mithilfe einer geeigneten Support Vector Machine wie auch angepassten künstlichen neuronalen Netzwerken klassifiziert. Mithilfe dieser Methoden konnten die Zelllinien und MSCs anhand ihrer aufgenommenen Korrelationsspektren mit einer Genauigkeit von bis zu 98% klassifiziert werden. Diese hohe Treffsicherheit legte den Schluss nahe, dass die Kombination aus nichtinvasiver, zweidimensionaler T1/T2 -MR-Relaxometrie und der Verwendung von geeigneten Methoden des machine learning und der künstlichen Intelligenz eine effiziente Methodik für die nicht-invasive Klassifizierung von Zellen sowie zellulärer Entwicklung darstellt. / For the use of cell-based therapeutics, the correct identification of both the starting material and the produced material is of central importance. In this work, a methodology was developed that allowed non-invasive classification of cells and cellular development based on their two-dimensional magnetic resonance correlation spectra. For this purpose, a mobile MR scanner with a field strength of 0.5T and an isocenter of 1 cm3 was used. Due to its compact and lightweight design, it was possible to use the system in normal cell culture laboratories. A two-dimensional T1/T2 - correlation spectrum was recorded from the samples, which was used to classify the cells. Agarose-Dotagraf® cell phantoms were used to validate the stability and reproducibility of the measurement system and the sequence used. Due to the possibly quite long measurement times of the MR technology, the handling and culture of the cell samples during the measurement process was also of great importance. To increase the throughput of samples for this purpose, a low-cost and also mobile robotic system was developed. This was based on the commercially available Braccio robotic arm, which was controlled by an Arduino Mega microcontroller. With up to 24 samples per day, the automation increased the throughput of samples by a factor of 3 - 4. Through the developed process it was possible to build an extensive database – consisting of 362 independent measurements (biological replicates) . The database contained measurements from ten different cell lines. In addition, T1/T2 -correlation spectra of mesenchymal stromal cells (MSCs) before and after their differentiation into adipocytes were recorded to characterize their cellular development non-invasively. The recorded data were classified using an appropriate Support Vector Machine as well as adapted artificial neural networks. Using these methods, the cell lines and MSCs could be classified based on their recorded correlation spectra with an accuracy of up to 98 %. This high accuracy suggested that the combination of non-invasive, two-dimensional T1/T2 -MR relaxometry and the use of appropriate machine learning and artificial intelligence methods is an efficient methodology for the non-invasive classification of cells as well as cellular development.

Magnetic resonance imaging (MRI) is a medical imaging method that involves no ionizing radiation and can be used non-invasively. Another important - if not the most important - reason for the widespread and increasing use of MRI in clinical practice is its interesting and highly flexible image contrast, especially of biological tissue. The main disadvantages of MRI, compared to other widespread imaging modalities like computed tomography (CT), are long measurement times and the directly resulting high costs. In the first part of this work, a new technique for accelerated MRI parameter mapping using a radial IR TrueFISP sequence is presented. IR TrueFISP is a very fast method for the simultaneous quantification of proton density, the longitudinal relaxation time T1, and the transverse relaxation time T2. Chapter 2 presents speed improvements to the original IR TrueFISP method. Using a radial view-sharing technique, it was possible to obtain a full set of relaxometry data in under 6 s per slice. Furthermore, chapter 3 presents the investigation and correction of two major sources of error of the IR TrueFISP method, namely magnetization transfer and imperfect slice profiles. In the second part of this work, a new MRI thermometry method is presented that can be used in MRI-safety investigations of medical implants, e.g. cardiac pacemakers and implantable cardioverter-defibrillators (ICDs). One of the major safety risks associated with MRI examinations of pacemaker and ICD patients is RF induced heating of the pacing electrodes. The design of MRI-safe (or MRI-conditional) pacing electrodes requires elaborate testing. In a first step, many different electrode shapes, electrode positions and sequence parameters are tested in a gel phantom with its geometry and conductivity matched to a human body. The resulting temperature increase is typically observed using temperature probes that are placed at various positions in the gel phantom. An alternative to this local thermometry approach is to use MRI for the temperature measurement. Chapter 5 describes a new approach for MRI thermometry that allows MRI thermometry during RF heating caused by the MRI sequence itself. Specifically, a proton resonance frequency (PRF) shift MRI thermometry method was combined with an MR heating sequence. The method was validated in a gel phantom, with a copper wire serving as a simple model for a medical implant. / Die Magnetresonanztomographie (MRT) zeichnet sich als medizinisches Bildgebungsverfahren dadurch aus, dass sie ohne ionisierende Strahlung auskommt und nicht-invasiv einsetzbar ist. Ein weiterer wichtiger - wenn nicht der wichtigste - Grund für die weite und wachsende Verbreitung der MRT in der klinischen Praxis ist ihr interessantes und hoch-flexibles Kontrastverhalten, und damit die gute Darstellbarkeit biologischen Gewebes. Die Hauptnachteile der MRT sind die, verglichen mit z.B. Computer-Tomographie (CT), langen Messzeiten und die damit direkt verbundenen hohen Untersuchungskosten. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt Verbesserungen der IR TrueFISP Methode zur MR-Parameterbestimmung. IR TrueFISP ist eine schnelle Methode zur gleichzeitigen Quantifizierung der Protonendichte, der longitudinalen Relaxationszeit T1, sowie der transversalen Relaxationszeit T2. In Kapitel 2 dieser Arbeit wird eine Methode zur Beschleunigung der IR TrueFISP Quantifizierung vorgestellt, die es erlaubt einen kompletten Relaxometrie-Datensatz in unter 6 s pro Schicht aufzunehmen. Weiterhin werden in Kapitel 3 zwei allgemeine Fehlerquellen der IR TrueFISP Methode untersucht und Korrekturverfahren vorgestellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden neuartige MR-Thermometrie Methoden vorgestellt, die sich besonders zur Untersuchung der MR-Sicherheit von medizinischen Implanten, insbesondere Herzschrittmachern und implantierbaren Kardioverter-Defibrillatoren (ICDs), eignen. Momentan sind in den allermeisten Fällen MRT Untersuchungen an Herzschrittmacher- und ICD-Patienten aufgrund der damit verbundenen Risiken kontraindiziert. Das dabei am schwierigste in den Griff zu bekommende und damit größte Risiko ist die mögliche Schädigung des Myokards, hervorgerufen durch die von den geschalteten HF-Feldern induzierten Ströme in den Schrittmacherelektroden. Um eine MR-sichere Elektrode und/oder sichere Messprotokole zu entwickeln ist es notwendig viele verschiedene Elektroden, Elektrodenpositionen und Messparameter-Einstellungen in einem körperähnlichen Gel-Phantom untersucht. Die bei der jeweiligen Messung auftretenden Erhitzungen werden dabei meist mit Hilfe fiberoptischer Thermometer an verschiedenen Positionen im Gel gemessen. Eine Alternative ist die Aufnahme einer globalen Karte der Temperaturerhöhung mit Hilfe der MR-Thermometrie. In dieser Arbeit wird eine Messmethode vorgestellt, die MR-Thermometrie mit HF induziertem Heizen kombiniert. Diese Methode wurde an einem Kupferdraht im Gelphantom validiert und mit fiberoptisch gemessenen Temperaturanstiegen verglichen.

