Ziel dieser Arbeit war es, das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung mittels der MRT darzustellen. Um trotz der niedrigen Protonendichte der Lunge und der geforderten hohen Auflösung ausreichend Signal für eine verlässliche Diagnostik zu erhalten, sind Aufnahmezeiten von einigen Minuten nötig. Um die Untersuchung für den Patienten angenehmer zu gestalten oder auf Grund der eingeschränkten Fähigkeit eines Atemstopps überhaupt erst zu ermöglichen, war eine Anforderung, die Aufnahmen in freier Atmung durchzuführen. Dadurch entstehen allerdings Bewegungsartefakte, die die Diagnostik stark beeinträchtigen und daher möglichst vermieden werden müssen. Für eine Bewegungskompensation der Daten muss die auftretende Atembewegung detektiert werden. Die Bewegungsdetektion kann durch externe Messgeräte (Atemgurt oder Spirometer) oder durch eine zusätzliche Anregungen erfolgen (konventionelle Navigatoren) erfolgen. Nachteile dieser Methoden bestehen darin, dass die Bewegung während der Atmung nicht direkt verfolgt wird, dass elektronische Messgeräte in die Nähe des Tomographen gebracht werden und das die Patienten zusätzlich vorbereitet und eingeschränkt werden. Des Weiteren erfordert eine zusätzliche Anregung extra Messzeit und kann unter Umständen die Magnetisierung auf unterwünschte Weise beeinflussen. Um die angesprochenen Schwierigkeiten der Bewegungsdetektion zu umgehen, wurden in dieser Arbeit innerhalb einer Anregung einer 3d FLASH-Sequenz sowohl Bilddaten- als auch Navigatordaten aufgenommen. Als Navigator diente dabei das nach der Rephasierung aller bildgebenden Gradienten entstehende Signal (DC Signal). Das DC Signal entspricht dabei der Summe aller Signale, die mit einem bestimmten Spulenelement detektiert werden können. Bewegt sich beispielsweise die Leber bedingt durch die Atmung in den Sensitivitätsbereich eines Spulenelementes, wird ein stärkeres DC Signal detektiert werden. Je nach Positionierung auf dem Körper kann so die Atembewegung mit einzelnen räumlich lokalisierten Spulenelementen nachverfolgt werden. Am DC Signalverlauf des für die Bewegungskorrektur ausgewählten Spulenelementes sind dann periodische Signalschwankungen zu erkennen. Zusätzlich können aus dem Verlauf Expirations- von Inspirationszuständen unterschieden werden, da sich Endexpirationszustände im Regelfall durch eine längere Verweildauer auszeichnen. Grundsätzlich kann das DC Signal vor oder nach der eigentlichen Datenaufnahme innerhalb einer Anregung aufgenommen werden. Auf Grund der kurzen Relaxationszeit T∗2 des Lungengewebes fällt das Signal nach der RF Anregung sehr schnell ab. Um möglichst viel Signal zu erhalten sollten, wie in dieser Arbeit gezeigt wurde, innerhalb einer Anregung zuerst die Bilddaten und danach die Navigatordaten aufgenommen werden. Dieser Ansatz führt zu einer Verkürzung der Echozeit TE um 0.3 ms und damit zu einem SNR Gewinn von etwa 20 %. Gleichzeitig ist das verbleibende Signal nach der Datenakquisition und Rephasierung der bildgebenden Gradienten noch ausreichend um die Atembewegung zu erfassen und somit eine Bewegungskorrektur der Daten (Navigation) zu ermöglichen. Um eine retrospektive Bewegungskorrektur durchführen zu können, müssen Akzeptanzbedingungen (Schwellenwerte) für die Datenauswahl festgelegt werden. Bei der Wahl des Schwellenwertes ist darauf zu achten, dass weder zu wenige noch zu viele Daten akzeptiert werden. Akzeptiert man sehr wenige Daten, zeichnen sich die Rekonstruktionen durch einen scharfen Übergang zwischen Lunge und Diaphragma aus, da man sehr wenig Bewegung in den Rekonstruktionen erlaubt. Gleichzeitig erhöht sich allerdings das Risiko, dass nach der Navigation Linien fehlen. Dies führt zu Einfaltungsartefakten, die in Form von gestörten Bildintensitäten in den Rekonstruktionen zu sehen sind und die diagnostische Aussagekraft einschränken. Um Einfaltungsartefakte zu vermeiden sollte der Schwellenwert so gewählt werden, dass nach der Datenauswahl keine Linien fehlen. Aus dieser Anforderung lässt sich ein maximaler Schwellenwert ableiten. Akzeptiert man dagegen sehr viele Daten, zeichnen sich die Rekonstruktionen durch erhöhtes Signal und das vermehrte Auftreten von Bewegungsartefakten aus. In diesem Fall müsste der Arzt entscheiden, ob Bewegungsartefakte die Diagnostik zu stark beeinflussen. Wählt man den Schwellenwert so, dass weder Linien fehlen noch zu viel Bewegung erlaubt wird, erhält man Rekonstruktionen die sich durch einen scharfen Diaphragmaübergang auszeichnen und in denen noch kleinste Gefäße auch in der Nähe des Diaphragmas deutlich zu erkennen sind. Hierfür haben sich Schwellenwerte, die zu einer Datenakzeptanz von ca. 40 % führen als günstig erwiesen. Um Einfaltungsartefakte auf Grund der retrospektiven Datenauswahl zu verhindern, muss das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden. Dadurch wird gewährleistet, dass für