Distinctive fine-structure due to ³⁵Cl/³⁷Cl isotopologue and isotopomer effects is resolved at high magnetic fields for ¹⁹⁵Pt and ¹⁰³Rh NMR signals, resulting in a unique NMR “finger-print”, with which it is possible to uniquely identify all chlorido containing Pt(IV) and Rh(III) complexes. In this study, these isotope shifts are computed from first principles in order to provide a solid theoretical framework for the empirical observations. Use is made of DFT to calculate the ³⁵/³⁷Cl and ¹⁶/¹⁸O induced isotope shifts in the ¹⁹⁵Pt NMR spectra of [Pt³⁵Cl₆]²⁻ and [Pt³⁷Cl₆]²⁻, for the [Pt³⁵Cl n ³⁷Cl₅₋ n(H₂O)]⁻ (n=0-5), cis-Pt³⁵Cln³⁷Cl₍₄₋n₎(H₂O)₂ (n=0-4), and fac-[Pt³⁵Cl n³⁷Cl₍₃₋ n₎(H₂O)₃]⁺ (n=0-3) series. The computational protocol is extended to calculate the ³⁵/³⁷Cl and ¹⁶/¹⁸O induced isotope shifts in [Pt³⁵Cl n³⁷Cl₍₅₋ n₎(OH)]²⁻ (n=0-5), cis- [Pt³⁵Cln³⁷Cl₍₄₋ n₎(OH)₂]²⁻ (n=0-4), fac-[Pt³⁵Cln³⁷Cl₍₃₋ n₎(OH)₃] ²⁻ (n=0-3), cis- [Pt³⁵Cl n³⁷Cl₂₋n(OH)₄]²⁻ (n=0-2) and [Pt³⁵Cl n³⁷Cl₍₁₋ n₎(OH)₅]²⁻ (n=0-1). For Rh(III), the ³⁵Cl/³⁷Cl isotope shifts in the ¹⁰³Rh NMR spectra of [Rh³⁵Cl n³⁷Cl₅₋ n(H₂O)] ²⁻ (n=0-5), cis-[Rh³⁵Cl n³⁷Cl₍₄₋ n₎(H₂O)₂]⁻ (n=0-4), and fac-Rh³⁵Cl n³⁷Cl₍₃₋ n₎(H₂O)₃ (n=0-3) were calculated. The ¹⁹⁵Pt and ¹⁰³Rh NMR chemical shifts computed for these species reproduce the order of magnitude of the observed effect reasonably well, up to ca. 1 ppm. In most cases, general trends are also captured qualitatively, thus providing the first theoretical basis for the origin of subtle isotope shifts in ¹⁹⁵Pt NMR spectra. Neither simple polarizable continuum models nor small, microsolvated complexes lead to improved isotope shifts for the series investigated, however, valuable insight into the degree of solvent interaction was gained. Using the polarized continuum model to calculate shielding/bond-length derivatives together with gas-phase zero-point corrections to estimate shieldings, it was shown that the contraction of the coordination sphere in the hydroxide complexes cause the Pt-Cl bonds to become magnetically equivalent, justifying why their isotopomers aren't resolved. In this study, theoretical modelling of structural effects on NMR parameters extends to the smallest scale, distance changes of a few femtometers upon isotopic substitution.

No description available.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen genaueren Aufschluss über die Erfassung der mikrovaskulären Integrität von Myokardinfarkten nach erfolgreicher koronarer Revaskularisierung mittels kardialer MR-Bildgebungstechniken zu geben. Dazu wurde zuerst das Auftreten des „no-reflow“ in der FPP und im LE sowie zu verschiedenen Zeitintervallen untersucht. Die Untersuchungen hierzu ergaben ein häufigeres Auftreten des „no-reflow“ in den FPP-Untersuchungen und eine Abnahme des beobachtbaren „no-reflow“, je später die Untersuchung nach Kontrastmittelgabe erfolgte. Zusätzlich zeigte sich, dass das Auftreten eines „no-reflow“ in der LE-Untersuchung immer mit einem Auftreten in der FPP einherging. Weiterhin wurden die Auswirkungen des Infarktausmaßes auf das „no-reflow“ überprüft. Bei den Untersuchungen wurde zwischen Infarktvolumen und transmuraler Infarktgröße unterschieden. Dabei zeigte sich, dass das Auftreten eines „no-reflow“ in der FPP- und LE-Untersuchung besser mit dem relativen Infarktvolumen als mit dem transmuralen Infarktausmaß korrelierte. Infarkte mit einem relativen Volumen kleiner neun Prozent ließen kein „no-reflow“ im LE beobachten, wobei bei einem Infarktvolumen > 15 % ein „no-reflow“ sowohl in der FPP- als auch in der LE-Untersuchung beobachtbar war. Die Untersuchungen zum transmuralen Infarktausmaß zeigten, dass ein „no-reflow“ auch bei nicht transmuralen Infarkten auftrat. Daneben konnte beobachtet werden, dass auch transmurale Infarkte ohne „no-reflow“ auftreten. Des Weiteren wurden die Auswirkungen eines beobachtbaren „no-reflow“ auf die EF überprüft. Die EF wurde hierzu 14 Tage und drei Monate nach Myokardinfarkt bestimmt und mit dem „no-reflow“ in der FPP und im LE der Erstuntersuchung verglichen. Hierbei zeigten zum ersten Untersuchungszeitpunkt in der FPP-Untersuchung mehr als 50 % der Infarkte sowohl bei einer EF < 55 % als auch bei einer EF > 55 % ein „no-reflow“. Dagegen war in der LE-Untersuchung bei einer EF < 55 % kein Unterschied bezüglich der Beobachtung eines „no-reflow“ feststellbar, während bei einer EF > 55 % über 70 % der Infarkte kein „no-reflow“ aufwiesen. In der „Untersuchung nach drei Monaten“ zeigten in der FPP-Untersuchung bei einer EF < 55 % knapp 75 % der Infarkte ein „no-reflow“, während es bei einer EF > 55 % ungefähr 25 % waren. In der LE-Untersuchung war, ähnlich dem ersten Untersuchungszeitpunkt, bei einer EF < 55 % kein wesentlicher Unterschied festzustellen, wohingegen bei einer EF > 55 % über 75 % der Infarkte kein beobachtbares „no-reflow“ im LE zeigten. Für die FPP- und LE-Untersuchung ergab sich bei beiden Untersuchungszeitpunkten kein statistischer signifikanter Unterschied bezüglich der EF der Patienten, die „no-reflow“ zeigten, zu den Patienten, die kein „no-reflow“ zeigten. Ohne Zweifel ist die kardiale MRT aufgrund des nichtinvasiven dreidimensionalen Charakters und des guten Gewebekontrastes ohne Einsatz von Röntgenstrahlung ein viel versprechendes bildgebendes Verfahren der Zukunft. Der Vorteil der Anwendung dieses Verfahrens bei Patienten mit Myokardinfarkt ist die präzise Bewertung des transmuralen Ausmaßes der myokardialen Nekrose sowie des „no-reflow“ und die gleichzeitige Erfassung der Herzfunktionsparameter. Der Stand der Erfassung und Bewertung des „no-reflow“ in MRT-Bildern reicht jedoch zurzeit noch nicht für den Einsatz in der klinischen Routinediagnostik aus. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse sollen einen Beitrag für diese Weiterentwicklung leisten. Für einen späteren Standard zur Erfassung der mikrovaskulären Integrität beim Akuten Koronarsyndrom sind jedoch weitere Studien nötig. Hierbei wären genauere Untersuchungen zum Schweregrad des „no-reflow“ sowie zum Auftreten zu verschiedenen Zeitpunkten sinnvoll. Außerdem sollten exaktere Aussagen über die Korrelation des Auftretens des „no-reflow“ und den Herzfunktionsparametern erhoben werden. Es ist anzunehmen, dass sich durch eine Weiterentwicklung der kardialen MRT der Informationsgehalt in Zukunft stetig steigern wird und dadurch eine eindrucksvolle Ergänzung der kardiologischen Differentialdiagnostik sein. Dabei könnte eine multimodale Akquisition der kardialen Makro- und Mikrozirkulation, pathologischer Gewebeveränderungen und myokardialer Funktionsstörungen in einem Untersuchungsgang mit einem kurzen zeitlichen Aufwand erreicht werden. Durch Integration der MRT-Untersuchungen zum „no-reflow“ in den klinischen Alltag könnte somit eine Bestimmung des individuellen Risikos sowie ein risikoadaptiertes Behandlungskonzept erreicht werden. / The aim of this work was to provide a clear overview of the acquisition of microvascular integrity of myocardial infarction after successful coronary revascularization using cardiac MR imaging techniques. At first the occurrence of the "no-reflow" in the FPP and the LE and at different time intervals was investigated. The investigations showed a more frequent occurrence of "no-reflow" in the FPP studies and an increase of the observable "no-reflow" the later the investigation after application of contrast medium is done. Further could be showed that the occurrence of a "no-reflow" in LE always relates with an occurrence in FPP. Beyond the impact of the size of the infarction on the "no-reflow" was verified. The investigation distinguished between volume of infarction and extension of infarction. The results were that the occurrence of a "no-reflow" in FPP-and LE correlates better with the relative volume of infarction than with transmural extension of infarction. Infarcts with a relatively small volume of nine percent had no "no-reflow" in LE, while at a volume of infarction > 15% "no-reflow" in FPP as well in LE were observable. The investigations to transmural extension of infarction showed that "no-reflow" as well appears in non transmural infarction. Additional to that, transmural infarcts without "no-reflow" were also seen. Furthermore the effects of an observable "no-reflow" on the EF were investigated. For this purpose the EF was determinated 14 days and three months after myocardial infarction and was compared with the occurrence of "no-reflow" in FPP and LE of the initial investigation. At this juncture for the first time of investigation showed "no-reflow" in FPP more than 50% of infarcts both at EF <55% and at EF> 55%. On the other hand, in the investigation of LE was at EF <55% no difference in the observation of "no-reflow" detectable, while at EF> 55% over 70% of infarcts didn’t show "no-reflow”. The "investigation after three months" showed in FPP at EF <55% just under 75% of infarcts "no-reflow", while at EF> 55% about 25% showed “no-reflow”. In the investigation of LE was similar to the first time of the investigation: at EF <55% no significant difference was noted, while at EF> 55% over 75% of infarcts didn’t show "no-reflow" in LE. For the investigations of FPP-and LE resulted in both times of investigation no statistical significant difference in EF of patients, who showed "no-reflow" compared to patients who didn’t showed "no-reflow". There’s no doubt the Cardiac MRI is because of the three-dimensional non-invasive nature and good contrast of tissue without the use of X-rays a promising imaging technique of the future. The advantage in using this operation in patients with myocardial infarction is the accurate transmural assessment of extent of myocardial necrosis, as well as "no-reflow" and the simultaneous detection of parameters of cardiac function. The state of acquisition and evaluation of "no-reflow" in MRI images is actually not sufficient for use in clinical routine diagnostics. The presented results of this work should contribute to this development. However, to meet a standard for acquisition and assessment of microvascular integrity of myocardial infarction further studies are needed. For these purposes more accurate studies on the severity of "no-reflow" and the appearance at different times would be useful. Furthermore accurate statements about the correlation of the incidence of "no-reflow" and cardiac function parameters should be collected. It is to be accepted that by a further development of cardiac MRI, the information content in the future will steadily increase and thus an impressive complement of cardiac differential diagnosis will be possible. At this juncture a multi-modal acquisition of cardiac macro-and micro-circulation, pathological tissue changes and myocardial dysfunction in an investigation course with a short time effort could be achieved. By integrating the MRI examinations to the "no-reflow" in the clinical routine a provision of individual risk and a risk adapted treatment concept could be achieved.