This thesis focuses on various aspects and techniques of 19F magnetic resonance (MR). The first chapters provide an overview of the basic physical properties, 19F MR and MR sequences related to this work. Chapter 5 focuses on the application of 19F MR to visualize biological processes in vivo using two different animal models. The dissimilar models underlined the wide applicability of 19F MR in preclinical research. A subsection of Chapter 6 shows the application of compressed sensing (CS) to 19F turbo-spin-echo chemical shift imaging (TSE-CSI), which leads to reduced measurement time. CS, however, can only be successfully applied when a sufficient signal-to-noise ratio (SNR) is available. When the SNR is low, so-called spike artifacts occur with the CS algorithm used in the present work. However, it was shown in an additional subsection that these artifacts can be reduced using a CS-based post processing algorithm. Thus, CS might help overcome limitations with time consuming 19F CSI experiments. Chapter 7 deals with a novel technique to quantify the B+1 profile of an MR coil. It was shown that, using a specific application scheme of off resonant pulses, Bloch-Siegert (BS)-based B+1 mapping can be enabled using a Carr Purcell Meiboom Gill (CPMG)-based TSE sequence. A fast acquisition of the data necessary for B+1 mapping was thus enabled. In the future, the application of BS-CPMG-TSE B+1 mapping to improve quantification using 19F MR could therefore be possible. / Diese Arbeit handelt von verschiedenen Aspekten und Techniken der 19F Magnet Resonanz Tomographie (MRT). In den ersten Kapiteln wird auf grundlegenden physikalischen Eigenschaften der MRT, die 19F MRT und MRT Sequenzen eingegangen. Kapitel 5 behandelt die Anwendung von 19F MRT zur in vivo Visualisierung von biologischen Prozessen. Dazu wurden zwei verschiedene Tiermodelle benützt. Diese stark unterschiedlichen Modelle markieren die breite Anwendungsmöglichkeit der 19F MR Bildgebung in der präklinischen Forschung. In einem Unterabschnitt des Kapitels 6 wurde gezeigt, dass Compressed Sensing (CS) zur Beschleunigung von 19F Turbo-Spin-Echo Chemical Shift Imaging (TSE-CSI) Experimenten beitragen kann. Allerdings kann CS nur erfolgreich angewendet werden, wenn ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) vorhanden ist. Denn ist das nicht der Fall und wird der CS Algorithmus dieser Arbeit verwendet, dann entstehen sogenannte spike Artefakte. In einem weiteren Unterabschnitt wurde aber gezeigt, dass diese Artefakte mit einem CS basierten Algorithmus in der Nachbearbeitung der Daten reduziert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CS, die Beschränkungen durch zeitaufwändigen 19F CSI Experimenten überwinden kann. Kapitel 7 handelt von einer neuartigen Technik um das B+1 Profil einer MR Spule quantitativ auszumessen. Es wurde gezeigt, dass mit einem bestimmten Anwendungsschema von offresonanten Pulsen das Bloch-Siegert (BS)-basiertes B+1 Mapping mit Hilfe einer Carr Purcell Meiboom Gill (CPMG) basierten TSE Sequenz betrieben werden kann. Somit wurde eine schnelle Aufnahme der Daten, die für das B+1 Mapping benötigt werden, erreicht. In der Zukunft könnte das BS-CPMG-TSE B+1 Mapping möglicherweise dazu beitragen, die Quantifizierung mittels 19F MRI zu verbessern.

Myokardinfarkte (MI) sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Eine rechtzeitige Wiederherstellung des koronaren Blutflusses im ischämischen Myokard reduziert signifikant die Sterblichkeitsrate akuter Infarkte und vermindert das ventrikuläre Remodeling. Überlebende MI-Patienten entwickeln jedoch häufig eine Herzinsuffizienz, die mit einer reduzierten Lebensqualität, hohen Sterblichkeitsrate (10% jährlich), sowie hohen Kosten für das Gesundheitssystem einhergeht. Die Entwicklung der Herzinsuffizienz nach einem MI ist auf den hohen Verlust kontraktiler Kardiomyozyten, während der Ischämie-Reperfusion zurückzuführen. Anschließende komplexe strukturelle und funktionelle Veränderungen resultieren aus Modifikationen des infarzierten und nicht infarzierten Myokards auf molekularer und zellulärer Ebene. Die verbesserte Überlebensrate von Patienten mit akutem MI und das Fehlen effizienter Therapien, die die Entwicklung und das Fortschreiten des ventrikulären Remodelings verhindern, führen zu einer hohen Prävalenz der Herzinsuffizienz. Die kardiale Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine wichtige Methode zur Diagnose und Beurteilung des Myokardinfarktes. Mit dem technologischen Fortschritt wurden die Grenzen der MRT erweitert, so dass es heute möglich ist, auch molekulare und zelluläre Ereignisse in vivo und nicht-invasiv zu untersuchen. In Kombination mit kardialer Morphologie und Funktion könnte die Visualisierung essentieller molekularer und zellulärer Marker in vivo weitreichende Einblicke in den Heilungsprozess infarzierter Herzen liefern, was zu neuen Erkenntnissen für ein besseres Verständnis und bessere Therapien des akuten MI führen könnte. In dieser Arbeit wurden Methoden für die molekulare und zelluläre kardiale MRT-Bildgebung der Inflammation und des Kalziumstroms im Heilungsprozess des akuten Myokardinfarktes in vivo in einem Rattenmodel mit klinischer Relevanz etabliert. / Myocardial infarction (MI) is a leading cause of death worldwide. Timely restoration of coronary blood flow to ischemic myocardium significantly reduces acute infarct mortality and attenuates ventricular remodeling. However, surviving MI patients frequently develop heart failure, which is associated with reduced quality of life, high mortality rate (10% annually), as well as high healthcare expenditures. The main processes involved in the evolution of heart failure post-MI are the great loss of contractile cardiomyocytes during ischemia-reperfusion and the subsequent complex structural and functional alterations, which are rooted in modifications at molecular and cellular levels in both the infarcted and non-infarcted myocardium. However, we still lack efficient treatments to prevent the development and progression of left ventricular remodeling. The improved survival rate of acute MI patients combined with the lack of effective therapy for post-MI remodeling contributes to the high prevalence of heart failure. Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an important tool for diagnosis and assessment of MI. With the advancement of this technology, the frontier of MRI has been extended to probing molecular and cellular events in vivo and non-invasively. In combination with assessment of morphology and function, the visualization of essential molecular and cellular markers in vivo could provide comprehensive, multifaceted views of the healing process in infarcted hearts, which might give new insight for the treatment of acute MI. In this thesis, molecular and cellular cardiac MRI methods were established to visualize and investigate inflammation and calcium flux in the healing process of acute MI in vivo, in a clinically relevant rat model.

