Die Aufgabenstellung in der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Umsetzung neuer T1-Quantifizierungsverfahren, die zuverlässig in der klinischen Routine angewendet werden können. Die ausgearbeiteten Techniken umfassten dabei zwei Hauptarbeitsschwerpunkte. Zum einen die Implementierung einer neuartigen dynamischen T1- Thermometriemethode für MR-Sicherheitsuntersuchungen medizinischer Geräte und Implantate, wie beispielsweise Kathetern oder Herzschrittmachern, und zum anderen die Entwicklung eines robusten kardialen T1-Mapping-Verfahrens, welches auch bei stärker erkrankten Patienten mit eingeschränkter Atemanhaltefähigkeit stabil anwendbar ist. Mit der entwickelten kombinierten Heiz- und T1-Thermometriesequenz konnte ein neues Verfahren präsentiert werden, mit dem ein zu untersuchendes medizinisches Gerät oder Implantat kontrolliert erwärmt und die Temperaturänderung zeitgleich präzise erfasst werden kann. Dabei war es möglich, die HF-induzierte Erwärmung der metallischen Beispielimplantate sowohl in homogenem Gel als auch in inhomogenem Muskelgewebe exakt und ortsaufgelöst zu quantifizieren. Die MR-technisch errechneten Temperaturwerte zeigten dabei eine sehr gute Übereinstimmung zu den ermittelten Referenzwerten mit einer Temperaturabweichung von meist weniger als 1K. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit der präsentierten Methode möglich ist, die räumliche Temperaturverteilung in einem großen Bereich mit einer einzigen Messung quantitativ zu erfassen. Dies ist neben der Nichtinvasivität der Methode der größte Vorteil im Vergleich zu der Einzelpunktmessung mittels eines bei solchen Messungen sonst zumeist verwendeten fluoroptischen Temperatursensors. Bei gestreckten Implantaten kann demnach idealerweise das gesamte Objekt während einer einzigen Messung auf potentielle Temperaturänderungen oder sogenannte Hotspots untersucht werden, was bei der Verwendung von Temperatursensoren lediglich mit großem Zeitaufwand möglich ist, da hier die Temperatur jeweils nur punktuell erfasst werden kann. Im Vergleich zu anderen publizierten MR-Thermometrieverfahren, welche auf der PRF-Technik basieren, bietet die hier präsentierte Methode vor allem den Vorteil, dass hiermit auch eine präzise Temperaturquantifizierung in inhomogenem biologischem Gewebe mit starken Suszeptibilitätsunterschieden wie beispielsweise zwischen Herz und Lunge möglich ist. Somit stellt die Methode ein leistungsstarkes Hilfsmittel für nicht-invasive MR-Sicherheitsuntersuchungen nicht nur an medizinischen Implantaten sondern beispielsweise auch für MR-geführte Interventionen dar. Mit der entwickelten kardialen T1-Mapping-Sequenz TRASSI wurde eine leistungsstarke Methode zur exakten und hoch aufgelösten Generierung kardialer T1-Karten in äußerst kurzer Messzeit (< 6 s) vorgestellt. Durch ihre außerordentliche Robustheit sowohl gegenüber Bildartefakten als auch Herzrhythmusstörungen während der Datenakquisition bietet die Sequenz deutlich verbesserte Möglichkeiten für die Diagnostik verschiedener Herzerkrankungen. Aufgrund der sehr kurzen Akquisitionszeit wird insbesondere auch die Generierung von T1-Karten bei schwer erkrankten Patienten mit kurzer Atemanhaltefähigkeit ermöglicht. Im Vergleich zu derzeit üblicherweise verwendeten alternativen Verfahren wie etwa MOLLI, konnten die T1-Karten mit vergleichbarer Bildauflösung in bis zu 70% kürzerer Messzeit akquiriert werden. Die Ergebnisse der durchgeführten Phantommessungen belegen außerdem, dass die Methode exaktere T1-Werte liefert als dies beispielsweise mit MOLLI möglich ist. Des Weiteren weist TRASSI im Gegensatz zu MOLLI keine T1-Abhängigkeit von der Herzrate auf, wodurch die vorgestellte Technik besonders für diagnostische Studien geeignet ist, welche eine sehr hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit im Zeitverlauf oder zwischen verschiedenen Patienten erfordern. Mit TRASSI konnten die Strukturen des Herzens bei den durchgeführten in vivo Untersuchungen durchweg mit scharfen Kanten und ohne Bewegungsartefakte dargestellt werden. Dabei wurde unabhängig von der Herzrate und der Bildebene stets eine sehr gute Bildqualität erreicht. Der Hauptgrund