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

Für die Therapie chronisch entzündlicher Darmerkrankungen (CED) ist die Diagnostik befallener Darmabschnitte und enteraler Komplikationen ebenso von Bedeutung, wie die Einschätzung der klinischen und endoskopischen Entzündungsaktivität. In einer Studie soll die Wertigkeit der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht werden, die Entzündungsaktivität CED anhand visueller Befunde und Komplikationen einzuschätzen. Außerdem soll überprüft werden, ob auf eine Kontrastierung des Darmes zugunsten eines höheren Patientenkomforts und einer schnelleren Untersuchung verzichtet werden kann. 64 Patienten mit bekannter oder vermuteter CED wurden vor und nach intravenöser Gd-DTPA-Injektion mit dem MR-Tomographen untersucht. Während 35 Patienten eine orale und rektale Kontrastierung mit Endoskopielösung erhielten, wurden 31 nicht enteral kontrastiert. 53 der untersuchten Patienten wurden zeitnah koloskopiert. Ein neu entwickelter MR-Aktivitätsindex (MRAI), die Kontrastmittelanreicherung in der Darmwand sowie die gemessenen Darmwanddicken wurden mit klinischen Indizes (CAI, CDAI) und dem Endoskopie-Aktivitätsindex (EAI) korreliert. Weiterhin wurden koronare Bilder aller Patienten bezüglich der Distension des Darmes und der Abgrenzbarkeit der Darmwand begutachtet. Im Vergleich mit dem EAI konnten signifikante Unterschiede für die Verteilung des Darmwand-Enhancements und der gemessenen Darmdicken nachgewiesen werden. Der MRAI zeigte eine Korrelation von Eta = 0,43 mit der klinischen Aktivität. Für Colitis ulcerosa-Patienten konnte ein Eta = 0,64 erstellt werden. Untersuchte, die eine Kontrastierung des Darmes erhielten, wiesen eine exzellente Korrelation (Eta = 0,76) zwischen MRAI und CAI / CDAI auf, während dieser Zusammenhang für Patienten ohne enterale Auffüllung fehlte. Weiterhin konnten signifikante Zusammenhänge zwischen enteraler Kontrastierung und der Distension des Darmes sowie der Abgrenzbarkeit der Darmwand gezeigt werden. Die Arbeit macht deutlich, daß es möglich ist, CED mittels MRT zuverlässig zu diagnostizieren und mit Hilfe des MRAI in ihrer klinischen und endoskopischen Entzündungsaktivität einzuschätzen. Dabei sollte auf die Anwendung eines enteralen Kontrastmittels nicht verzichtet werden. Ein Einsatz der MRT ist somit nicht nur bei der Diagnostik sondern auch zur Verlaufskontrolle der CED sinnvoll. / For the therapy of Inflammatory Bowel Diseases (IBD), not only the diagnosis of affected bowel segments and enteral complications but also the assessment of the clinical and endoscopic activity is important. The value of Magnetic Resonance Imaging (MRI) to asses the activity of IBD by visual findings and complications shall be determined by a clinical study. Furthermore shall be tested how the application of enteral contrast media affects patient comfort and examination time. 64 patients with known or supposed IBD were examined by MRI before and after intravenous injection of Gd-DTPA. 35 patients received oral and rectal contrast medium (2,5% mannitol solution) while 31 patients remaining without enteral replenishment. 53 patients underwent colonoscopy.A newly developed MR Activity Index (MRAI), based on visual findings, contrast-enhancement of the bowel wall and measured wall thickness were correlated with clinical (Crohn�s Disease Activity Index, CDAI; Colitis Activity Index, CAI) and endoscopic (Endoscopy Activity Index, EAI) activity. Coronal images of all patients were evaluated referring to bowel distension and demarcation of the bowel wall. The comparision with EAI shows significant differences in the distribution for wall contrast-enhancement and wall thickness. A good correlation is determined between the MRAI and the clinical activity (Eta = 0,43). Considering only patients with Ulcerative Colitis the correlation between MRAI and CAI shows Eta = 0,64. An excellent correlation of Eta = 0,76 between MRAI and CDAI / CAI for all patients with oral and enteral replenishment was found, while there was no correlation in the group, which did not receive mannitol solution. Significant correlations were also seen between the enteral mannitol solution replenishment and bowel distension and demarcation of the bowel wall. MRI shows good accuracy in detecting the changes the of IBD. The new developed MRAI allows an assessment of the activity of IBD. The results demonstrate that oral and enteral contrast media should be applied for MR examination of the abdomen. The utilization of MRI is furthermore useful in the follow up of IBD.