die letztendliche Rekonstruktion ausreichend Daten zur Verfügung stehen, wobei mehrfach akzeptierte Daten gemittelt werden. Dies spielt auf Grund der niedrigen Protonendichte der Lunge eine wesentliche Rolle in der Rekonstruktion hochaufgelöster Lungendatensätze. Weiterhin führt das Mitteln von mehrfach akzeptierten Daten zu einer Unterdrückung der sogenannten Ghost Artefakte, was am Beispiel der Herzbewegung in der Arbeit gezeigt wird. Da die Messungen unter freier Atmung durchgeführt werden und keine zusätzlichen externen Messgeräte angeschlossen werden müssen, stellte die Untersuchung für die Patienten in dieser Arbeit kein Problem dar. Im ersten Teil dieser wurde Arbeit gezeigt, dass sich mit Hilfe des DC Signales als Navigator und einer retrospektiven Datenauswahl das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung von beispielsweise 1.6 x 1.6 x 4 mm3 innerhalb von 13 min. darstellen lässt. Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode zur Bewegungskorrektur wurde neben Probanden auch an Patienten demonstriert. Da wie bereits beschrieben das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden muss, wiederholt sich auch die Abfolge der für die Bildgebung verantwortlichen Gradienten periodisch. Da sich der Atemzyklus aber auch periodisch wiederholt, kann es zu Korrelationen zwischen der Atmung und den wiederholten Messungen kommen. Dies führt dazu, dass auch nach vielen wiederholten Messungen immer noch größere Bereiche fehlender Linien im k-Raum bleiben, was zu Artefakten in den Rekonstruktionen führt. Dies konnte im Falle der konventionellen Bewegungskorrektur in den Gatingmasken, die die Verteilung und Häufigkeit der einzelnen akzeptierten Phasenkodierschritte im k-Raum zeigen, beobachtet werden. Da eine vorsätzliche Unterbrechung der Atemperiodizität (der Patient wird dazu angehalten, seine Atemfrequenz während der Messung absichtlich zu variieren) zur Vermeidung der angesprochenen Korrelationen nicht in Frage kommt, musste die Periodizität in der Datenaufnahme unterbrochen werden. In dieser Arbeit wurde dies durch eine quasizufällige Auswahl von Phasen- und Partitionskodiergradienten erreicht, da Quasizufallszahlen so generiert werden, dass sie unabhängig von ihrer Anzahl einen Raum möglichst gleichförmig ausfüllen. Die quasizufällige Datenaufnahme führt deshalb dazu, das sowohl akzeptierte als auch fehlende Linien nach der Bewegungskorrektur homogen im k-Raum verteilt auftreten. Vergleicht man das auftreten von Ghosting zeichnen sich die quasizufälligen Rekonstruktionen im Vergleich zur konventionellen Datenaufnahme durch eine verbesserte Reduktion von Ghost Artefakten aus. Dies ist auf die homogene Verteilung mehrfach akzeptierter Linien im k-Raum zurückzuführen. Die homogenere Verteilung von fehlenden Linien im k-Raum führt weiterhin zu einer wesentlich stabileren Rekonstruktion fehlender Linien mit parallelen MRT-Verfahren (z.B. iterativem Grappa). Dies wird umso deutlicher je höher der Anteil fehlender Linien im k-Raum wird. Im Falle der konventionellen Datenaufnahme werden die zusammenhängenden Bereiche fehlender Linien immer größer, was eine erfolgreiche Rekonstruktion mit iterativem Grappa unmöglich macht. Im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme dagegen können auch Datensätze in denen 40% der Linien fehlen einfaltungsartefaktfrei rekonstruiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde gezeigt, wie die Stabilität der iterativen Grappa Rekonstruktion im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme für eine erhebliche Reduktion der gesamten Messzeit genutzt werden kann. So ist in einer Messzeit von nur 74s die Rekonstruktion eines artefaktfreien und bewegungskorrigierten dreidimensionalen Datensatzes der menschlichen Lunge mit einer Auflösung von 2 x 2 x 5 mm3 möglich. Des Weiteren erlaubt die quasizufällige Datenaufnahme in Kombination mit iterativem Grappa die Rekonstruktion von Datensätzen unterschiedlicher Atemphasen von Inspiration bis Expiration (4D Bildgebung). Nach einer Messzeit von 15min. wurden 19 unterschiedliche Atemzustände rekonstruiert, wobei sich der Anteil der fehlenden Linien zwischen 0 und 20 % lag. Im Falle der konventionellen Datenaufnahme wäre eine wesentlich längere Messzeit nötig gewesen, um ähnliche Ergebnisse zu erhalten. Zum Schluss soll noch ein Ausblick über mögliche Weiterentwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus den Erkenntnissen dieser Arbeit ergeben haben, gegeben werden. So könnte das quasizufällige Aufnahmeschema um eine Dichtegewichtung erweitert werden. Hierbei würde der zentrale k-Raum Bereich etwas häufiger als die peripheren Bereiche akquiriert werden. Dadurch sollte die iterative Grappa Rekonstruktion noch stabiler funktionieren und Ghost Artefakte besser reduziert werden. Die Verteilung der Linien sollte allerdings nicht zu inhomogen werden, um größere