Es wurden insgesamt 70 Punktionen durchgeführt. Die Patienten waren zwischen 2 und 83 Jahre alt (Durchschnitt 56J.). Das Punktionssystem bestand aus einer Titan-Koaxialnadel und einer ferromagnetischen Punktionsnadel. Der Vorteil dieses Punktionssystems gegenüber einem reinen Titansystem ist die höhere Qualität der Punktionszylinder. Ein Nachteil ist, dass die Punktion außerhalb des MRT-Systems erfolgen muss. Ewa 50% der MRT-gesteuerten Punktionen entfielen auf die Leber. Knochenpunktionen wurden in 21% der Punktionen durchgeführt. Hierzu wurde ein Knochenbiopsieset mit Bohrer benutzt. Die übrigen Punktionen verteilten sich auf Thorax, den Abdominalraum ohne Leber sowie den Kopf/Hals Bereich. Die technische Erfolgsrate lag bei 96%, in drei Fällen war das gewonnene Material nicht repräsentativ, die Sensitivität bestimmte sich mit 88% bei einer Spezifität von 100%. Diese Ergebnisse liegen in der Größenordnung CT- und Ultraschallgesteuerter Punktionen. Berücksichtigt werden muss in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass die Indikation zu MRT-gesteuerten Punktionen sich in den meisten Fällen aus der fehlenden Visualisierung der Herdbefunde im CT bzw. der komplexen anatomische Lage ableitete. Hinsichtlich der Komplikationen sind die Ergebnisse vorliegender Studie mit denen CT gesteuerter Punktionen vergleichbar, hier liegt die in der Literatur beschriebene Komplikationsrate CT gesteuerter Punktionen zwischen 1% und 3%. In dem vorliegenden Kollektiv trat lediglich eine konservativ zu beherrschende Blutung bei einer mediastinalen Punktion auf. Vergleicht man die Anzahl richtig positiver Histologien mit denen falsch negativer hinsichtlich der Dauer der Intervention, der Visualisierbarkeit der Läsionen gegeben als der Kontrastunterschied der Läsion zum Umgebungsrauschen (Kontrast/Rausch Verhältnis) sowie hinsichtlich des Kriteriums einer Doppel- oder Einfachangulierung, so zeigten sich keine signifikanten Unterschiede, was erwartungsgemäß in der geringen Anzahl falsch negativer Befunde begründet ist. Ursächlich für falsch negative Befunde waren vielmehr der geringe Durchmesser der Läsionen (4 Herdbefunde < 3 cm) sowie Punktionen im Randbereich maligner Läsionen (N=2). / There were a total of 70 MR guieded biopsies. The patients were 2 to 83 years old (average 56J.). The punktionsystem consisted of a titanium koaxialneedel and a ferromagnetic needel. The advantage of this system compared to a pure titanium system is the higher quality of punktioncylinder. A disadvantage is that the puncture outside the MRT system is required. 50% of MR guidedbiopsies were in the liver. Bone point ionsBone biopsies were in 21% of the biopsies. The other biopsies distributed to the chest, abdomen without the liver and the head / neck area. The technical success rate was 96%, in three cases the resulting material was not representative, the sensitivity to certain with 88% at a specificity of 100%. These results are in the order CT and Ultrasound guieded biopsies. Consideration will be important in this context that the indication MRI-controlled biopsies in most cases from the lack of visualization of the stove or CT findings of the complex anatomical position derived. Regarding the complications are the results of this study with those of CT controlled comparable point here is described in the literature complication rate CT controlled point of between 1% and 3%. In this group came only to a conservative dominant mediastinal bleeding with a puncture. When comparing the number of positive right histology with false negative for the duration of the intervention, the visialisation lesions than the difference in the contrast of the lesion on ambient noise (contrast / noise ratio) as well as the criterion of being a double or one angulation, showed no significant differences in expected in the low number of false negative findings justified. The reason for false negative findings were rather small diameter of the lesions (4 stove findings <3 cm) and point of the periphery of malignant lesions (N = 2).