hierfür ist vermutlich in der sehr kurzen Akquisitionszeit und der radialen Datenaufnahme zu sehen. Beide Verfahren reduzieren Artefakte aufgrund von Bewegungen wie beispielsweise Herzschlag und Atmung erheblich. Die aufgenommenen T1-Karten zeigen bei allen Probanden und Patienten eine gute diagnostische Bildqualität. So konnten auch die infarzierten Bereiche bei Patienten mit Myokardinfarkt deutlich visualisiert und quantitativ erfasst werden. Nochmals hervorzuheben ist die beobachtete besondere Robustheit der TRASSI Methode gegenüber Artefakten beziehungsweise T1-Quantifizierungsfehlern bei Patienten mit Herzrhythmusstörungen. Auch bei untersuchten Patienten mit starken Arrhythmien während der Bildgebung konnte eine sehr gute Bildqualität und Genauigkeit der errechneten T1-Karten erreicht werden. Die Ergebnisse der Extrazellularvolumen-Quantifizierung zeigen zudem, dass mittels TRASSI auch weiterführende diagnostische Methoden entwickelt und angewandt werden können. Dabei konnten durch Rückrechnung hochaufgelöster und präziser Extrazellularvolumen-Karten beispielsweise Infarktbereiche deutlich visualisiert und signifikante Unterschiede zwischen akut und chronisch infarziertem Herzmuskelgewebe nicht nur identifiziert sondern auch quantitativ charakterisiert werden. Somit ist diese Methode insbesondere für eine potentielle Differenzierung zwischen reversibel und irreversibel geschädigten Herzarealen interessant. Für die Zukunft ist es wünschenswert, weitergehende Untersuchungen an verschiedenen spezifischen Herzerkrankungen vorzunehmen. Zu solchen Erkrankungen gehören beispielsweise die Herzmuskelentzündung (Myokarditis) oder Herzklappenerkrankungen. Diese Krankheitsbilder sind hinsichtlich einer möglichen transienten oder permanenten Schädigung des Herzmuskels mit den bisher verfügbaren Verfahren nur sehr schwer oder lediglich im weit fortgeschrittenen Stadium exakt diagnostizierbar. Die vorgestellte TRASSI-Sequenz bietet hier eine gute Möglichkeit für eine frühzeitige Erkennung der Auswirkungen solcher Erkrankungen auf den Herzmuskel. Weiterführende Untersuchungen der TRASSI-Methode zu deren Robustheit gegenüber spezifischen Herzrhythmusstörungen und ein umfassender Vergleich zum bereits etablierten MOLLI-Verfahren könnten darüber hinaus die Alltagstauglichkeit von TRASSI weiter spezifizieren und den Weg in die klinische Routine ebnen. Die bereits dargelegten positiven Ergebnisse des Verfahrens lassen vermuten, dass TRASSI potentiell ein sehr gutes nicht-invasives Diagnoseverfahren für verschiedenste Herzerkrankungen darstellt. Im Vergleich zu bereits bestehenden Techniken liegen die Vorteile der TRASSI-Methode nach den bisher vorliegenden Ergebnissen zusammenfassend vor allem in der Generierung diagnostisch verlässlicherer T1-Werte bei gleichzeitig verringerter Messzeit, wodurch das Verfahren insbesondere auch für schwer erkrankte Patienten mit starken Arrhythmien und eingeschränkter Atemanhaltefähigkeit geeignet ist. TRASSI ist darüber hinaus aber auch für MR-Untersuchungen im Hochfeld besser geeignet als entsprechende bSSFP-basierende Verfahren wie beispielsweise MOLLI. Dies liegt vor allem daran, dass TRASSI eine Gradientenecho-basierte Bildgebungsmethode ist und somit eine niedrige spezifische Absorptionsrate aufweist. Zudem sind Gradientenecho-Sequenzen allgemein weniger empfindlich gegenüber Suszeptibilitätsartefakten, so dass beispielsweise metallische Implantate bei Patienten sich weniger störend auf die erreichbare Bildqualität auswirken. In der vorliegenden Arbeit wurde sowohl eine exakte T1-Thermometriesequenz als auch eine sehr schnelle und präzise kardiale T1-Mapping-Methode vorgestellt. Für zukünftige Arbeiten ist es wünschenswert, beide Sequenzen bzw. deren Mechanismen zu vereinen und eine Temperaturquantifizierung am Herzen praktisch durchzuführen. Dies wäre zum einen für MR-Sicherheitsuntersuchungen von Schrittmacherelektroden in vivo vorteilhaft, und zum anderen wäre hiermit eine direkte Erfolgskontrolle während einer Katheterablation realisierbar. Eine solche Ablationsbehandlung könnte durch eine genaue Lokalisierung des behandelten - also erhitzten - Herzareals sehr viel präziser