Lücken im k-Raum zu vermeiden. Darüber hinaus könnte die vorgestellte Methode der Bewegungskompensation auch für die Untersuchung anderer Organe oder Körperteile verwendet werden. Voraussetzung wäre lediglich das Vorhandensein dezidierter Spulenanordnungen, mit denen die Bewegung nachverfolgt werden kann. So ist beispielsweise eine dynamische Bildgebung des frei und aktiv bewegten Knies möglich, wobei zwischen Beugung und Streckung durch die erste Ableitung des zentralen k-Raum Signales unterschieden werden kann. Dies kann zusätzliche Diagnoseinformationen liefern oder für Verlaufskontrollen nach Operationen benutzt werden [15]. Eine Weiterentwicklung mit hohem klinischen Potential könnte die Kombination der in dieser Arbeit vorgestellten retrospektiven Bewegungskorrektur mit einer Multi- Gradienten-Echo Sequenz darstellen. Hierzu musste die bestehende Sequenz lediglich um eine mehrfache Abfolge von Auslesegradienten innerhalb einer Anregung erweitert werden. Dies ermöglicht eine bewegungskorrigierte voxelweise Bestimmung der transversalen Relaxationszeit T∗2 in hoher räumlicher Auflösung. Unter zusätzlicher Sauerstoffgabe kann es zu einer Veränderung von T∗2 kommen, die auf den sogenannten BOLD Effekt (Blood Oxygen Level Dependent) zurückzuführen ist. Aus dieser Änderung könnten Rückschlüsse auf hypoxische Tumorareale gezogen werden. Da diese eine erhöhte Strahlenresistenz aufweisen, könnte auf diese Bereiche innerhalb des Tumors eine erhöhte Strahlendosis appliziert und so möglicherweise Behandlungsmisserfolge reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die 4D Bildgebung eine mögliche Tumorbewegung durch die Atmung erfasst und diese Information ebenfalls in der Bestrahlungsplanung benutzt werden. Die Lungen MRT könnte somit um eine hochaufgelöste dreidimensionale funktionelle Bildgebung erweitert werden. / The goal of this work was to depict the whole lung volume by MRI in high spatial resolution. To obtain sufficient signal for a reliable diagnosis despite the inherently low proton density of the lung and the requested high spatial resolution, total acquisition times of a few minutes are mandatory. Simultaneously, the measurements should be performed under free breathing conditions making patient examinations more comfortable or possible for patients with limited breath holding capabilities. However, free breathing leads to motion artifacts which can severely influence the diagnostic value of the images and hence have to be avoided. To compensate for motion the prevalent breathing pattern has to be detected. This can be achieved by external measurement devices such as a respiration belt or a spirometer or by conventional navigator echoes using an additional excitation pulse. Drawbacks of these methods are that the respiratory motion is detected only indirectly, that electronic devices have to be used near the MRI machine and the patients have to be prepared and are strongly restricted. Furthermore, additional excitation pulses will prolong the total acquisition time and may affect the magnetization adversely. To overcome these limitations of motion detection in the present work, the image as well as the navigator data was acquired within one excitation of a FLASH sequence. The resulting central k-space signal (DC signal) after rephasing of all imaging gradients was used as a navigator signal. The DC signal represents the sum of all signals that can be detected with a single receiver coil element. If the liver is for example moving in the sensitivity area of one coil element due to breathing, an increased DC signal will be detected. Depending on their local position on the body the locally confined coil elements are able to track respiratory motion. The time course of the DC signal of the selected coil element for respiratory motion compensation will depict periodic signal variations accordingly. Additionally, respiratory phases of expiration can be distinguished from inspiratory phases because the resting times in end-expiratory phases are usually longer compared to end-inspiratory phases. The DC signal can be acquired either before or after the actual image data acquisition within one excitation. The short T2* of the human lung tissue leads to a rapid signal decay after the excitation. As shown in this thesis, the DC signal should be acquired after the image data within one excitation. This approach allows for echo time (TE) reduction of 0.3 ms leading to a signal benefit of approximately 20 %. Simultaneously, the remaining signal after image data acquisition and rephasing of all imaging gradients is still sufficient to track respiratory motion and can therefore be used for motion compensation of the acquired data. In order to compensate for motion retrospectively, threshold values for data acceptance have to be defined. Setting the threshold value, neither too less nor too