Die 31P-MRS ist aktuell die einzige verfügbare nicht-invasive Methode mit der der Herzmetabolismus ohne radioaktive Tracer untersucht werden kann. MRS ermöglicht Einblicke in die Energetik der ischämischen Herzkrankheit, des Herzinfarkts, der hypertrophen Kardiomyopathie oder auch der Herzklappenfehler. Ferner kann die Methode zur Überwachung des Therapieerfolgs o.g. Krankheiten genutzt werden. Gegenwärtig wird die MR-Spektroskopie, aufgrund der geringen räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie der geringen Reproduzierbarkeit, jedoch nur in der Forschung angewendet. Die Einführung von MRT-Sytemen höherer Feldstärke, z.B. 7 Tesla, wird vermutlich eine Optimierung der Auflösung und Reproduzierbarkeit ermöglichen und damit die 31P-MRS in die klinische Diagnostik integrieren können. Die vorliegende Arbeit befasst sich neben der methodischen Weiterentwicklung und Standardisierung der MRS mit einem direkten Vergleich MR-tomographischer (LE) und MR-spektroskopischer (AW-CSI) Techniken zur Detektion von Infarktfolgen. Hierbei konnte durch die simultane Anwendung von MRS und Late Enhancement, ein bereits in der klinischen Infarktdiagnostik etabliertes Verfahren, die Aussagekraft der MR-Spektroskopie in Bezug auf die Infarktlokalisation validiert werden. Ein wesentlicher Vorteil der MRS gegenüber dem Late Enhancement besteht darin, dass bereits frühzeitig pathologische Veränderungen des Metabolismus in Arealen wie dem remote, stunned oder hibernating myocardium detektiert werden können. Letztere demarkieren sich nicht beim LE. Unter Etablierung eines Segmentationsalgorithmus konnten sehr niedrige Variabilitäten bei dem verwendeten Quantifizierungsprogramm („SLOOP“) erreicht werden. Zusätzlich gelang es durch systematische Analysen die für die Auswertung der MRS benötigten Nachbearbeitungszeiten drastisch zu verkürzen. Als klinische Anwendung erfolgte die Bestimmung des kardialen Metabolismus mittels akquisitionsgewichteter 31P-3D-CSI bei Patienten mit Hinterwandinfarkt. Damit konnten erstmalig spulenferne Myokardareale (Hinterwand) hinsichtlich Veränderungen im Metabolismus erfasst werden. Veränderte PCr/&#947;ATP-ratios wurden bei Infarktpatienten gegenüber einem Kollektiv herzgesunder Probanden gefunden. Eine exakte Lokalisation der untersuchten Infarkte und damit eine Validierung der spektroskopischen Datenanalyse wurden durch den Vergleich mit den simultan aufgenommenen Late Enhancement Bildern möglich. Damit eröffnet sich in Verbindung mit zunehmend zur Verfügung stehenden Hochfeldgeräten (3T und mehr) für die MRS der Weg zu einem wichtigen klinischen Diagnostikwerkzeug zur Bestimmung von Prognoseparametern bei kardialen Erkrankungen. / 31P-MRS is currently the only available non-invasive method for examination of the heart metabolism without radioactive tracers. MRS allows insights in the energetics of ischemic heart disease, heart attack, hypertrophic cardiomyopathy or other cardiac defects. Furthermore this method can also be used for monitoring the treatment success of these aforementioned diseases. Currently MRS is only applied in research because of low reproducibility, low spatially and temporary resolution. Introduction of MR-systems with higher fields, 3 and 7 Tesla, will probably allow optimization of resolution and reproducibility for an integration of 31P-MRS in the clinical diagnostics. The present dissertation deals with methodic development, standardization of MRS and a direct comparison of MR-tomographic (late enhancement) and MR-spectroscopic techniques for detection of cardiac infarction. The significance of 31P-MRS with regards to the localization of the cardiac infarction could be validated by applying simultaneously MRS and late enhancement, a procedure which is already established in clinical diagnostics of cardiac infarction. A major benefit of MRS compared with late enhancement is the possibility to detect pathological changes of the metabolism in areas like remote, stunned or hibernating myocardium very early. These do not demarcate in late enhancement images. By establishing a segmentation algorithm very low variabilities could be achieved within the used quantification program (“SLOOP”). In addition we succeeded in reducing the postprocessing of MRS. As a clinical application, the cardiac metabolism of patients with cardiac infarction of the posterior wall was determined by using acquisition-weighted 31P-3D-CSI. For the first time this resulted in findings of changes of metabolism in myocard remotely from the coil (posterior wall). Altered PCr/&#947;ATP-ratios were found in patients with cardiac infarction compared to a collective of healthy volunteers. It was possible to get an exact localization of the cardiac infarction and to validate the spectroscopic data analysis by comparison with simultaneously acquired late enhancement images. Thus, MRS may become an important diagnostic tool for determination of prognostic factors in cardiac diseases due to an increasing availability of high field strength MRI systems (3 Tesla and more).