durchgeführt werden, wodurch auch bei komplexeren Ablationen die Behandlungserfolge erhöht werden könnten. In einer ersten Veröffentlichung hierzu konnte bereits gezeigt werden, dass eine MR-gestützte Katheterablation die Heilungs- und Erfolgsaussichten des Eingriffes steigern kann. Dieses Verfahren könnte potentiell mit Hilfe einer Echtzeittemperaturüberwachung basierend auf dem TRASSI-Verfahren noch weiter verbessert werden. In Zusammenfassung wurden in dieser Arbeit zwei neue T1-Quantifizierungsverfahren entwickelt und vorgestellt, die voraussichtlich zuverlässig im klinischen Alltag angewendet werden können und neue nicht-invasive diagnostische Möglichkeiten eröffnen. Die implementierten Sequenzen ermöglichen dabei zum einen eine exakte Temperaturquantifizierung und zum anderen ein präzises kardiales T1-Mapping. Beide Verfahren versprechen dabei robuste und reproduzierbare Ergebnisse und könnten in Zukunft den Weg in die klinische Routine finden und so bei einer fundierten Diagnostik verschiedenster Herzerkrankungen behilflich sein. / The goal of the present study was to develop and implement new T1-quantification methods that can be reliably applied in clinical practice. The elaborated techniques focused on two main objectives: first, the implementation of a novel dynamic T1-thermometry technique for MR-safety investigations of medical devices and implants, such as catheters or pacemakers; and second, the development of a robust cardiac T1-mapping method, which is applicable even in severely ill patients with limited breath-hold capabilities. With the newly developed combined heating and T1-thermometry sequence, a new MR method was presented, which allowed a controlled heating of a medical device or implant under investigation, while simultaneously detecting temperature changes near these devices with high accuracy. With this MR sequence it was possible to quantify and spatially accurately resolve the radio frequency-induced heating of exemplary metallic implants both in a homogeneous gel phantom and in inhomogeneous porcine muscle. The MR-calculated temperature values showed good agreement with the determined reference values, with a temperature deviation of usually less than 1K. The results show that with the presented method it is possible to quantify the spatial temperature distribution in a large area. This is - in addition to the non-invasiveness of the method - the main advantage compared to the single-point measurement of commonly used fluoroptic temperature sensors: Ideally, elongated implants can be characterized regarding potential temperature changes or hot spots along the whole device during a single MR measurement. Compared to other published MR-thermometry methods based on the PRF technique the presented T1-based technique particularly provides the advantage of a precise temperature quantification even in inhomogeneous biological tissue with strong susceptibility differences such as between the heart and the lungs. Thus, the method represents a powerful tool for non-invasive MR-safety investigations not only for implanted medical devices, but also for MR-guided interventions. With the developed cardiac T1-mapping sequence TRASSI, a powerful technique for the generation of exact, high-resolution cardiac T1-maps acquired in very short measurement time (< 6 s) was presented. Through the extraordinary robustness both to image artifacts and heart rhythm disturbances during data acquisition, this sequence provides significantly improved possibilities for various diagnostic purposes in clinical cardiology. Due to the very short acquisition time, TRASSI particularly offers the possibility for the generation of T1-maps in severely ill patients with short breath-hold capabilities. Compared to currently commonly used alternative MR techniques, such as MOLLI, T1-maps with similar resolution could be acquired in up to 70 % shorter measurement time. Furthermore, the results of the phantom measurements show that TRASSI provides more accurate T1 values than MOLLI. In addition, TRASSI shows - in contrast to MOLLI - no heart rate T1-dependency. Thus, the presented technique is particularly suited for diagnostic