much data should be accepted. Accepting very few data leads to sharp transition between the lung and the diaphragm because not much motion is allowed in the reconstruction process. On the other hand, disturbed signal intensity can be observed because of under-sampling artifacts due to missing lines after gating. These artifacts can restrict the diagnostic value of the reconstructions. Therefore, the selected threshold value should lead to a fully sampled k-space after gating. This requirement can be used to define the maximum threshold value for data acceptance. On the contrary, accepting very much data leads to higher signal intensity but also to more distinctive motion artifacts. In this case, the physician has to decide whether the motion artifacts affect his diagnosis too much. A moderate threshold value leads to a fully sampled k-space as well as good motion artifact compensation. This results in reconstructions that are characterized by a sharp depiction of small vessels even near the diaphragm. For this, threshold values leading to a data acceptance of about 40 % turned out to be beneficial. To avoid under-sampling artifacts because of retrospective gating, the imaging volume has to be acquired several times. This ensures that enough data is available for the final reconstruction whereas multiple accepted data is averaged. Averaging is essential for the reconstruction of high resolution data sets because of the inherently low proton density of the lung. Furthermore it leads to the reduction of ghost artifacts as is shown using the example of heart motion in this work. As no external measurement devices were used and the data was acquired under free breathing conditions the examinations posed no problem for the patients within this work. It was shown so far that the DC signal in combination with retrospective gating can be used to reconstruct high resolution 3d lung data sets with a resolution of 1.6 x 1.6 x 4 mm3 within 13 min., for instance. The applicability of the presented method for motion compensation was shown for volunteers as well as patients. Since as already described the imaging volume must be acquired several times, the series of gradients for spatial encoding are repeated periodically. As the respiratory cycle is periodically as well, correlations between the repeated measurements and the breathing cycle can occur. Therefore, even after many repeated measurements large areas of missing k-space lines can remain, leading to artifacts in the reconstructions. This can be observed in the gating masks, showing the distribution of accepted and missing lines in k-space, in case of conventional motion compensation used in this work so far. To avoid the aforementioned correlations, the periodicity in the repeated acquisitions has to be interrupted because of suspending the periodic breathing pattern of patients deliberately would be a serious intervention and is therefore ineligible. This was accomplished by a quasi-random selection of the phase and partition encoding gradients as quasi-random numbers are generated to fill the space as uniformly as possible regardless of their number. Therefore, accepted lines as well as missing lines are uniformly distributed in k-space after retrospective gating. A more uniform distribution of multiple accepted k-space lines in case of quasirandom sampling leads to an improved reduction of Ghost-Artifacts compared to conventional sampling. Furthermore, the more uniform distribution of missing kspace lines leads a considerably more stable reconstruction of missing lines using parallel imaging techniques (as iterative Grappa for example). This is getting more distinct the higher the proportion of missing k-space lines is. The contiguous areas of missing k-space lines are becoming increasingly large in case of conventional sampling, making a successful reconstruction using iterative Grappa impossible. In contrast, quasi-random sampling enables for the successful reconstruction of artifact free images even when 40 % of the acquired lines were missing after retrospective gating. In addition, the stability of the iterative GRAPPA reconstructions in case of quasirandom sampling allows for a substantial reduction of the total acquisition time. Thus, an artifact free motion compensated data set of 2 x 2 x 5 mm3 resolution could be reconstructed for a measurement time of only 74s. Furthermore, quasi-random sampling in combination with iterative Grappa enables for the reconstruction of data sets of different respiratory phases from inspiration to expiration (4d imaging). Accordingly, 19 different respiratory phases could be reconstructed after 15min of data acquisition. The percentage of missing lines was between 0 and 20 %. Hence, in case of conventional sampling a considerably longer measurement time would have been required to achieve similar results.