Fulminant myocarditis is rare but a potentially life-threatening disease. Acute or mild myocarditis following acute ischemia is generally associated with a profound activation of the host’s immune system. On one hand this is mandatory to protect the host’s heart by fighting the invading agents (i.e., bacteria, viruses or other microbial agents) and/or to induce healing and repair processes in the damaged myocardium. On other hand, uncontrolled activation of the immune system may result in the generation of auto-reactive (not always beneficial) immune cells. Myocarditis or inflammatory cardiomyopathy is characterized by focal or diffuse infiltrates, myocyte necrosis and/or apoptosis and subsequent fibrotic replacement of the heart muscle. In humans, about 30% of the myocarditis-patients develop dilated cardiomyopathy. As the clinical picture of myocarditis is multifaceted, it is difficult to diagnose the disease. Therefore, the main goal of the present work was to test and further develop novel non-invasive methods for the detection of myocardial inflammation by employing both contrast enhanced MRI techniques as well as novel nuclear tracers that are suitable for in vivo PET/ SPECT imaging. As a part of this thesis, a pre-clinical animal model was successfully established by immunizing female Lewis rats with whole-porcine cardiac myosin (CM). Induction of Experimental Autoimmune Myocarditis (EAM) is considered successful when anti-myosin antibody titers are increased more than 100-fold over control animals and pericardial effusion develops. In addition, cardiac tissues from EAM-rats versus controls were analyzed for the expression of various pro-inflammatory and fibrosis markers. To further exploit non-invasive MRI techniques for the detection of myocarditis, our EAM-rats were injected either with (1) ultra-small Paramagnetic iron oxide particles (USPIO’s; Feraheme®), allowing for in vivo imaging , (2) micron sized paramagnetic iron oxide particles (MPIO) for ex vivo inflammatory cell-tracking by cMRI, or (3) with different radioactive nuclear tracers (67gallium citrate, 68gallium-labeled somatostatin analogue, and 68gallium-labeled cyclic RGD-peptide) which in the present work have been employed for autoradiographic imaging, but in principle are also suitable for in vivo nuclear imaging (PET/SPECT). In order to compare imaging results with histology, consecutive heart sections were stained with hematoxylin & eosin (HE, for cell infiltrates) and Masson Goldner trichrome (MGT, for fibrosis); in addition, immuno-stainings were performed with anti-CD68 (macrophages), anti-SSRT2A (somatostatin receptor type 2A), anti-CD61 (β3-integrins) and anti-CD31 (platelet endothelial cell adhesion molecule 1). Sera from immunized rats strongly reacted with cardiac myosin. In immunized rats, echocardiography and subsequent MRI revealed huge amounts of pericardial effusion (days 18-21). Analysis of the kinetics of myocardial infiltrates revealed maximal macrophage invasion between days 14 and 28. Disappearance of macrophages resulted in replacement-fibrosis in formerly cell-infiltrated myocardial areas. This finding was confirmed by the time-dependent differential expression of corresponding cytokines in the myocardium. Immunized animals reacted either with an early or a late pattern of post-inflammation fibrosis. Areas with massive cellular infiltrates were easily detectible in autoradiograms showing a high focal uptake of 67gallium-citrate and 68gallium labeled somatostatin analogues (68Ga DOTA-TATE). Myocardium with a loss of cardiomyocytes presented a high uptake of 68gallium labeled cyclic RGD-peptide (68Ga NOTA-RGD). MRI cell tracking experiments with Feraheme® as the contrast-agent were inconclusive; however, strikingly better results were obtained when MPIOs were used as a contrast-agent: histological findings correlated well with in vivo and ex vivo MPIO-enhanced MRI images. Imaging of myocardial inflammatory processes including the kinetics of macrophage invasion after microbial or ischemic damage is still a major challenge in, both animal models and in human patients. By applying a broad panel of biochemical, histological, molecular and imaging methods, we show here that different patterns of reactivity may occur upon induction of myocarditis using one and the same rat strain. In particular, immunized Lewis rats may react either with an early or a late pattern of macrophage invasion and subsequent post-inflammation fibrosis. Imaging results achieved in the acute inflammatory phase of the myocarditis with MPIOs, 67gallium citrate and 68gallium linked to somatostatin will stimulate further development of contrast agents and radioactive-nuclear tracers for the non-invasive detection of acute myocarditis and in the near future perhaps even in human patients. / Eine fulminant verlaufende Myokarditis ist eine seltene aber potentiell lebensbedrohliche Erkrankung. Akute oder chronische Myokarditis gehen generell mit einer starken Aktivierung des Immunsystems der Betroffenen einher. Zum einen ist dies notwendig, um das Herz durch Bekämpfung der Eindringlinge (z.B. Bakterien, Viren oder andere mikrobielle Erreger) zu schützen und/oder Heilungs- und Reparaturprozesse im geschädigten Myokard einzuleiten. Zum anderen kann eine unkontrollierte Aktivierung des Immunsystems aber auch zur Entstehung von (nicht immer vorteilhaften) auto-reaktiven Immunzellen führen. Eine Myokarditis oder entzündliche Kardiomyopathie ist charakterisiert durch fokale oder diffuse Infiltrate, Nekrose und/oder Apoptose der Myozyten und einen fortschreitenden fibrotischen Ersatz des Herzmuskelgewebes. Beim Menschen entwickeln etwa 30% der Myokarditis-Patienten eine dilatative Kardiomyopathie. Da das klinische Bild der Myokarditis sehr vielfältig sein kann, ist die Diagnosestellung dieser Erkrankung schwierig. Deshalb war es das Kernziel dieser Arbeit, nicht-invasive Methoden zum Nachweis myokardialer Entzündungen zu testen, und dabei neue Bildgebungsverfahren unter Einsatz von neuen MRT-Kontrastmitteln sowie neuen nuklearen Tracern, die auch für PET/SPECT geeignet wären, zu entwickeln. Diese Verfahren wurden von uns zunächst an einem human-analogen Ratten-Modell evaluiert, mit dem Ziel später evtl. auch einmal beim Menschen eingesetzt werden zu können. Für unser präklinisches Tiermodell wurden weibliche Lewis-Ratten mit kardialem Myosin aus Schweinen immunisiert. Die erfolgreiche Induktion einer „Experimentellen Autoimmunen Myokarditis (EAM)“ wurde durch einen signifikanten Anstieg der Anti-Myosin Antikörpertiter in immunisierten Tieren und die Ausbildung eines Perikardergusses (Echokardiographie) bestätigt. Zusätzlich wurde aus apikalem kardialem Gewebe RNA isoliert und die Expression verschiedener pro-inflammatorischer und pro-fibrotischer molekularer Marker untersucht. Um die Bildgebung mittels kontrast-verstärktem cMRT zu optimieren, wurden den Tieren entweder kleine Eisenoxid-Nanopartikel (Ultra small paramagnetic iron oxide particles, USPIO; Feraheme®), oder sog. ,,Micronsized paramagnetic iron oxide particles (MPIO)‘‘ für das Tracking inflammatorischer Zellen injiziert. Im daraufolgenden Schritt wurden radioaktive nukleare Tracer (67Gallium-Citrat, 68Gallium-markierte Somatostatin-Analoga und 68Gallium-markierte zyklische RGD-Peptide) injiziert, um dann Autoradiogramme von Herzschnitten zu gewinnen.

Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Möglichkeiten der MR Tomographie erkundet werden bakterielle Infektionen im Zeitverlauf darzustellen. Genauer gesagt sollte das Potential der MR Tomographie anhand eines durch eine Infektion induzierten lokalisierten Abszesses unter Verwendung dreier unterschiedlicher MRT Methoden untersucht werden: Mittels nativem \(T_2\) Kontrast; der Verwendung von superparamagnetischen Eisenoxid Partieln (USPIO) als \(T_2^*\) Kontrastmittel; und dem Einsatz von Perfluorkarbonen (PFC) als \(^{19}F\) MRT Marker (siehe Kapitel 3). Wie erwartet führte die durch die Infektion hervorgerufene Entzündung zu veränderten \(T_2\)-Zeiten, welche auf \(T_2\)-gewichteten MR Bildern eine Lokalisierung des Abszessbereiches erlauben. Jedoch eigneten sich diese Daten aufgrund der graduellen Änderung der \(T_2\)-Zeiten nicht, um eine klare Grenze zwischen Abszess und umliegendem Gewebe zu ziehen. Superparamagnetische Eisenoxidpartikel andererseit haben als MRT Kontrastmittel bereits in den letzten Jahren ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt Entzündungen [53, 58, 64] darzustellen. Die Anreicherung dieser Partikel am Rande des Abszesses [53], wie sie auch in unseren MR Daten zu beobachten war, erlaubte eine relativ scharfe Abgrenzung gegenüber dem umgebenden Gewebe in der chronischen Phase der Infektion (Tag 9 p.i.). Hingegen genügte die nur sehr spärlichen Anreicherung von USPIO Partikeln in der akuten Phase der Infektion (Tag 3 p.i.) nicht für eine entsprechende Abgrenzung [58]. Aufgrund der sehr geringen biologischen Häufigkeit und den sehr kurzen Relaxationszeiten von endogenem Fluor eignen sich Perfluorkarbone als Markersubstanz in der MR Tomographie von biologischen Systemen. Insbesondere da PFC Emulsionen durch phagozytierende Zellen aufgenommen werden und im Bereich von Entzündungen akkumulieren [30, 59]. In dieser Arbeit konnte anhand der erhaltenen MRT Daten eine Akkumulation von Perfluorkarbonen nicht nur in der chronischen Phase, sondern auch in der akuten Phase nachgewiesen werden. Diese Daten erlauben somit zu allen untersuchten Zeitpunkten eine Abgrenzung zwischen Infektion und umliegenden Gewebe. Aufgrund der besagten Vorteile wurden die Perfluorkarbone gewählt, um die Möglichkeiten der MR Tomographie zu testen, quantitative Informationen über die schwere der Infektion zu liefern. Als Referenz für die Bakterienbelastung wurden die Biolumineszenzbildgebung (BLI) [49, 50] und die Standardmethode zur Bestimmung der Bakterienbelastung cfu (koloniebildenden Einheiten) herangezogen. Eine Gegenüberstellung der zeitlichen Verläufe der durch die Biolumineszenzbildgebung und durch die cfu erhaltenen Daten liefert eine qualitative Übereinstimmung mit den durch die 19F MR Tomographie erhaltenen Daten. Dies trifft hierbei sowohl auf die über den gesamten Infektionsbereich hinweg summierten Signalamplituden, als auch auf das Volumen zu, in dem Fluor am Ort der Infektion akkumuliert wurde. Im Gegensatz zur Methode der cfu Bestimmung sind die MR Tomographie und die Biolumineszenzbildgebung nicht invasiv und erlauben die Verfolgung des Infektionsverlaufes an einem einzelnen Individuum. Hierzu benötigt, im Gegensatz zur MR Tomographie, die Methode der Biolumineszenzbildgebung jedoch einen speziellen Pathogenstamm. Darüber hinaus ist hervorzuheben, dass die MR Tomographie zudem die Möglichkeit bietet auch morphologische Informationen über den Infektionsbereich und seine Umgebung zu akquirieren. Gerade weil jede dieser Methoden die mit der Infektion einhergehenden Prozesse aus einer leicht anderen Blickrichtung betrachtet, erscheint es sinnvoll diese etablierte Untersuchungsplattform bestehend aus MRT, BLI und cfu über die in dieser Arbeit bearbeitete Fragestellung hinaus näher zu untersuchen. Insbesondere der Aspekt inwieweit die drei Methoden sich gegenseitig ergänzen, könnte einen tieferen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Pathogen und Wirt erlauben. Auch wenn für die betrachtete Fragestellung bereits der hierdurchgeführte semiquanitative Ansatz zur Bestimmung der relativen Fluormengen am Ort der Infektion ausreichte, so ist doch im Allgemeinen wünschenswert probenbezogen die Sensitivität der Spule und damit die Güte der Spulenabstimmung zu bestimmen. Hierzu ist jedoch die Aufnahme von \(B_1\)-Karten unabdingbar und wird entsprechend im Kapitel 4 \(Bloch-Siegert B_1^+-Mapping\) näher addressiert. Der Schwerpunkt liegt hierbei, wie der Kapitelname bereits andeutet, auf der Bloch-Siegert Methode, die insbesondere in der präsentierten Implementierung in einer Turbo/ Multi Spin Echo Sequenz eine effiziente Nutzung der relativ langen \(T_\)2-Zeiten der Perfluorkarbone erlaubt. Da zudem die Bloch-Siegert-Methode eine rein phasenbasierte Methode ist, kann neben der aus den Daten erzeugten \(B_1\)-Karte zugleich ein unverfälschtes Magnitudenbild generiert werden, wodurch eine sehr effiziente Nutzung der vorhandenen Messzeit ermöglicht wird. Diese Eigenschaft ist insbesondere für \(^{19}F\) Bildgebung von besonderem Interesse, da hier für jede Messung, aufgrund der üblicherweise relativ geringen Konzentration an Fluoratomen, lange Messzeiten benötigt werden. Zusammenfassend konnte anhand des untersuchten Tiermodells sowohl die Fähigkeit der MR Tomographie nachgewiesen werden Infektionen im Zeitverlauf darzustellen, als auch die Fähigkeit der MR Tomographie quantitative Informationen über den Verlauf der Infektion zu liefern. Desweiteren konnte eine Möglichkeit aufgezeigt werden, welche das Potential hat in vertretbarem Zeitrahmen auch in vivo B1+-Karten auf dem Fluorkanal zu erstellen und so einen zentralen Unsicherheitsfaktor, für Relaxometry und absolute Quantifizierung von \(^{19}F\) Daten in vivo, zu beseitigen. / The main focus of this work is to investigate the potential of magnetic resonance imaging (MRI) to monitor the timecourse of bacterial infections in vivo. More specifically, it focuses on the ability to localize and assess an infection-induced localized bulky abscess using three different MRI methods: the utilization of native \(T_2\) contrast; the usage of super paramagnetic iron oxide nanoparticles (USPIO) as MRI \(T_2^*\) contrast agents; and the application of perfluorcarbons (PFC) as \(^{19}F\) MRI marker (see chapter 3). Study results demonstrated that, as expected the altered \(T_2\) values present in the abscess area permit localization of the infection when using \(T_2\) weighted data. The precise boundary of the abscess, however, could not be determined due to the gradual change of the \(T_2\) values in the area of the infection. Conforming to other studies [53, 58], the MR-detected accumulation of USPIO particles along the abscess rim allowed definition of a fairly exact demarcation line between the abscess and surrounding tissue during the chronic phase of the infection (day 9 p.i.). During the acute phase of the infection (day 3 p.i.), however, the particle accumulation at the abscess rim was too sparse for precise boundary definition [58]. Because of their extremely low biological abundance and the very short relaxation times of endogenous fluorine, PFCs can be imaged background-free in a biological system. Moreover, as emulsified PFCs were taken up by phagocytosing cells and accumulated at the site of inflammation [30, 59], the acquired MRI data showed PFC accumulation during both the chronic and acute phases of infection. It was thus possible to differentiate between the abscess and surrounding tissue at each examined time point. Due to the described advantages, PFCs were chosen to evaluate with MRI the infection severity. As a bacterial burden reference, colony forming units (cfu) and bioluminescence imaging (BLI) [49, 50] were selected. Observation of BLI, cfu and \(^{19}F\) MRI data showed qualitative correlation during the investigated time course. This was true for the accumulated \(^{19}F\) MR signal in the area of infection and for the \(^{19}F\) MR signal volume. Additionally, unlike the cfu method MRI and BLI are non-invasive and thus data can be gathered at multiple time points. However, contrary to BLI, MRI does not require a special pathogen strain. Moreover, it can provide morphological data from an abscess and the surrounding tissue. Because the data delivered by each of these three methods (MRI, BLI and cfu), are based on alternative approaches, additional examinations of the established platform are suggested. For example, the extent to which the methods supplement each other may provide deeper insight into the interaction between pathogen and host. Even though the chosen semi quantitative approach was sufficient in the context of the evaluated issues to estimate the relative fluorine amount at the site of infection, it is in general desirable for each quantification to determine the sensitivity of the coil per sample. To address this issue the Bloch Siegert (BS) based \(B_1\) mapping method implemented in a turbo/ multi spin echo (TSE/MSE) sequence is presented in Chapter 4 Bloch-Siegert \(B_1^+\)-Mapping. Such a sequence allows effective use of the relatively long PFC \(T_2\) times and encodes BS information solely into the phase data. Thus, a \(B_1\) map can be created in addition to the unaltered TSE/MSE magnitude image. In the context of \(^{19}F\) imaging, this is of special interest due to the usually low amounts of fluorine resulting in long measurement times. In conclusion, it was shown that MRI not only enables visualization of the temporal behavior of infections on the investigated animal model, but it can also provide quantitative information about the progress of the infection. Additionally, a method potentially allowing in vivo B1+ mapping was introduced. This is an important step to improve the reliability of relaxometry and absolute quantification of in vivo \(^{19}F\) MRI.