studies, which require a very high accuracy and reproducibility over time or between different patients. With TRASSI, the heart morphology could consistently be identified with sharp edges and without any motion artifacts in the performed in vivo studies. The good image quality could be achieved in all measurements regardless of the heart rate and the image plane. The main reason for these findings can be anticipated in the very short acquisition time and the radial data acquisition. Both significantly reduce artifacts due to motion such as heartbeat and breathing. Diagnostic image quality of the T1 maps in patients with myocardial infarction allowed for visualization and spatial T1-quantification in all subjects. Of note is the observed extraordinary robustness of the TRASSI method against artifacts and T1-errors in patients with cardiac arrhythmias. Even in patients with severe arrhythmias during the imaging procedure a very good image quality and accuracy of the calculated T1-maps could be achieved. Moreover, the results of the extracellular volume quantification show that with TRASSI additional diagnostic methods can be developed and applied. The calculation of accurate high-resolution extracellular volume maps was suitable for visualization of infarcted areas in the myocardium. Furthermore, significant differences between acute and chronically infarcted myocardial tissue could not only be visually identified, but also quantitatively characterized. Thus, this method is particularly interesting for a differentiation between reversible and irreversible myocardial injury. For the future, it is desirable to carry out further clinical studies on various specific heart diseases. Such diseases include, for example, inflammation of the heart muscle (myocarditis) or valvular heart diseases. The diagnosis of these diseases regarding a possible damage of the myocardium is currently problematic and only possible in advanced stages using the methods available today. Here, the presented TRASSI sequence provides a favorable opportunity for the early detection of transient or permanent myocardial damage. Further studies of TRASSI for its robustness against specific cardiac arrhythmias and a comprehensive comparison with the already established MOLLI method could further confirm the everyday practicality of TRASSI and pave the way into clinical routine. The already available positive results of TRASSI suggest this method to be well suited as a non-invasive diagnostic technique for various heart diseases. From the experiments available, it can be concluded that, compared to existing techniques like MOLLI, TRASSI provides more accurate T1-values in a simultaneously reduced measurement time. This positions TRASSI particularly suitable for severely ill patients with distinctive arrhythmias and/or reduced breath-hold capabilities. In addition, TRASSI is better suited for high field MR examinations than corresponding bSSFPbased methods such as MOLLI. This is because TRASSI is a gradient echo-based imaging method and thus it has a lower specific absorption rate. Gradient echo-based sequences are also generally less sensitive to susceptibility artifacts and thus interferences caused by metallic implants of correspondent patients show less negative effects on image quality. In the current work an exact T1-thermometry sequence as well as a very fast and accurate cardiac T1-mapping method was presented. For future work, it is desirable to combine these two sequences and their mechanisms to be able to perform accurate temperature quantification in the beating heart. This would be on the one hand beneficial for MR-safety examinations of pacemaker electrodes in vivo, and on the other hand allow for a direct control of success during catheter ablation. Hence, a catheter ablation procedure could be performed with greatly increased spatial accuracy due to precise localization of heat development in the myocardium. Consequently, the safety and outcomes especially in complex ablations could be increased. In a first publication it could be already shown that MR-guided catheter ablation has the potential to increase procedural success in