The focus of the work concerned the development of a series of MRI techniques that were specifically designed and optimized to obtain quantitative and spatially resolved information about characteristic parameters of the lung. Three image acquisition techniques were developed. Each of them allows to quantify a different parameter of relevant diagnostic interest for the lung, as further described below: 1) The blood volume fraction, which represents the amount of lung water in the intravascular compartment expressed as a fraction of the total lung water. This parameter is related to lung perfusion. 2) The magnetization relaxation time T\(_2\) und T� *\(_2\) , which represents the component of T\(_2\) associated with the diffusion of water molecules through the internal magnetic field gradients of the lung. Because the amplitude of these internal gradients is related to the alveolar size, T\(_2\) und T� *\(_2\) can be used to obtain information about the microstructure of the lung. 3) The broadening of the NMR spectral line of the lung. This parameter depends on lung inflation and on the concentration of oxygen in the alveoli. For this reason, the spectral line broadening can be regarded as a fingerprint for lung inflation; furthermore, in combination with oxygen enhancement, it provides a measure for lung ventilation. / Die Magnetresonanztomographie (MRT) stellt ein einzigartiges Verfahren im Bereich der diagnostischen Bildgebung dar, da sie es ermöglicht, eine Vielzahl an diagnostischen Informationen ohne die Verwendung von ionisierenden Strahlen zu erhalten. Die Anwendung von MRT in der Lunge erlaubt es, räumlich aufgelöste Bildinformationen über Morphologie, Funktionalität sowie über die Mikrostruktur des Lungengewebes zu erhalten und diese miteinander zu kombinieren. Für die Diagnose und Charakterisierung von Lungenkrankheiten sind diese Informationen von höchstem Interesse. Die Lungenbildgebung stellt jedoch einen herausfordernden Bereich der MRT dar. Dies liegt in der niedrigen Protondichte des Lungenparenchyms begründet sowie in den relativ kurzen Transversal- Relaxationszeiten T\(_2\) und T� *\(_2\) , die sowohl die Bildau� ösung als auch das Signal-zu-Rausch Verhältnis beeinträchtigen. Des Weiteren benötigen die vielfältigen Ursachen von physiologischer Bewegung, welche die Atmung, den Herzschlag und den Blut� uss in den Lungengefasen umfassen, die Anwendung von schnellen sowie relativ bewegungsunemp� ndlichen Aufnahmeverfahren, um Risiken von Bildartefakten zu verringern. Aus diesen Gründen werden Computertomographie (CT) und Nuklearmedizin nach wie vor als Goldstandardverfahren gehandhabt, um räumlich aufgelöste Bildinformationen sowohl über die Morphologie als auch die Funktionalität der Lunge zu erhalten. Dennoch stellt die Lungen- MRT aufgrund ihrer Flexibilität sowohl eine vielversprechende Alternative zu den anderen Bildgebungsverfahren als auch eine mögliche Quelle zusätzlicher diagnostischer Informationen dar. ...