The main objective of this dissertation was the development of a flow sensor which is specialized on flow measurements of plants. Hence, an accessible mobile magnet and the receiver/transfer hardware have been developed. Additionally, software to control the MR-console has been written. The AC-method was advanced to acquire slow flow profiles. This enables acquiring flow in plants. Additionally, in cooperation with the working group “Lipid Motobolism” of the IPK-Gatersleben studies have been carried out to measure the influence of the ear of wheat on the water transport mechanism. Furthermore, a new technique based on the Bloch-Siegert-effect has been developed which reduces the influence of eddy currents. This simplifies flow measurements that suffer heavily from eddy currents. Hardware development An accessible mobile magnet with a field strength of 0.42 T has been build. The field homogeneity is 0.5 ppm in 1 cm³. In comparison to the existing closed magnet system at the chair EP5 this is an improvement of a factor 40. Those enhancements have been achieved by an adjusted design of the magnet which has been optimized by computer simulations. The implementation of ferrite pole shoes reduced the eddy currents by a factor 7 in comparison to the usually used iron pole shoes. Therefore, phase sensitive flow measurements using fast switching magnet field gradients could be carried out. A foldable coil has been refined to achieve an accessible receiver system. This coil has been used as a transmit/receiver unit. Furthermore, the SNR of measurements in thin plant stalks was enhanced by a constructed system that could be directly wrapped around the stalk. Additionally, two systems to reduce noise in plant measurements have been developed. Those systems can reduce the noise by a factor 92. This was necessary because the longish plant stems guides electric noise from outside of the case into the receiver coil. Both noise reduction systems, the electromagnetic shielding and the common mode rejection, removed the noise to the same level. Flow measurement In the present work a refinement of the AC-method [36] enabled for the first time acquiring quantitative flow profiles. Hence, it was possible to measure slow velocity in the range of 200 µm/s. The precondition was the replacement of the sinusoidal gradient profile by a trapezoid gradient shape. Those allowed increasing the slew rate of the gradients and therefore shorten the total duration of the ramp which finally allows higher encoding strengths. Additionally, due to intervals without applied gradients, more efficient RF-pulses can be used and more data points can be acquired in an echo. The measured flow profiles correlated to the simulation results. The accurate flow profiles have been achieved by a new evaluation technique and a phase correction mechanism. The newly developed extension to imaging enabled spatially encoded spectral flow measurements. Therefore, the location of xylem and phloem can be spatially separated. In the measurement of the black alder this becomes apparent. Here the shape of dicotyledonous plants, which is described in chapter 5.1, is visible. Additionally, due to the spatial separation of the flow directions (up/down) qualitative flow measurements are possible. In pixels where opposite flow directions can spatially be resolved the difference between the left and the right side of the flow spectra yields the total flow without static water. Due to the phase corrections technique in combination with the automatically frequency calibration, long term flow measurements were possible. Therefore, the response of plants on influences like changes in the illumination have been observed in measurements over a duration of nine days. Here flow changes below 200 µm/s can be detected. Bloch-Siegert phase encoding In this work a new spatial phase encoding technique (BS-SET) using a B1-gradient in combination with far off-resonant radio frequency pulses has been demonstrated. Based on the Bloch-Siegert Shift an eddy current free B1-gradient was used to encode images and apply flow encoding. The BS-gradient induces a phase shift which depends on B1² using a constant gradient. Therefore, adapted reconstructions have been developed that provide undistorted images using this nonlinear encoding. Alternatively, a B1-gradient has been developed where the profile of the B1-field follows a square root shape. This supplies a linear phase encoding removing the need for an adapted reconstruction and enables using this technique for flow encoding. / Das Ziel der Promotion war die Entwicklung eines Flusssensors mit dem Fokus auf Flussmessungen an Pflanzen. Dazu musste zunächst die Hardware in Form eines räumlich zugänglichen Magneten und einer Sende- und Empfangseinheit entworfen werden. Um die MR-Konsole ansteuern zu können, musste eine Software entwickelt werden. Die AC-Methode wurde für Flussmessungen mit niedrigen Geschwindigkeiten angepasst und die entsprechende Theorie dazu erweitert. Mit dieser weiterentwickelten AC-Methode wurde die Flussmessung an Pflanzen demonstriert. Dafür wurden im Rahmen einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe „Lipid Motobolism“ der IPK-Gatersleben Flussstudien an Weizenpflanzen durchgeführt. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine neue Technik zur Wirbelstromvermeidung bei Permanentmagneten entwickelt, um Problemen mit diesen bei Flussmessungen entgegenzuwirken. Sensorbau Es wurde ein zugänglicher, mobiler Magnet mit einer Feldstärke von 0,42 T gebaut. Die Feldhomogenität beträgt 0,5 ppm in 1 cm³. Im Vergleich zu dem am Lehrstuhl der EP5 bestehenden, geschlossenen, mobilen Magnetsystem erreicht das in dieser Arbeit gebaute System ein 40fach homogeneres Magnetfeld. Erzielt wurden diese Verbesserungen durch ein spezielles Design, welches durch Computersimulationen sukzessiv optimiert wurde. Durch angepasste Polschuhe konnte darüber hinaus die Induktion von Wirbelströmen im Mittel um einen Faktor 7 reduziert werden, wodurch phasensensitive Flussmessungen ermöglicht wurden. Um die Zugänglichkeit zu dem Innenraum der HF-Spulen zu gewährleisten, wurde eine Klappspule weiterentwickelt und als Sende- und Empfangseinheit für den Tomographen gebaut. Ferner wurde ein System gebaut, dass direkt um die Pflanze gewickelt werden kann und sich somit für besonders dünne Pflanzenstängel eignet. Weiterhin wurden zwei Systeme zur Rauschunterdrückung für die Messungen an Pflanzen entwickelt. Dadurch konnte das Rauschen um einen Faktor 92 gesenkt werden. Dies war notwendig, weil die länglichen Pflanzen durch ihre Ausdehnung über das Gehäuse hinweg ein Rauschen in die Empfangsspule induziert haben. Die beiden Rauschunterdrückungssysteme, die elektrische Schirmung und die Gleichtaktunterdrückung, entfernten das Rauschen dabei gleichermaßen. Flussmessung Die im Rahmen der Arbeit erfolgte Weiterentwicklung der AC-Methode [102] erlaubte es erstmals mit der Methode quantitative Flussprofile aufzunehmen. In Folge dessen war es außerdem möglich Geschwindigkeiten unter 200 µm/s zu messen. Die Vorrausetzung dafür war die Implementierung von trapezförmigen Gradienten, welche kürzere Rampzeiten und eine stärkere Kodierung zulassen. Dadurch sind außerdem Intervalle ohne Gradienten realisierbar, die effizientere Refokussierungspulse und die Aufnahme mehrerer Datenpunkte ermöglichen. Die zu erwartenden und simulierten Flussprofile entsprachen den gemessenen Profilen durch die Verwendung einer neuen Auswertungstechnik. Die neu entwickelte Erweiterung zur Bildgebung ermöglicht die ortsaufgelöste, spektroskopische Flussmessung und so können die Bereiche von Xylem und Phloem voneinander getrennt werden. Dies wurde durch Messungen einer Schwarzerle gezeigt, bei der die im Abschnitt 5.1 beschriebene Struktur dikotyler Pflanzen aufgelöst werden konnte. Zusätzlich können qualitativ genauere Aussagen über die Flussgeschwindigkeit getroffen werden. Bei Messungen an Pflanzen konnte mit der optimierten AC-Methode die Flussänderungen aufgrund äußerer Einflüsse, wie der Beleuchtung, beobachtet werden. Langzeitmessungen über 9 Tage zeigten einen der Beleuchtung folgenden Flussverlauf - auch bei sehr geringen mittleren Flussänderungen von unter 200 µm/s. Bloch-Siegert Phasenkodierung Um eine Phasenkodierung ohne die Induktion von Wirbelströmen zu erhalten, wurde im Rahmen der Arbeit die ortsabhängige Phasenkodierung mittels B1-Gradienten entwickelt. Diese Technik basiert auf HF-Wechselfeldern und benutzt den sogenannten BS-Shift um einen B1-feldabhängigen Frequenzshift zu induzieren. Zwei Rekonstruktionstechniken wurden entwickelt, um die Rekonstruktion von entzerrten Bildern zu ermöglichen. Dies war notwendig, da die Kodierung mittels BS-Shift von B1² abhängt. Infolgedessen wird bei der Verwendung von konstanten HF-Gradienten eine vom Quadrat des Ortes abhängige Phasenkodierung induziert. Als Alternative zu diesem Verfahren wurde ein Gradient entwickelt, der einen wurzelförmigen Feldverlauf hat und somit die lineare Kodierung ohne angepasste Rekonstruktionstechniken ermöglicht.