the future. This interventional technique could potentially be further improved by implementation of a real-time temperature visualization using TRASSI. In summary, two new T1-quantification methods have been developed and presented in this work, which can be reliably applied in clinical practice and which are expected to allow for new non-invasive diagnostic possibilities. The implemented sequences allow on the one hand exact temperature quantification in the myocardium and on the other hand accurate cardiac T1-mapping. Both methods promise robust and reproducible results, so that they are expected to find the way into clinical routine, helping in diagnosis and treatment of various heart diseases in the near future.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2008--Darmstadt.

Konvektions- und Erstarrungsvorgänge sind sowohl in natürlichen als auch in technischen Prozessen von grundlegender Bedeutung und stehen dabei miteinander in komplexer Wechselwirkung. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus, mit dem sich vielfältige Formen dendritischer Erstarrung und thermosolutaler Konvektion in optisch transparenten Materialsystemen initiieren lassen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Implementierung optischer Messtechnik und automatisierter Bildauswertung. Die hier entwickelte komplexe Bildverarbeitung erlaubt die simultane Anwendung verschiedener Verfahren der Strömungs- und Temperaturmessung: Eine automatisierte Bildsegmentierung quantifiziert unterschiedliche Feststofffraktionen; mittels Lagrangian Particle Tracking (LPT) werden die Trajektorien frei beweglicher Kristalle bestimmt und Particle Image Velocimetry/Thermometry (PIV/T) misst Strömungs- und Temperaturfeld im Fluid. Für die simultane Verwendung dieser Verfahren unter Minimierung von Quereffekten stellt die vorliegende Arbeit eine Reihe von Erweiterungen und Neuentwicklungen oben genannter Standardverfahren vor: Mit dem neuartigen Ansatz des Spectral Random Masking kann das Geschwindigkeitsfeld einer (unmaskierten) Teilchenfraktion (PIV-Tracer) ohne den Einfluss einer zweiten (maskierten) Teilchenfraktion (Blasen oder Feststoffpartikel) bestimmt werden. Dieser neuartige Algorithmus maskiert entsprechende Bildbereiche mittels zufälliger Intensitätsmuster und vermeidet so Probleme herkömmlicher Verfahren. Die Verwendung von Thermochromic Liquid Crystal (TLC)-Partikeln als Strömungstracer ermöglicht zusätzlich zur Particle Image Velocimetry (PIV) die Visualisierung des Temperaturfeldes mittels Liquid Crystal Thermometry (LCT). Um dabei genaue quantitative Messungen bei Anwesenheit mehrerer Feststofffraktionen zu erreichen, wurde eine neue Methode der Farbinterpolation entwickelt. Diese generiert RGB-Bilder, welche nur die Färbung der TLC-Partikel repräsentieren. Die anschließende Verarbeitung von RGB-Tripeln und räumlichen Farbabhängigkeiten durch ein künstliches neuronales Netz (KNN) ermöglicht es, verlässliche globale Temperaturfelder zu bestimmen. Die Kombination dieses KNN-Systems mit einem entsprechenden Kalibrierverfahren verbessert dabei die Genauigkeit und den messbaren Temperaturbereich der Liquid Crystal Thermometry (LCT) im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Mit dem hier etablierten experimentellen Aufbau und Messschema können quantitative globale Studien zur gegenseitigen Beeinflussung von Erstarrung und Strömung unter simultaner Betrachtung verschiedener Feldgrößen durchgeführt werden. Damit ist ein tieferes Verständnis der komplexen physikalischen Vorgänge möglich. Die vorliegende Arbeit demonstriert dies anhand einer experimentellen Studie über die doppelt-diffusive Konvektion während der Kristallisation einer wässrigen Ammoniumchloridlösung NH4Cl(aq).:Zusammenfassung Danksagung 1. Einleitung 2. Physikalische Grundlagen 2.1. Konvektion 2.1.1. Freie thermische Konvektion 2.1.2. Doppelt-diffusive Konvektion 2.2. Erstarrung 2.3. Wechselwirkung zwischen Erstarrung und Strömung 3. Methoden der bildgebenden optischen Messtechnik 3.1. Digitale Bildverarbeitung 3.2. Optische Strömungsmessung 3.2.1. Particle Image Velocimetry 3.2.2. Lagrangian Particle Tracking 3.3. Liquid Crystal Thermometry 