In dieser Arbeit werden für die Anwendung in der menschlichen Lunge optimierte Methoden zur Bestimmung von T1- und T2*-Karten diskutiert: Dc-Gating ermöglicht die Quantifizierung in freier Atmung, wobei für die T1-Quantifizierung mittels Inversion Recovery eine Korrektur des dc-Signals entwickelt wurde. Dies hat den Vorteil, dass Parameterkarten aus mehreren Messungen anhand ihrer dc-Signale passend überlagert werden können. Da T1 und T2* auf unterschiedliche Art und Weise von der Sauerstoffkonzentration abhängen, verbessert dies die Möglichkeit, ΔT1- und ΔT2*- Differenzkarten aus Messungen mit unterschiedlichen O2-Konzentrationen im Atemgas zu erstellen. Die Parameterquantifizierung ist in erster Linie für die Beobachtung von Krankheitsverläufen interessant, da T1 und T2* absolute, vergleichbare Zahlen sind. Da T2* deutlich vom Atemzustand abhängt, ist es auch hierfür sinnvoll, durch Gating identische Atemzustände abzubilden. Um die unterschiedlichen Einflüsse des Sauerstoffs auf T1 und T2* besser vergleichbar zu machen, wurde in dieser Arbeit weiterhin eine kombinierte Messung für beide Parameter implementiert: Da auch diese in freier Atmung stattfindet, profitieren nicht nur die Differenzkarten von der Überlagerung der Bilder, sondern auch der Vergleich der ΔT1- und ΔT2*-Karten untereinander. Messungen mit einer konventionellen kartesischen Methode an COPD-Patienten unter Raumluft- und 100% Sauerstoffatmung ergaben bei Verwendung identischer Atemmasken ein deutlich geringeres ΔT1 als in gesunden Probanden. Dass T1 in der Lunge nicht nur von der Sauerstoffkonzentration sondern auch von der Gewebezusammensetzung und insbesondere auch dem Blutvolumenanteil abhängt, zeigte sich hierbei aber auch an den bei COPD im Mittel sehr viel kürzeren T1-Zeiten bei Raumluft. Die aufgrund emphysematischer Veränderung noch zusätzlich reduzierte Protonendichte im Parenchym kranker Lungen macht diese Messungen allerdings besonders schwierig. Die oben erwähnten Optimierungen der T1-Quantifizierung zielen daher auch darauf ab, das Signal aus der Lunge zu maximieren, um Patientenmessungen einfacher zu machen: Messungen in freier Atmung sind für Patienten nicht nur einfacher, sondern erlauben effektiv auch längere Messzeiten. Insbesondere wurde aber durch die Entwicklung einer radialen Methode die Echozeit zur Messung reduziert, um die kurze T2*-Zeit in der Lunge auszugleichen. Schließlich wurde durch Implementation einer 2D UTE Sequenz die Messung bei der kürzesten vom Scanner erlaubten Echozeit ermöglicht. Die Messungen bei ultrakurzen Echozeiten in Probanden zeigten allerdings deutlich kürzere T1-Zeiten als die zuvor gefundenen oder in der Literatur dokumentierten. In weiteren Experimenten wurde das sichtbare T1 zu mehreren Echozeiten mit Hilfe der zur kombinierten Quantifizierung entwickelten Methode bestimmt. Dabei ergab sich eine Zunahme des gemessenen T1 mit der Echozeit. Aus diesem Verhalten sowie den gefundenen kürzesten und längsten T1 lässt sich schließen, dass das intra- und extravaskuläre Lungenwasser, also Blut bzw. das umgebende Gewebe, mit unterschiedlichen T1- und T2*-Zeiten zum Signal und damit auch dem effektiven T1 beitragen. Dass das TE der Messung die Gewichtung dieser Kompartimente bestimmt, hat dabei mehrere Auswirkungen: Einerseits bedeutet dies, dass beim Vergleich von T1-Messungen in der Lunge stets auch das TE mitbetrachtet werden muss, bei dem diese durchgeführt wurden. Andererseits lässt sich die Möglichkeit, die Messung auf die unterschiedlichen Kompartimente abzustimmen, potentiell ausnutzen, um zusätzliche diagnostische Informationen zu gewinnen: Da T1 vom Blutvolumenanteil und der Gewebezusammensetzung abhängt, könnte dieser Effekt helfen, diese beiden Einflüsse zu differenzieren. Während die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente die TE-Abhängigkeit des sichtbaren T1 in Probanden aufzeigen, liefern sie allerdings noch keine genaue Erklärung für die möglichen Ursprünge dieses Effekts. Um diese weiter zu untersuchen, könnten allerdings gezielte Phantom- und in vivo-Experimente Aufschluss geben: Ein Aufbau, der die Feldverzerrung durch luftgefüllte Alveolen in Lösungen mit entsprechenden verschiedenen Suszeptibilitäten nachbildet, reduziert den Unterschied zwischen den Kompartimenten auf T1 und χ. Eine in vivo-Messung mit möglichst großer Differenz zwischen Ex- und Inspiration hingegen könnte den Einfluss der Abstände der Kompartimente vom Gasraum aufzeigen, da die Alveolarwände in tiefer Inspiration am weitesten gedehnt und daher am dünnsten sind. / In this work, methods for the local measurement of T1 and T2* maps optimized for the application in the human lungs are discussed: Quantification during free breathing was enabled by applying dc-gating, where a correction for the dc-signal acquired during T1-quantification using a inversion recovery was introduced. This is especially useful to achieve parameter maps in identical breathing states from multiple measurements using their dc-signals. Since T1 and T2* depend on the oxygen concentration through different mechanisms, this is especially interesting to produce ΔT1- and ΔT2*-difference maps at varying O2-concentrations in the breathing gas. Parameter quantification is primarily interesting for the monitoring of the courses of disease or therapy since T1 and T2* are absolute, comparable numbers. As T2* depends significantly on the respiratory state, ensuring identical states via gating is relevant there as well. To further improve the comparison of oxygen influence on T1 and T2* a method for the combined measurement of both parameters was implemented: Since this is also employs gating, not only the difference maps