Messungen mit Magnetresonanztomographen sind seit jeher mit hohen Lautstärken verbunden. Deshalb wird das Gerät im Volksmund auch als „laute Röhre“ bezeichnet. Bisher wurde das Problem mit Kopfhörern, Ohrenstöpseln und akustischer Dämmung des MRT-Scanners angegangen. Auch in der Fachliteratur wird das Problem als gegeben angesehen und es werden kaum wissenschaftliche Lösungsansätze zur Lautstärkereduktion beschrieben. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Bildgebungs-Sequenzen für schwer‑optimierbare Bildkontraste und sogenannte Standard-Kontraste aus dem klinischen Umfeld hinsichtlich der Lautstärke zu optimieren. Viele dieser Kontraste können bereits mit einfachen Algorithmen wie dem Gradientenglättungsalgorithmus erfolgreich in Hinblick auf die Lautstärke optimiert werden. Allerdings existieren auch Sequenzen beziehungsweise Kontraste, die aufgrund ihrer Eigenschaften nicht von einem solchen Algorithmus profitieren können. Die Optimierungen und Änderungen sollten software-seitig erfolgen, das heißt durch Änderung der Gradientenformen und Datenakquisition. In der Arbeit wurden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den verwendeten Geräteparametern und der Lautstärke untersucht und zudem die physikalischen Ursachen der Lautstärkeentwicklung hergeleitet. Diese konnten anhand der Lorentz-Kräfte quantitativ beschrieben werden. Somit konnten die Hauptursachen der Lautstärkeentwicklung identifiziert werden. Diese sind abhängig von der Gradienten-Steig-Rate, aber auch von der Amplitude der Gradienten. Es konnte gezeigt werden, dass eine Minimierung dieser Gradientenparameter zu einer geringeren Lautstärkeentwicklung führt. Allerdings führt diese Minimierung in den meisten Fällen auch zu einer systematischen Verlangsamung des Sequenzablaufs, was das Erreichen bestimmter Echozeiten und Bildkontraste unmöglich macht. Zu den problematischen Kontrasten bezüglich der Lautstärkereduktion zählten der T1- und PD‑Kontrast einer Turbo-Spin-Echo-Sequenz. Durch die Kombination von mehreren Maßnahmen, wie der Adaption der k-Raum-Akquisition, der HF-Pulse-Parameter und den Gradientenformen, war es möglich, die Lautstärke in Beispielmessungen um bis zu 16,8 dB(A) zu reduzieren. Wie bei der kürzlich veröffentlichten Methode zur Reduktion für die T2‑gewichteten Kontraste, wurde dies zulasten einer Messzeitverlängerung von bis zu 50% erreicht. Die Endlautstärke betrug dabei circa 81 dB(A). Mit der Lautstärkeoptimierung der klinisch bedeutsamen T1- und PD‑Kontraste wurde die Palette an leisen, mit der Turbo-Spin-Echo‑Sequenz erzielbaren, Standard-Kontrasten (T1, T2 und PD) nun vervollständigt. In einem anderen Ansatz wurde die Anwendbarkeit des CAT-Konzepts auf die Lautstärkereduktion untersucht. Beim CAT-Konzept wird die Messung in Einzelmessungen mit verschiedenen Parametern unterteilt. Bisher wurde dieser Ansatz zur SAR-Reduktion verwendet. Das Zentrum des k-Raums wird mit einer SAR-intensiven, kontrastgebenden Messung aufgenommen. Der verbleibende Teil des k-Raums wird mit einer SAR-reduzierten, bildstrukturrelevanten Messung aufgenommen. In dieser Arbeit wurde die Übertragung des CAT-Konzepts auf die Lautstärkereduktion untersucht. Anstelle von SAR-intensiven und SAR‑reduzierten Messungen, wurde hier die Unterteilung in „laute“ und „leise“ Messungen untersucht. Dabei wurden Überlegungen angestellt, die es für eine Vielzahl an Messungen ermöglichen, einen großen Teil der Messung leise zu gestalten ohne die Bildqualität oder den Bildkontrast zu verändern. In einem weiteren Schritt wurden Überlegungen für die Lautstärkereduktion der lauten Messungen vorgestellt. Anschließend wurden für eine GRE- und TSE-Sequenz Optimierungsschritte evaluiert und die Lautstärke gemessen. Der hinsichtlich der Lautstärkeoptimierung herausforderndste Bildkontrast ist die diffusionsgewichtete Bildgebung. Diese besitzt eine Diffusions-Präparation zur Sichtbarmachung der Diffusivität, bei der die maximal mögliche Gradienten-Amplitude verwendet wird. Ebenso werden nach der Präparation die Daten mit einem EPI‑Akquisitionsmodul mit Blip-Gradienten akquiriert, das mit einem charakteristischem „Pfeifton“ einhergeht. Zum einen wurden die Gradientenformen konsequent angepasst. Zum anderen wurde eine Segmentierung der k-Raum-Akquisition in Auslese-Richtung verwendet, um die Gradienten‑Steig-Raten zu reduzieren. Auch hier konnte eine deutliche Lautstärkereduktion von bis zu 20,0 dB(A) erzielt werden. Dies wurde zulasten einer Messzeitverlängerung von 27% ‑ 34% im Vergleich zur Standard-Sequenz erreicht. Durch eine weitere Messzeitverlängerung um bis zu 23% kann die Lautstärke um weitere 0,9 dB(A) reduziert werden. Dabei hängt die genaue Messzeitverlängerung vom verwendeten GRAPPA-Faktor und der Anzahl der Auslese-Segmente ab. Die entstandene Sequenz wurde in mehreren Kliniken erfolgreich erprobt. Bisher mussten bei MRT-Messungen stets Kompromisse zwischen „hoher Auflösung“, „hohem SNR“ und „geringer Messzeit“ getroffen werden. Als Anschauung dafür wurde das „Bermuda‑Dreieck der MRT“ eingeführt. Da alle drei Größen sich gegenseitig ausschließen, muss stets ein Mittelweg gefunden werden. Einige der in dieser Arbeit erzielten Erfolge bei der Lautstärkereduktion wurden auf Kosten einer verlängerten Messzeit erreicht. Daher ist es naheliegend, das „Bermuda-Dreieck der MRT“ um die Dimension der „geringen Lautstärke“ zu einer „Bermuda-Pyramide der MRT“ zu erweitern. Damit muss die Lautstärkeentwicklung in die Mittelweg‑Findung miteinbezogen werden. Die in dieser Arbeit erzielten Lautstärken liegen in der Größenordnung zwischen 80 ‑ 85 dB(A). Somit können Messungen bei Verwendung von Gehörschutz angenehm für den Patienten durchgeführt werden. Durch neue Techniken der Zukunft wird es wahrscheinlich sein, höhere Auflösungen, höheres SNR oder kürzere Aufnahmedauern zu erzielen, beziehungsweise stattdessen diese in eine geringe