Obwohl der klinische Stellenwert der MRT in zahlreichen Studien für verschiedene Entitäten (AC-Komplex, coracoidale Pathologien, Rotatorenmanschette, Pathologien des Kapsel-Band-Apparates und der Bicepssehne sowie primär und reaktiv bedingte entzündliche Veränderungen) belegt ist, überrascht es, dass in der Literatur keine Arbeiten darüber existieren, inwieweit das Ergebnis der MRT-Untersuchung tatsächlich das therapeutische Procedere beeinflusst. Vorliegende Arbeit untersuchte daher den diagnostischen Impact der MRT im Setting einer hochspezialisierten Schultersprechstunde. / Although the clinical significance of the mri concerning different entities (ac-joint, coracoidal pathologies, rotator cuff lesions, etc.) has been proven in several studies, it's unexpected that there are no studies about how the result of a mri-screening affects effectively the therapeutic proceedings. Thus current study considered the diagnostic impact of the mri in a specialized shoulder-clinic setting.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von Schnellbild-Verfahren der Magnetresonanztomografie (MRT), die auf der Messung stimulierter Echosignale beruhen. Die schnellen STEAM (STEAM = stimulated echo acquisition mode) MRT-Technik leidet im Gegensatz zu alternativen Messtechniken auch bei hohen Magnetfeldstärken nicht unter Bildverzerrungen und Begrenzungen durch eine hohe Hochfrequenzbelastung. Da sie jedoch Bilder geringerer Signalintensität liefert, bestand das Primärziel dieser Arbeit in einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, um die Vorteile für die Herzbildgebung und die diffusionsgewichtete MRT des Gehirns besser nutzen zu können (Anwendungen am Menschen bei einer Feldstärke von 3 Tesla). Durch eine Kombination verschiedener physikalischer (Messtechnik, Ortskodierung, Unterabtastung) und mathematischer Maßnahmen (Bildrekonstruktion) konnte in dieser Arbeit eine erhebliche Signalsteigerung bei gleichzeitiger Verkürzung des Messzeit von Einzelbildern erreicht werden. Die Ergebnisse der STEAM-MRT am Herzen zeigen Schnittbilder des Herzmuskels ohne den störenden Einfluss der Signale des Blutes. Die diffusionsgewichtete MRT des Gehirns lieferte ohne Suszeptibilitätsartefakte eine verzerrungsfreie Kartierung des Diffusionstensors und – daraus abgeleitet – eine anatomisch korrekte, dreidimensionale Rekonstruktion von Nervenfaserbahnen etwa des Cingulums. / This thesis deals with the development and application of a rapid magnetic resonance imaging (MRI) technique that is based on the acquisition of stimulated echoes. In contrast to alternative approaches, the rapid STEAM sequence (STEAM = stimulated echo acquisition mode) does not suffer from image distortions and RF power limitations, even at high magnetic field strengths. The primary goal of this thesis was the improvement of the relatively low signal-to-noise-ratio of the STEAM technique in order to exploit its advantages for cardiac imaging and diffusion-weighted MRI of the brain (human studies at a field strength of 3 Tesla). By combining a variety of physical (acquisition technique, spatial encoding, undersampling) and mathematical operations (image reconstruction), this work achieved a significant signal increase while reducing the measurement time of individual images. The results include rapid STEAM images of the heart which delineate the anatomy of the myocardial wall without disturbing signals from the blood. Moreover, the advances allow for diffusion-weighted MRI of the brain without susceptibility artifacts yielding distortion-free maps of the diffusion tensor at high spatial resolution. This information could be used for anatomically correct three-dimensional reconstructions of nerve fiber tracts such as the human cingulum.

Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit befasste sich mit der Anwendung und der Entwicklung von neuen Methoden der spektroskopischen NMR-Bildgebung zur nicht-invasiven metabolischen Charakterisierung von Xenograft-Tumormodellen bei 17,6 T. In einem weiteren Abschnitt wurden verschiedene etablierte Methoden der lokalisierten NMR-Spektroskopie und der spektroskopischen Bildgebung genutzt, um den Metabolismus von Hülsenfrüchten (Pisum sativum) am Hochfeld zu untersuchen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde der selektive Mehrquantenfilter Sel-MQC zur Laktatbestimmung in neun verschiedenen Xenograft-Tumormodellen verwendet. Diese Werte wurden mit Ergebnissen aus der Biolumineszenz und mit der Tumorkontrolldosis 50 (TCD50) der Tumorlinien korreliert. Der Sel-MQC-Editierungsfilter stellte sich als äußerst robuste Methode heraus das Laktat im NMR-Spektrum eindeutig von koresonanten Lipiden des Unterhautfettgewebes bzw. von tumoreigenen Lipiden zu trennen. Der Vergleich mit dem durch die Biolumineszenz bestimmten Laktat zeigte durchweg niedrigere Werte in den NMR-Messungen. Der Hauptgrund für diesen Unterschied besteht wahrscheinlich darin, dass mit der NMR-Methode nur das freie Laktat bestimmt werden kann, wohingegen die Biolumineszenz das gesamte Laktat erfasst. Das mit der NMR detektierbare freie Laktat zeigte allerdings eine mäßige Korrelation zur TCD50 (R = 0,46), wodurch dieser Parameter nur als bedingt prognostisch wertvoll für die Strahlentherapie von Tumoren angesehen werden kann. Der Informationsgehalt pro Messzeit und damit die Effizienz der Standard-Sel-MQC-Editierungssequenz konnte durch verschiedene methodische Erweiterungen gesteigert werden. Eine zusätzliche spektral selektive Wasserunterdrückung und ein weiteres Aufnahmefenster ermöglichte neben der Messung des Laktatsignals die Akquisition sämtlicher Resonanzen des 1H-Spektrums mit einer kurzen Echozeit. Somit konnten zusätzlich das Gesamtcholin und die Methyl- und Metylengruppen der Lipide aufgenommen werden. Neben dem Laktat erwies sich das Verhältnis von Lipid-Methylensignal zu Gesamtcholin (L1/tCho) als aussagekräftigster Parameter, um zwei untersuchte Xenograft-Tumormodelle zu unter-scheiden. Die spektroskopische Sel-MQC-Bildgebungssequenz, deren k-Raumantastung in der Regel mit reiner Phasenkodierung durchgeführt wird, konnte durch eine Verwendung eines Lesegradienten beschleunigt werden. Die bei dem Sel-MQC-Filter auftretenden typischen Artefakte im Bereich der Wasserresonanz sind durch zwei Aufnahmen nach dem Dixon-Prinzip und einem anschließenden Additionsverfahren unterdrückbar. Bei einer ausreichenden Aufnahmezeit, die abhängig vom T2* der zu editierenden Resonanz ist, kann mit der Methode eine nahezu ähnlich hohe Sensitivität wie mit dem rein phasenkodierten Experiment erreicht werden. Eine in die Sequenz eingefügte frequenzselektive Refokussierung der Laktat-CH3-Gruppe ermöglichte die Aufnahme mehrerer Laktatechos ohne eine Phasenmodulation durch die J-Kopplung im Signal zu