benefit from image coregistration, but the comparison of the ΔT1 and ΔT2* maps to each other as well. Measurements using the conventional cartesian method on COPD patients under room air and pure oxygen conditions resulted in much lower ΔT1 than in healthy volunteers when using identical oxygen masks. The much lower average T1 times at room air found there demonstrate that T1 in the lungs not only depends on the oxygen concentration but also on tissue composition and especially the blood volume fraction. Proton densities that were reduced even further due to emphysematous destruction made these measurements additionally difficult. Accordingly, the optimizations for T1 quantification mentioned above are intended to maximize signal from the lung parenchyma to improve patient measurements: Measurements during free breathing are not only easier for patients but effectively also allow for longer acquisition times. In particular the developement of a radial method provides a shorter echo time to help compensate for the short T2* in the lungs. Finally, the implementation of a 2D UTE sequence enables the measurement at the shortest echo time available on the scanner hardware. However, the measurements at ultra short echo times in volunteers showed significantly shorter T1 times than those found previously and those reported in the literature. In further experiments, the observable T1 was determined at multiple echo times using the method developed for simultaneous quantification. This revealed a gradual increase of the measured T1 with the echo time. From this behaviour as well as the shortest and longest times found, it can be concluded that the intra- and extravascular compartments of lung water, essentially blood and the surrounding tissue, contribute with different T1 and T2* times to the MR signal and thus also the effective T1. That the echo time of the measurement determines the weighting of these compartments has multiple consequences: Firstly, this means that when comparing T1 measurements in the lungs, the echo time that was used to acquire them also has to be considered. Secondly, the possiblity to focus the measurement on these different compartments might be used to gain additional diagnostic information: Since T1 depends on blood volume content and tissue composition, this effect might help to differentiate these two influences. While the experiments described in this work demonstrate the echo time dependence of the observed T1 in volunteers, they do not yet provide an explanation for the exact origins of this effect. To examine these further, appropriate phantom and in vivo experiments could be insightful: A phantom design that simulates the field distortion caused by air-filled alveoli in solutions with suitable susceptibilites would reduce the difference between the compartments to T1 and χ. A in vivo measurement with an especially large difference between ex- and inspiration could help to show the influence of the distance of the compartments from the gas space, since the alveolar walls are most dilated and thus thinnest during deep inspiration.

Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.

Hintergrund: Wir untersuchten den Einfluß einer arteriovenösen extrakorporalen Lungenassistenz auf den Gasstausch und die Hämodynamik im Lavage-induzierten Tiermodell des akuten Lungenversagens(ARDS). Methodik: Hierzu wurden 15 gesunde Pietrain-Schweine narkotisiert und mittels Lavage der Lunge ein schweres ARDS induziert. Im Anschluß erfolgte bei 14 Tieren die Randomisierung in 2 Gruppen: eine Gruppe wurde mit druckkontrollierter Beatmung und steigenden positiv-endexspiratorischen Drücken (PEEP)behandelt, die zweite Gruppe erhielt zudem eine arteriovenöse Lungenassistenz. Ein Tier wurde lediglich mit der Ausgangsbeatmung therapiert. Ergebnisse: Mit steigendem PEEP kam es in beiden Gruppen zur Abnahme des mittleren arteriellen Druckes (MAP) sowie des Herzzeitvolumens (HZV). av-ECLA hatte keinen signifikanten Einfluss auf den MAP. Der pulmonale Rechts-Links-Shunt nahm jedoch in dieser Gruppe signifikant zu. Waehrend die Kohlendioxidelimination mittels av-ECLA hocheffektiv war, war der Beitrag zur Gesamtoxygenierung gering. Zusammenfassung: Nur die Kombination aus lungen-protektiver Beatmung und av-ECLA führte zu Normokapnie in diesem ARDS-Modell. Es wurde keine signifikante Blutdruckänderung durch av-ECLA hervorgerufen. / Background: We investigated the combined effects of lung protective ventilation and extracorporal lung assist (av-ECLA) on hemodynamics and pulmonary gas exchange in a lavage-induced porcine model of severe ARDS. Methods: Saline lung lavage was performed in 15 healthy pigs until the arterial oxygen partial pressure decreased to < 60 mmHg. Apart from one sham-operated animal, the animals were randomized after a stabilisation period of 60 minutes into two groups: 7 animals received lung protective ventilation with increasing positive end-exspiratory pressure (PEEP) every 15 minutes, 7 animals were additionally treated with av-ECLA. Results: With rising PEEP levels the mean arterial blood pressure (MAP) and the cardiac output (CO) decreased significantly in both groups. No significant decrease of MAP was observed by using the av-ECLA but pulmonary shunt fraction increased significantly. Normocapnia was only achievable with av-ECLA. Carbondioxid- elimination was highly-effective with av-ECLA, the contribution to oxygenation was antagonized by the increase in pulmonary shunt fraction. Conclusion: In this porcine model of severe ARDS, only the combination of av-ECLA and lung protective ventilation results in normokapnia. No significant decrease of MAP was observed by using av-ECLA.