Lautstärke „umzuwandeln“. Ebenso werden möglicherweise auf der hardware-technischen Seite Fortschritte erzielt werden, so dass in neueren MRT-Scannergenerationen mehr Wert auf die Lärmdämmung gelegt wird und somit der softwarebasierten Lautstärkereduktion einen Schritt entgegen gekommen wird. Damit könnten zukünftige Patienten-Messungen gänzlich ohne störenden Gehörschutz durchgeführt werden. / Magnetic resonance imaging (MRI) measurements have always been related to high acoustic noise. Therefore, in common parlance MRI is referred to as the “loud tube”. Until now, the acoustic noise was mitigated by the use of headphones and ear plugs as well as acoustic dampening of the MR system. In literature, the problem is more or less acknowledged and solutions to the acoustic noise are rarely provided. The aim of this work was to optimize MR sequences, which generate so-called standard clinical MRI contrasts, for acoustic noise. Many of these contrasts could be optimized for acoustic noise by a gradient smoothing algorithm. Nevertheless, there are sequences and contrasts which cannot benefit from such algorithms and therefore need manual optimization. Software-based optimizations are performed by adapting the gradient waveforms and data acquisition. In this work, the main relationships between parameter settings of the MRI machine and acoustic noise were explored. The physical origin of acoustic noise in the form of Lorentz forces was derived from fundamental equations. The main acoustic noise sources are gradient slew rate and gradient amplitude. It was shown that minimization of these quantities leads to reduced acoustic noise. However, this is mostly accompanied by slowing down the sequence and thus certain echo times and contrasts cannot be reached. T1- and PD-weighted contrasts, acquired with a turbo spin-echo sequence, are problematic contrasts regarding acoustic noise reduction. This problem was tackled by a combination of several approaches such as an adaption of the k-space acquisition, changes to the RF-pulse parameters, and modifications of the gradient waveform. An acoustic noise reduction of up to 16.8 dB(A) was achieved. As for the previously published method for acoustic noise reduction in T2-weighted contrasts, this success came at the cost of an increase of measurement time by 50%. The target acoustic noise level was around 81 dB(A). With this optimization, the palette of quiet standard clinical contrasts, consisting of T1-, T2- and PD-weighted contrasts, can be realized with the turbo spin-echo sequence. In a different approach, the Combined-Acquisition (CAT) concept was applied to acoustic noise reduction. In implementing the CAT concept, each measurement is divided into two measurements with different parameters. This approach was previously used for SAR reduction. The center of k space is acquired using a high-SAR measurement in which contrast is relevant. The remaining k-space area is acquired using a low SAR, contrast-irrelevant measurement. In this work, the CAT concept was applied to acoustic noise reduction. Each measurement was divided into ‘quiet’ and ‘loud’ segments instead of dividing into high-SAR and low-SAR measurements. Considerations allowed for acoustic noise reduction without disrupting the image quality or contrast. In successive steps, the approach was applied to the remaining loud segment of the measurement. This process was executed for a GRE and a TSE sequence. Corresponding acoustic noise measurements were performed. One of the most challenging contrasts in terms of acoustic noise reduction is diffusion weighted imaging. It employs maximum gradient amplitudes in the preparation pulses which sensitize the MR signal to diffusivity. Data acquisition is performed by an EPI readout including blipped gradients. This readout is known for its whistling sound. Therefore, the gradient waveforms were consequently adapted. A k-space segmentation in the readout direction was employed to reduce the gradient slew rates. In this work, an acoustic noise reduction of up to 20.0 dB(A) could be achieved using an adapted readout segmented EPI sequence. This reduction in acoustic noise came at the cost of an increase of measurement time by 27% to 34% compared to the standard sequence. Spending additional 23% of acquisition time can further reduce the acoustic noise by 0.9 dB(A). The exact increase in measurement time depends on the employed GRAPPA factor and the number of readout segments. The optimized sequence was successfully validated in various clinical sites. Until now, compromises had to be made between high resolution, high SNR, and short acquisition time. This compromise can be described as the “Bermuda triangle of MRI”. Trade-offs exist between all three quantities. A compromise has to be chosen in all cases. In this work, some of the achieved acoustic noise reductions came at the cost of increased measurement time. Therefore, the dimensionality of the Bermuda triangle is extended with the addition of low acoustic noise. This yields the “Bermuda triangular pyramid of MRI”. Thus, acoustic noise has to be included in achieving a balance of desired properties in MR image acquisition. In this work, the obtained acoustic noise levels were on the order of 80–85 dB(A). Upon the use of ear protection, measurements became comfortable for the patients. As further advancements in imaging technology are made, it may be likely to achieve higher resolution, higher SNR, or shorter acquisition times, which could instead be traded for lower acoustic noise levels. In addition, it is possible that MRI machine manufacturers will put more effort into hardware based acoustic noise dampening of the devices in order to meet software-based acoustic noise reduction. Therefore, patient measurements could be possible without the need for additional acoustic noise protection in the future.