erhalten. Die nach einer Anregung erhaltenen Echos können zur weiteren Beschleunigung der Sequenz oder zur Bestimmung der apparenten transversalen Relaxationszeit des editieren Metaboliten verwendet werden. Das Grundprinzip des Sel-MQC-Filters konnte in einem umgekehrten Verfahren dazu verwendet werden mobile Lipide im Tumor ohne das koresonante Laktatsignal zu detektieren, um damit die Lipiddetektion zu spezifizieren. Da zur Unterdrückung des Metabolitensignals nur die J-Kopplung ausgenutzt wird, müssen weder Relaxationszeiten noch Diffusionskoeffizienten für die Editierung bekannt sein. Die Aufnahme des Lipidsignals wird dabei in einer Präparation erreicht, was die Sequenz robust gegenüber Bewegungsartefakten macht. Die Methode kann beispielsweise mit Diffusionsgradienten kombiniert werden, um den apparenten Diffusionskoeffizienten mobiler Lipide im Tumorgewebe zu bestimmen. Das hohe Magnetfeld von 17,6 T und damit die vergrößerte chemische Verschiebung eigneten sich insbesonders dazu spektroskopische Messungen an Pflanzensystemen durchzuführen. Im letzten Teil der Arbeit wurden unterschiedliche lokalisierte 1D-, 2D-NMR-Methoden und die spektroskopische Bildgebung verwendet, um den Wildtyp und eine Mutantenform des Pisum sativum nicht-invasiv metabolisch zu untersuchen. Die mit der NMR bestimmten Metabolitenkonzentrationen im Endosperm des Pisum sativum korrelierten mit Resultaten aus biochemischen Auswertungen. Weiterhin konnten mit den NMR-Methoden auch Ergebnisse gewonnen werden, die mit biochemischen und histologischen Verfahren nicht erreicht werden können. Die Untersuchung von Pflanzen – oder wie hier von Pflanzensamen – mit spektroskopischen NMR-Methoden bieten zusätzliche und für bestimmte Fragestellungen auch einzigartige Ansätze deren Metabolismus in vivo zu untersuchen. / The primary topic of this thesis is the development and application of new spectroscopic NMR imaging methods for non-invasive metabolic characterization of xenograft tumor models at 17.6 T. Additional work includes the use of various established methods of localized NMR spectroscopy and spectroscopic imaging to study the metabolism of legumes (Pisum sativum) at high magnetic field strengths. In the experimental part of the work, a selective multiple quantum filter (Sel-MQC) was used to detect and estimate lactate content in nine different xenograft tumor models. The lactate concentration was correlated with results from both the lactate values from quantitative bioluminescence imaging and the tumor control dose 50 (TCD50) of the tumor lines. The Sel-MQC editing filter is an extremely robust method to separate lactate clearly from co-resonant lipids in the NMR spectrum. These lipid signals originate from subcutaneous adipose tissue and intra-tumoral mobile lipids. The comparison of the NMR lactate values with the results from the quantitative bioluminescence showed consistently lower lactate concentration in the NMR measurements. It has been determined that the main reason for this difference is that the NMR method can only detect the free lactate, whereas with the bioluminescence technique the entire (free and bound) lactate can be estimated. The NMR lactate, however, showed only a moderate correlation with the TCD50 (R = 0.46), although it is important to note that this parameters can only be regarded as conditional prognostic value for the radiation therapy of tumors. The information content per unit measurement time and thus the efficiency of standard Sel-MQC editing sequence could be increased by several methodological enhancements. An additional spectral selective water suppression scheme and a second signal acquisition window allowed – beside the detection of lactate – the acquisition of all other 1H NMR resonances with a short echo time. Using this method in vivo for tumor characterization, the lactate resonance, the total choline signal and the methyl and methylene groups of mobile lipids could be detected in the same scan. In addition to the lactate, the ratio of lipid methylene to total choline (L1/tCho ratio) appeared to be a significant parameter when distinguishing between two different types of xenograft tumor models. The classical spectroscopic Sel-MQC pulse sequence, where spatial localization is performed by pure phase encoding, could be accelerated by applying a read gradient. Typical artifacts from the water resonance after Sel-MQC filtering could be suppressed by using the two scan Dixon principle to separate the edited metabolite signal from the residual water resonance. A phase sensitive signal addition of the two acquisitions resulted in artefact-free metabolite images. Further, it was shown that when the acquisition time is adjusted (depending on T2* of the edited resonance), the method employing the read gradient is almost as sensitive as the pure phase encoded experiment. The frequency selective refocusing of the lactate CH3-group allowed the acquisition of multiple lactate echoes without phase-modulation from the J-coupling in the signal. The multiple echoes could be used either to further accelerate the sequence or to estimate the apparent transversal relaxation time of the metabolite. The basic principle of the Sel-MQC filter was also used in a reverse manner to detect mobile lipids in tumor tissue without signal contamination from the co-resonant lactate. This increases the specificity of the method to the mobile lipid in tumor tissue. The principle for the suppression of the co-resonant metabolite signal is based on the J-coupling and therefore neither relaxation times nor diffusion coefficients must be known for successful mobile lipid detection. The lipid editing is achieved in a single preparation, which makes the method robust against motion artefacts. The sequence can be combined with other methods, for example, by adding diffusion gradients to determine the apparent diffusion coefficient of mobile lipids in tumors. The high magnetic field of 17.6 T and the large chemical shift is particularly suited to perform non-invasive and non-destructive spectroscopic measurements in plant systems. In the last part of this thesis, different localized 1D and 2D NMR methods and spectroscopic imaging were used to investigate the metabolism of wild type and mutant forms of Pisum sativum. Metabolite concentration in the endosperm of Pisum sativum estimated with localized NMR spectroscopy was correlated with results from biochemical analysis. Further, with the different non-invasive NMR methods, results were obtained which cannot be achieved by other biochemical or histological analyses. Localized NMR spectroscopic methods provide additional and unique approaches to answer biological and biochemical questions in plant systems or – as in this work – even in plant seeds.