Das Ziel dieser Arbeit war es, Methoden und Techniken für die morphologische und funktionelle Bildgebung der menschlichen Lunge mittels Kernspintomographie bei Feldstärken von 0,2 Tesla und 1,5 Tesla zu entwickeln und zu optimieren. Bei 0,2 Tesla wurde mittels der gemessenen Relaxationszeiten T1 und T2* eine 2D und eine 3D FLASH Sequenz zur Untersuchung der Lungenmorphologie optimiert. Sauerstoffgestützte Messungen der Relaxationszeiten T1 und T2* sowie eine SpinLabeling Sequenz liefern funktionelle Informationen über den Sauerstofftransfer und die Perfusion der Lungen. Bei 1,5 Tesla wurde die Lungenperfusion mittels MR-Kontrastmittel mit einer 2D und einer 3D Sequenz unter Verwendung der Präbolus Technik quantifiziert. Zudem wurden zwei MR-Navigationstechniken entwickelt, die es ermöglichen Lungenuntersuchungen unter freier Atmung durchzuführen und aus den Daten artefaktfreie Bilder zu rekonstruieren. Diese Techniken können in verschiedenste Sequenzen für die Lungenbildgebung implementiert werden, ohne dass die Messzeit dadurch signifikant verlängert wird. / The purpose of this thesis was to make a contribution to the development of lung MRI. While we developed and implemented new sequences and procedures both in the area of low-field MRI (0.2 Tesla) and 1.5 Tesla, we also took existing technologies into account by modifying and optimizing them for the working conditions at hand. In the process, we focused on techniques for both morphological and functional examination of the lung. Lung scans using an open 0.2 Tesla tomograph were an important component of this. Our first objective was to develop various methods for morphological and functional lung MRI, adapt them to altered conditions and further optimize them. The second objective was to contribute more in-depth research of contrast agent-based quantification of lung perfusion for the clinical standard of 1.5 Tesla. Additionally, we developed navigation methods which allow for scans of the lung under conditions of free breathing and without the use of external measurement devices.

Univ., Diss., 2006--Giessen

Stuttgart, Univ., Diss., 2000.

München, University, Diss., 2006.

Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen leiden unter schwerwiegender Symptomatik und bedürfen regelmäßiger Verlaufskontrollen der Therapie. Dabei sollte zum Schutz der Patienten sowohl auf kanzerogene, ionisierende Strahlung verzichtet als auch der Einsatz potenziell nebenwirkungsreicher Kontrastmittel vermieden werden. Die pulmonale Blutflussgeschwindigkeit im Parenchym stellt einen quantitativen, bildgebenden Biomarker dar, mit dessen Hilfe die Dynamik des Krankheitsgeschehens untersucht werden kann. In dieser Arbeit wurde eine neue Auswertungsmethode vorgestellt, die mit Hilfe kontrastmittelfreier Magnetresonanztomographie die Blutflussgeschwindigkeit im Lungenparenchym quantifizieren kann. Die auf diese Weise bestimmten Ergebnisse entsprechen den Angaben zur Lungenperfusion, wie sie in der Literatur zu finden sind. / Patients with chronic respiratory diseases suffer from severe symptoms and require regular follow ups during treatment. It is important to avoid the use of cancerogenic ionising radiation as well as potentially harmful contrast agents. The pulmonary blood flow velocity within the parenchyma can serve as a quantitative imaging biomarker, which can help analyse the course of the disease. In this work a new method for the quantification of pulmonary blood flow velocity is shown. The results correspond to physiological values in the human lung.