3.3.1. Farbkalibrierung 3.3.2. Simultane Temperatur- und Strömungsmessung 3.4. Bisheriger Einsatz optischer Messtechniken für Erstarrungsexperimente 4. Experimenteller Aufbau 4.1. Ammoniumchlorid als transparentes Modellsystem 4.2. Messzelle 4.3. Labortechnik 4.3.1. Temperaturmesstechnik 4.3.2. Temperaturregelung 4.3.3. Temperaturregime und experimenteller Ablauf 4.4. Bildgebung 4.4.1. Laser-Lichtschnittverfahren 4.4.2. Durchlichtverfahren 4.4.3. LED-Lichtschnittverfahren 4.4.4. Kombinationsmöglichkeiten und Einsatz der Bildgebungsverfahren 5. Implementierung und Weiterentwicklung der digitalen Bildverarbeitung 5.1. Detektion und Quantifizierung verschiedener Feststofffraktionen 5.1.1. Bildsegmentierung 5.1.1.1. Statische Hintergrundmaskierung 5.1.1.2. Dynamische Segmentierung 5.1.2. Bestimmung der Feststoffanteile 5.1.3. Quantifizierung der Bewegung der äquiaxialen Kristalle 5.2. Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes der kontinuierlichen Phase 5.2.1. Spectral Random Masking 5.2.2. PIV-Analyse der kontinuierlichen Phase 5.3. Messung des Temperaturfeldes der kontinuierlichen Phase 5.3.1. Farbinterpolation mittels maskierter Faltung 5.3.2. Kalibrierung der Liquid Crystal Thermometry 5.3.2.1. Bestimmung des Farbspiels der TLC-Partikel 5.3.2.2. Temperaturmessung mittels künstlicher neuronaler Netze 5.3.3. Anwendung und Genauigkeit der Temperaturmessung 5.4. Simultane Quantifizierung von Erstarrung, Strömung und Temperatur 6. Demonstration der Messtechnik anhand ausgewählter Experimente 6.1. Analyse globaler Merkmale der Erstarrungsexperimente 6.1.1. Entwicklung verschiedener Konvektionsregime 6.1.2. Wachstum verschiedener Kristallfraktionen 6.2. Bedingungen lokaler äquiaxialer Erstarrung 6.2.1. Äquiaxiales Kristallwachstum infolge lokaler Unterkühlung 6.2.2. Nukleation äquiaxialer Kristalle durch kolumnares Kristallwachstum 6.3. Erkenntnisgewinn und Möglichkeiten der Experimente 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Bewertung des experimentellen Aufbaus und der entwickelten Messtechnik 7.2. Optimierungsmöglichkeiten der Messtechnik 7.3. Möglichkeiten und Bedeutung zukünftiger experimenteller Untersuchungen A. Technische Zeichnungen B. Materialeigenschaften der verwendeten NH4 Cl-Lösungen C. Weiterführende Details der Temperaturmessung und -regelung C.1. Kalibrierung der Thermoelemente C.2. Kalibrierung der Thermistoren C.3. Entwicklung und Einrichtung eines Peltier-Luftkühlers D. Weiterführende Details und Illustrationen der entwickelten Bildverarbeitung D.1. Verwendete Python Bibliotheken D.2. Signalflussplan des Spectral Random Masking D.3. Particle Image Velocimetry/Thermometry D.4. Empfindlichkeitsanalyse des künstlichen neuronalen Netzes D.5. Abschätzung der Genauigkeit der LCT während der Experimente E. Erstarrungsexperimente E.1. Lichtschnittbeleuchtung E.1.1. Thermisch stabile Schichtung E.1.2. Thermisch instabile Schichtung E.1.3. Thermisch neutrale Schichtung E.2. Hintergrundbeleuchtung und doppelwandiger Behälter E.2.1. Thermisch stabile Schichtung E.2.2. Thermisch instabile Schichtung Symbolverzeichnis Indexverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Literatur Selbstständigkeitserklärung / Convection and solidification processes are of fundamental importance in both natural and technical processes and are subject to complex interaction. The present work presents the development of an experimental setup to initiate various forms of dendritic solidification and thermosolutal convection in optically transparent material systems. Special attention is given to the implementation of optical measurement techniques and automated image processing. The complex image processing developed here allows the simultaneous application of different methods for flow and temperature measurement: An automated image segmentation quantifies different solid fractions; with Lagrangian Particle Tracking (LPT) the trajectories of free moving crystals are determined and Particle Image Velocimetry/Thermometry (PIV/T) measures flow and temperature field in the fluid. For the simultaneous use of these methods while minimizing cross-effects, this thesis illustrates a number of extensions