Die MRT hat die höchste Detektionsrate der radiologischen Verfahren zur Erkennung einer Knochenmarksinfiltration durch das multiple Myelom. In der vorliegenden Studie hatte die T2-w TIRM Sequenz die höchste Sensitivität. Es konnte jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen der T2w-TIRM Sequenz und der T1-w TSE Sequenz festgestellt werden. Die Interobservervarianz war in Sitzung 2 (T2-w TIRM Sequenz) und Sitzung 3 (T2-w TIRM/T1-w TSE/KM +T1-w TSE Sequenz) gleichwertig. Durch Kontrastmittelgabe konnte die Sensitivität nicht signifikant verbessert werden. Zusammenfassend bietet die T2-w TIRM Sequenz die Möglichkeit einer ersten schnellen orientierenden Untersuchung. Für ein detailliertes radiologisches Staging, Grading und zum Therapiemonitoring sollte jedoch weiterhin eine MRT-Untersuchung mit T2-w TIRM/T1-w TSE Sequenz plus zusätzlicher Kontrastmittelzugabe erfolgen. / For detecting bone marrow plasma cell infilration by multiple myeloma MR imaging ist superior to other imaging techniques. The following study shows that T2w-TIRM sequences achieved the highest level of sensitivity and the best reliability depending on infiltration grade and clinical stage. Differences between T2-w TIRM and T1w-TSE sequence are not significant. The interobserver variability was same in reading 2 (T2w-TIRM sequence) and reading 3 (T2w-TIRM/T1-w TSE/KM+ T1-w TSE sequence). Contrast-enhanced sequences could not significantly improve sensitivity. Conclusionally T2w-TIRM sequences might be valuable for initial assessment of MM. For an exact staging, grading and therapy monitoring the examination protocol should encompass unenhanced and enhanced T1w- MRI sequences in addition to T2w-TIRM.

Ein Teil dieser Arbeit bestand in der Entwicklung und Etablierung von Methoden zur nichtinvasiven Erfassung von radiobiologisch relevanten Parametern des Tumormikromilieus mit der Magnet-Resonanz-Tomographie. Dabei wurden die Tumorperfusion und die Reoxygenierung des Tumors bei Beatmung mit Carbogengas als strahlentherapeutisch prognostisch relevante und vor allem auch beeinflussbare Parameter des Tumors untersucht. Die Untersuchungen fanden an einem Xenograft Modell von neun verschiedenen standardisierten humanen Tumorlinien statt, die auf Oberschenkel von Mäusen transplantiert wurden. Als Teil eines multiinstitutionellen Verbundprojekts wurden parallel zu den NMR-Untersuchungen dieselben Tumorlinien mit verschiedenen Methoden der Histologie und Immunhistologie untersucht. Die Erhebung und Sammlung von einer solch großen Anzahl an Tumordaten, die mit den verschiedensten Untersuchungsmethoden an denselben Tumorlinien erfasst wurden bot eine einmalige Möglichkeit, die einzelnen Tumorparameter miteinander zu korrelieren. Durch die Vielzahl an hier untersuchten Tumorlinien waren aussagekräftige Korrelationen der erfassten Parameter (Perfusion, Reoxygenierung, Laktatverteilung, TCD50, Hypoxie, Blutgefäßdichte) möglich. Damit konnten die Zusammenhänge der einzelnen Parameter des Tumormikromilieus genauer untersucht werden, wodurch das Verständnis über die Vorgänge im Tumor weiter verbessert werden konnte. Mittels quantitativer Messung des oxygenierungssensitiven NMR-Parameters T2* wurde die individuelle Reaktion der Tumoren auf die Atmung von Carbogengas ortsaufgelöst erfasst. Dabei stellte sich die Reoxygenierung als sehr guter prognostischer Faktor für die Strahlentherapie heraus. Durch die Reoxygenierungsmessung kann somit festgestellt werden, ob ein Patient von einer Beatmung mit Carbogengas während der Strahlentherapie profitiert. Zur nichtinvasiven Erfassung der nativen Mikrozirkulation der Tumoren wurden Spin-Labeling-Techniken eingesetzt, die ortsaufgelöste Perfusionskarten über den NMR-Relaxationsparameter T1 liefern. Die Tumorperfusion wurde dabei nicht als Absolutwert berechnet, sondern als Relativwert bezüglich der Muskelperfusion angegeben, um unabhängig vom aktuellen Zustand des Herz-Kreislauf-System des Wirtstieres zu sein. Zwischen den einzelnen Tumorlinien konnten mit dieser Methode signifikante Unterschiede in der Tumormikrozirkulation festgestellt werden. Die Tumorperfusion liegt bei allen untersuchten Linien unter dem Wert der Muskelperfusion. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Fitalgorithmus entworfen und implementiert, der es ermöglicht, völlig neue Messsequenzen zu entwickeln, die nicht an die Restriktionen der analytischen Fitmethoden gebunden sind. So können z.B. die Schaltzeitpunkte der Pulse zur Abtastung einer Relaxationskurve frei gewählt werden. Auch muss das Spinsystem nicht gegen einen Gleichgewichtswert laufen um die Relaxationszeiten bestimmen zu können. Dieser Algorithmus wurde in Simulationen mit dem Standardverfahren zur T1-Akquisition verglichen. Dabei erwies sich diese Fitmethode als stabiler als das Standardmessverfahren. Auch an realen Messungen an Phantomen und in vivo liefert der Algorithmus zuverlässig korrekte Werte. Die im ersten Teil dieser Arbeit entwickelten Verfahren zur nichtinvasiven Erfassung strahlentherapeutisch relevanter Parameter sollen letztlich in die klinische Situation auf den Menschen übertragen werden. Durch die geringere magnetische