To fully understand how the brain works, it is necessary to relate the brain’s function to its anatomy. Cortical anatomy is subject-specific. It is character- ized by the thickness and number of intracortical layers, which differ from one cortical area to the next. Each cortical area fulfills a certain function. With magnetic res- onance imaging (MRI) it is possible to study structure and function in-vivo within the same subject. The resolution of ultra-high field MRI at 7T allows to resolve intracortical anatomy. This opens the possibility to relate cortical function of a sub- ject to its corresponding individual structural area, which is one of the main goals of neuroimaging. To parcellate the cortex based on its intracortical structure in-vivo, firstly, im- ages have to be quantitative and homogeneous so that they can be processed fully- automatically. Moreover, the resolution has to be high enough to resolve intracortical layers. Therefore, the in-vivo MR images acquired for this work are quantitative T1 maps at 0.5 mm isotropic resolution. Secondly, computational tools are needed to analyze the cortex observer-independ- ently. The most recent tools designed for this task are presented in this thesis. They comprise the segmentation of the cortex, and the construction of a novel equi-volume coordinate system of cortical depth. The equi-volume model is not restricted to in- vivo data, but is used on ultra-high resolution post-mortem data from MRI as well. It could also be used on 3D volumes reconstructed from 2D histological stains. An equi-volume coordinate system yields firstly intracortical surfaces that follow anatomical layers all along the cortex, even within areas that are severely folded where previous models fail. MR intensities can be mapped onto these equi-volume surfaces to identify the location and size of some structural areas. Surfaces com- puted with previous coordinate systems are shown to cross into different anatomical layers, and therefore also show artefactual patterns. Secondly, with the coordinate system one can compute cortical traverses perpendicularly to the intracortical sur- faces. Sampling intensities along equi-volume traverses results in cortical profiles that reflect an anatomical layer pattern, which is specific to every structural area. It is shown that profiles constructed with previous coordinate systems of cortical depth disguise the anatomical layer pattern or even show a wrong pattern. In contrast to equi-volume profiles these profiles from previous models are not suited to analyze the cortex observer-independently, and hence can not be used for automatic delineations of cortical areas. Equi-volume profiles from four different structural areas are presented. These pro- files show area-specific shapes that are to a certain degree preserved across subjects. Finally, the profiles are used to classify primary areas observer-independently.:1 Introduction p. 1 2 Theoretical Background p. 5 2.1 Neuroanatomy of the human cerebral cortex . . . .p. 5 2.1.1 Macroscopical structure . . . . . . . . . . . .p. 5 2.1.2 Neurons: cell bodies and fibers . . . . . . . .p. 5 2.1.3 Cortical layers in cyto- and myeloarchitecture . . .p. 7 2.1.4 Microscopical structure: cortical areas and maps . .p. 11 2.2 Nuclear Magnetic Resonance . . . . . . . . . . . . . .p. 13 2.2.1 Proton spins in a static magnetic field B0 . . . . .p. 13 2.2.2 Excitation with B1 . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 15 2.2.3 Relaxation times T1, T2 and T∗ 2 . . . . . . . . . .p. 16 2.2.4 The Bloch equations . . . . . . . . . . . . . . . . p. 17 2.3 Magnetic Resonance Imaging . . . . . . . . . . . . . .p. 20 2.3.1 Encoding of spatial location and k-space . . . . . .p. 20 2.3.2 Sequences and contrasts . . . . . . . . . . . . . . p. 22 2.3.3 Ultra-high resolution MRI . . . . . . . . . . . . . p. 24 2.3.4 Intracortical MRI: different contrasts and their sources p. 25 3 Image analysis with computed cortical laminae p. 29 3.1 Segmentation challenges of ultra-high resolution images p. 30 3.2 Reconstruction of cortical surfaces with the level set method p. 31 3.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . p. 33 3.4 Profiles revealing myeloarchitectonic laminar patterns . . .p. 36 3.5 Standard computational cortical layering models . . . . . . p. 38 3.6 Curvature bias of computed laminae and profiles . . . . . . p. 39 4 Materials and methods p. 41 4.1 Histology . . . . . p. 41 4.2 MR scanning . . . . p. 44 4.2.1 Ultra-high resolution post-mortem data p. 44 4.2.2 The MP2RAGE sequence . . . . . . . . p. 45 4.2.3 High-resolution in-vivo T1 maps . . . .p. 46 4.2.4 High-resolution in-vivo T∗ 2-weighted images p. 47 4.3 Image preprocessing and experiments . . . . . .p. 48 4.3.1 Fully-automatic tissue segmentation . . . . p. 48 4.3.2 Curvature Estimation . . . . . . . . . . . . p. 49 4.3.3 Preprocessing of post-mortem data . . . . . .p. 50 4.3.4 Experiments with occipital pole post-mortem data .p. 51 4.3.5 Preprocessing of in-vivo data . . . . . . . . . . p. 52 4.3.6 Evaluation experiments on in-vivo data . . . . . .p. 56 4.3.7 Application experiments on in-vivo data . . . . . p. 56 4.3.8 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 58 5 Computational cortical layering models p. 59 5.1 Implementation of standard models . .p. 60 5.1.1 The Laplace model . . . . . . . . .p. 60 5.1.2 The level set method . . . . . . . p. 61 5.1.3 The equidistant model . . . . . . .p. 62 5.2 The novel anatomically motivated equi-volume model p. 63 5.2.1 Bok’s equi-volume principle . . . . . .p. 63 5.2.2 Computational equi-volume layering . . p. 66 6 Validation of the novel equi-volume model p. 73 6.1 The equi-volume model versus previous models on post-mortem samples p. 73 6.1.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 73 6.1.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 79 6.2 The equi-volume model versus previous models on in-vivo data . . . .p. 82 6.2.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 82 6.2.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 85 6.3 Dependence of computed surfaces on cortical curvature . . . . .p. 87 6.3.1 Within a structural area . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 87 6.3.2 Artifactual patterns on inflated surfaces . . . . . . . . . .p. 87 7 Applying the equi-volume model: Analyzing cortical architecture in-vivo in different structural areas p. 91 7.1 Impact of resolution on cortical profiles . . . . . . . . . . . . . p. 91 7.2 Intersubject variability of cortical profiles . . . . . . . . . . . p. 94 7.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . . . .p. 95 7.3.1 Comparison of patterns with inflated labels . . . . . . . . . .p. 97 7.3.2 Patterns at different cortical depths . . . . . . . . . . . . .p. 97 7.4 Fully-automatic primary-area classification using cortical profiles p. 99 8 Discussion p. 105 8.1 The novel equi-volume model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 105 8.2 Analyzing cortical myeloarchitecture in-vivo with T1 maps . . . . . .p. 109 9 Conclusion and outlook p. 113 Bibliography p. 117 List of Figures p. 127