Neuroimaging research has highlighted the relevance of well-balanced functional brain interactions as an essential basis for efficient emotion regulation. In contrast, abnormal coupling of fear-processing regions such as the amygdala, the anterior cingulate cortex (ACC) and the insula could be an important feature of anxiety disorders. Although activity alterations of these regions have been frequently reported in specific phobia, little is known about their functional interactions during phobogenic stimulus processing. To explore these interrelationships in two subtypes of specific phobia – i.e., the blood-injection-injury subtype and the animal subtype – functional connectivity (FC) was analyzed in three fMRI studies. Two studies examined fear processing in a dental phobia group (DP), a snake phobia group (SP) and a healthy control group (HC) during visual phobogenic stimuli presentation while a third study investigated differences between auditory and visual stimuli presentation in DP and HC. Due to a priori hypotheses of impaired interactions between the amygdala, the ACC and the insula, a first analysis was conducted to explore the FC within these three regions of interest. Based on emerging evidence of functionally diverse subregions, the ACC was further divided into a subgenual, pregenual and dorsal ACC and the insula was divided into a ventral-anterior, dorsal-anterior and posterior region. Additionally, an exploratory seed-to-voxel analysis using the amygdala, ACC and insula as seeds was conducted to scan for connectivity patterns across the whole brain. The analyses revealed a negative connectivity of the ACC and the amygdala during phobogenic stimulus processing in controls. This connectivity was predominantly driven by the affective ACC subdivision. By contrast, SP was characterized by an increased mean FC between the examined regions. Interestingly, this phenomenon was specific for auditory, but not visual symptom provocation in DP. During visual stimulus presentation, however, DP exhibited further FC alterations of the ACC and the insula with pre- and orbitofrontal regions. These findings mark the importance of balanced interactions between fear-processing regions in specific phobia, particularly of the inhibitory connectivity between the ACC and the amygdala. Theoretically, this is assumed to reflect top-down inhibition by the ACC during emotion regulation. The findings support the suggestion that SP particularly is characterized by excitatory, or missing inhibitory, (para-) limbic connectivity, reflecting an overshooting fear response based on evolutionary conserved autonomic bottom-up pathways. Some of these characteristics applied to DP as well but only under the auditory stimulation, pointing to stimulus dependency. DP was further marked by altered pre- and orbitofrontal coupling with the ACC and the insula which might represent disturbances of superordinate cognitive control on basal emotion processes. These observations strengthen the assumption that DP is predominantly based on evaluation-based fear responses. In conclusion, the connectivity patterns found may depict an intermediate phenotype that possibly confers risks for inappropriate phobic fear responses. The findings presented could also be of clinical interest. Particularly the ACC – amygdala circuit may be used as a predictive biomarker for treatment response or as a promising target for neuroscience-focused augmentation strategies as neurofeedback or repetitive transcranial magnetic stimulation. / Neurowissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre verdeutlichten die Relevanz intakter neuronaler Netzwerke als Grundlage adäquater Emotionsregulationsmechanismen. Funktionelle Dysregulationen zwischen angstverarbeitenden Regionen wie der Amygdala, der Insula oder dem anterioren cingulären Cortex (ACC) könnten hingegen einen wichtigen pathophysiologischen Mechanismus von Angststörungen darstellen. Obwohl Aktivitätsunterschiede dieser Regionen wiederholt für spezifische Phobien beschrieben wurden, sind deren funktionelle Interaktionen während phobischer Stimulusverarbeitung kaum erforscht. Zur Untersuchung dieser Interaktionen in zwei Subtypen der spezifischen Phobie – dem Blut-Spritzen-Verletzungs-Typus und dem Tier-Typus – wurden im Rahmen dieser Arbeit funktionelle Konnektivitäts-Analysen (FK) anhand dreier fMRT- (funktionelle Magnetresonanztomographie) Studien durchgeführt. Zwei Studien untersuchten die neurale Verarbeitung visueller phobischer Stimuli in einer dentalphobischen Gruppe (DP), einer schlangenphobischen Gruppe (SP) sowie einer Kontrollgruppe (KG). Ergänzend verglich eine dritte Studie den Einfluss visueller und akustischer Stimuli für die DP und eine KG. Basierend auf der a priori-Hypothese einer veränderten FK zwischen der Amygdala, der Insula und dem ACC wurden deren spezifische Konnektivitätsmuster untersucht. Aufgrund funktionell unterschiedlicher Subregionen erfolgte eine Untergliederung des ACC in eine subgenuale, perigenuale und dorsalen Region. Analog dazu wurde die Insula in eine ventral-anteriore, dorsal-anteriore und posteriore Region unterteilt. Um darüberhinausgehender Konnektivitätsmuster über das gesamte Gehirn zu ermitteln, wurde eine abschließende Seed-to-Voxel-Analyse mit den Seeds Amygdala, Insula und ACC durchgeführt. In der Auswertung zeigte sich eine negative FK der Amygdala und des ACC während phobischer Stimulusverarbeitung in der KG, die insbesondere auf die ventrale Division des ACC zurückzuführen war. Die phobischen Gruppen hingegen waren im Vergleich zu der Kontrollgruppe durch eine erhöhte Konnektivität der untersuchten Regionen gekennzeichnet. Dieser Effekt war bei der DP spezifisch für die akustische Stimulusmodalität. Bei visueller Stimuluspräsentation zeigten sich hingegen veränderte Konnektivitätsmuster des ACC und der Insula mit prä- und orbitofrontalen Regionen. Insbesondere die negative FK der Amygdala und des ACC, die theoretisch auf einer top-down-Inhibition des ACC über die Amygdala basiert, erscheint einen wichtigen Bestandteil einer effektiven emotionalen Kontrolle darzustellen. In beiden phobischen Gruppen fehlte diese Inhibition. Die erhöhte FK (para-)limbischer Konnektivität der SP könnte hingegen die verstärkte Rekrutierung autonomischer bottom-up-Prozesse als zugrundeliegendem Mechanismus der überschießenden und irrationalen Angstreaktion repräsentieren. Diese Charakteristika konnten in der DP nur für die akustische Stimulusmodalität beobachtet werden. Während der visuellen Stimuluspräsentation war die DP durch Dysregulationen prä- und orbitofrontaler Regionen gekennzeichnet, welche eine beeinträchtigte kognitive Kontrolle über grundlegende Emotionsprozesse widerspiegeln könnte. Dies entspricht der Annahme, dass die DP vor allem durch evaluationsbasierte Furchtreaktionen gekennzeichnet ist, während in der SP als Vertreter des Tier-Typus evolutionär konservierte, limbische Prozesse dominieren. Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse die Bedeutung funktioneller Netzwerke in der spezifischen Phobie, wobei die gefundenen Konnektivitätsmuster einen intermediären Phänotyp darstellen könnten, der möglicherweise das Risiko für das Auftreten dysfunktionaler phobischer Angstreaktionen vermittelt. Von klinischem Interesse ist vor allem die Amygdala – ACC-Vernetzung, die als prädiktiver Biomarker für das Therapieansprechen genutzt oder im Rahmen neuromodulatorischer Therapieansätze wie dem Neurofeedback oder der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation gezielt angesteuert werden könnte.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen stellen weiterhin die Todesursache Nummer eins in Deutschland dar, welche hauptsächlich durch Atherosklerose verursacht werden. Als ein Prädiktor der atherosklerotischen Plaqueentwicklung wird die Wandschubspannung (WSS) diskutiert. Ziel dieser Arbeit war es daher, anhand von Flussphantomen und C57bl/6 Mäusen eine 2D-Gradientenecho-Bildgebungsmethode mit einer 3D-Phasenkontrast-Flusskodierung zu optimieren und anschließend eine longitudinale Kleintierstudie mit ApoE-/- Mäusen durchzuführen, um den Zusammenhang der WSS und der atherosklerotischen Plaqueentwicklung näher zu untersuchen. Zunächst wurden Flussphantome mit einem Schlauchdurchmesser von 4 mm und 1 mm zur Optimierung der Messmethode verwendet. Anschließend wurde die Messmethode weiter angepasst, um in vivo Messungen an C57bl/6 Mäusen durchführen zu können. Nach erfolgter Optimierung wurde eine longitudinale Kleintierstudie mit zwei verschiedenen Diäten, Western Diät und Chow Diät, durchgeführt. Im Rahmen der Studie erfolgten nach einer, acht und zwölf Wochen MR-Messungen sowie histologische Analysen. Es konnte gezeigt werden, dass die Wandschubspannung in Mäusen bei 17,6 Tesla quantifiziert werden kann. Es zeigte sich eine Tendenz, dass Plaqueformationen mit einer höheren Wandschubspannung einhergehen. / Cardiovascular diseases are the number one of death in Germany, which are mainly caused by atherosclerosis. Wall shear stress (WSS) is discussed as a predictor for atherosclerotic plaque development. The aim of this study was the optimization and validation of a 2D gradient echo imaging method with a 3D phase contrast flow encoding using flow phantoms and C57bl/6 mice and to perform a longitudinal study with ApoE-/- mice to examine the context of WSS and atherosclerotic plaque development. First, flow phantoms with a tube diameter of 4 mm and 1 mm were used to optimize the imaging method. Therefore, the imaging method was further adapted to examine in vivo C57bl/6 mice. After optimization, a longitudinal animal study was performed with two different diets, Western diet and Chow diet. MR measurements and histological analyses were performed after one, eight, and twelve weeks. It could be shown that WSS can be quantified in mice using 17.6 Tesla MRI. There was a tendency towards higher values of wall shear stress in vessels affected by plaque formations.