Feldstärke und das damit verbundene niedrigere SNR der klinischen Magnettomographen muss jedoch die Anzahl der Mittelungen erhöht werden, um die gleiche Qualität der Messdaten zu erhalten. Dies führt aber schnell zu sehr langen Messzeiten, die einem Patienten nicht zugemutet werden können. Um die Messzeit zu verkürzen wurde eine Messsequenz, aufbauend auf den erarbeiteten Fitalgorithmus entwickelt, die es ermöglicht, die T1- und T2*-Relaxationszeit simultan und in der Dauer einer herkömmlichen T1-Messequenz zu akquirieren. Neben der Messzeitverkürzung ist dieses Messverfahren weniger anfällig gegen Bewegungsartefakte, die bei der räumlichen Korrelation von einzeln nacheinander aufgenommenen T1- und T2*-Relaxationszeitkarten auftreten, da diese in einem Datensatz akquiriert wurden und somit exakt übereinander zu liegen kommen. / One goal of this thesis was the development and implementation of methods for the non-invasive acquisition of radiobiologically relevant parameters of the tumor microenvironment via the nuclear magnetic resonance. Therefore the tumor perfusion and re-oxygenation by application of high oxygen content gases were investigated as radiobiologically relevant and manipulable parameters. The studies were performed on a xenograft model of nine different standardized human tumor lines transplanted to the shank of a mouse. As part of a multi-institutional research project the same tumor lines were examined using histological and immunohistological methods in parallel to the NMR-examination. The collection of such a huge number of tumor parameters acquired on the same tumor lines using different examination methods offered a unique opportunity for a mutual correlation of these parameters. In literature some papers can be found where NMR parameters are correlated with histological data, but often only one or two parameters of one to three tumor lines were under investigation. With the multitude of examined tumor lines in this work significant correlations between the parameters (perfusion, re-oxygenation, lactate distribution, TCD50, hypoxia, blood vessel density) could be found. By means of these results the mutual relation of the different parameters of the tumor microenvironment could be further examined increasing the understanding of the tumor's internal processes. With the quantitative measurement of the oxygenation sensitive NMR parameter T2* the individual response of the tumor to an application of carbogen gas was spatially acquired. The parameter re-oxygenation was found to be a very good prognostic marker for radiotherapy. In conclusion, the parameter T2* and the calculated re-oxygenation maps can be used to determined whether a patient could benefit from breathing carbogen gas during radiotherapy. Using spin-labeling techniques the spatially resolved native microcirculation of the tumor was acquired non-invasively via the relaxation parameter T1. The tumor perfusion was not calculated as an absolute value, but as a relative value in percent normalized to the muscle perfusion in order to be independent of modulations of the heart rate of the host animal. Significant differences in tumor perfusion among the different tumor lines could be found. The tissue perfusion of all tumor lines was found to be lower than the muscle perfusion. In the second part of this work a fitting algorithm has been developed and implemented which allows for the development of completely new measuring sequences without the restrictions of analytical fitting algorithms. E.g. for example the trigger time for the excitation pulses which sample a relaxation curve may be chosen freely. Furthermore the spin system does not need to relax towards a steady-state in order to determine the relaxation times. This new algorithm has been compared in simulations with the standard procedure to acquire the T1 relaxation time. It could be shown that the new fitting method is more stable than the standard method. These results could be verified in real measurements on phantoms and in vivo where the algorithm produces reliable and correct results. The methods for the non-invasive acquisition of radiobiologically relevant parameters developed in the first part of this thesis are to be ported into the clinical situation and applied to the patient. Due to the lower magnetic field and the associated lower SNR of the clinical scanner the number of averages has to be increased in order to achieve the same quality in the acquired datasets. This results in long measurement times, which is very uncomfortable for the patient. In order to reduce the measurement time a sequence based on the introduced fitting algorithm has been developed which allows for the simultaneous acquisition of the T1 and T2* relaxation times in one scan. This combined measurement takes the same time like a conventional IR-experiment for the measurement of the T1 relaxation time. Beside the reduction of the scan time this procedure is less prone to motion artifacts which accrue when correlating T1 and T2* parameter maps which were recorded consecutively. Since the relaxation maps are acquired in one scan the parameter maps can be exactly superposed.