and new developments of the above mentioned standard methods: With the novel approach of Spectral Random Masking the velocity field of an unmasked particle fraction (PIV tracer) can be determined without the influence of a second (masked) particle fraction (bubbles or solid particles). This novel algorithm masks corresponding image areas by random intensity patterns and thus avoids typical problems of conventional methods. The use of Thermochromic Liquid Crystal (TLC) particles as flow tracers enables the visualization of the temperature field by Liquid Crystal Thermometry (LCT) in addition to flow measurements by Particle Image Velocimetry (PIV). To achieve accurate quantitative measurements in the presence of several solid fractions, a new method of color interpolation was developed. This method generates RGB-images, which only represent the coloration of the TLC particles. The subsequent processing of RGB triples and spatial color dependencies using an artificial neural network (ANN) allows to determine reliable global temperature fields. The combination of this ANN system with a corresponding calibration procedure improves the accuracy and measurable temperature range of the LCT compared to conventional methods. With the experimental setup and measurement scheme established here, quantitative global studies on the mutual influence of solidification and flow can be performed under simultaneous consideration of different physical quantities. Compared to previous studies, this allows a deeper understanding of the complex physical processes. The present work demonstrates this with an experimental study of double diffusive convection during crystallization of an aqueous ammonium chloride solution NH4Cl(aq).:Zusammenfassung Danksagung 1. Einleitung 2. Physikalische Grundlagen 2.1. Konvektion 2.1.1. Freie thermische Konvektion 2.1.2. Doppelt-diffusive Konvektion 2.2. Erstarrung 2.3. Wechselwirkung zwischen Erstarrung und Strömung 3. Methoden der bildgebenden optischen Messtechnik 3.1. Digitale Bildverarbeitung 3.2. Optische Strömungsmessung 3.2.1. Particle Image Velocimetry 3.2.2. Lagrangian Particle Tracking 3.3. Liquid Crystal Thermometry 3.3.1. Farbkalibrierung 3.3.2. Simultane Temperatur- und Strömungsmessung 3.4. Bisheriger Einsatz optischer Messtechniken für Erstarrungsexperimente 4. Experimenteller Aufbau 4.1. Ammoniumchlorid als transparentes Modellsystem 4.2. Messzelle 4.3. Labortechnik 4.3.1. Temperaturmesstechnik 4.3.2. Temperaturregelung 4.3.3. Temperaturregime und experimenteller Ablauf 4.4. Bildgebung 4.4.1. Laser-Lichtschnittverfahren 4.4.2. Durchlichtverfahren 4.4.3. LED-Lichtschnittverfahren 4.4.4. Kombinationsmöglichkeiten und Einsatz der Bildgebungsverfahren 5. Implementierung und Weiterentwicklung der digitalen Bildverarbeitung 5.1. Detektion und Quantifizierung verschiedener Feststofffraktionen 5.1.1. Bildsegmentierung 5.1.1.1. Statische Hintergrundmaskierung 5.1.1.2. Dynamische Segmentierung 5.1.2. Bestimmung der Feststoffanteile 5.1.3. Quantifizierung der Bewegung der äquiaxialen Kristalle 5.2. Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes der kontinuierlichen Phase 5.2.1. Spectral Random Masking 5.2.2. PIV-Analyse der kontinuierlichen Phase 5.3. Messung des Temperaturfeldes der kontinuierlichen Phase 5.3.1. Farbinterpolation mittels maskierter Faltung 5.3.2. Kalibrierung der Liquid Crystal Thermometry 5.3.2.1. Bestimmung des Farbspiels der TLC-Partikel 5.3.2.2. Temperaturmessung mittels künstlicher neuronaler Netze 5.3.3. Anwendung und Genauigkeit der Temperaturmessung 5.4. Simultane Quantifizierung von Erstarrung, Strömung und Temperatur 6. Demonstration der Messtechnik anhand ausgewählter Experimente 6.1. Analyse globaler Merkmale der Erstarrungsexperimente 6.1.1. Entwicklung verschiedener Konvektionsregime 6.1.2. Wachstum verschiedener Kristallfraktionen 6.2. Bedingungen lokaler äquiaxialer Erstarrung 6.2.1. Äquiaxiales Kristallwachstum infolge lokaler Unterkühlung 6.2.2. Nukleation äquiaxialer Kristalle durch kolumnares Kristallwachstum 6.3. Erkenntnisgewinn und Möglichkeiten der Experimente 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Bewertung des experimentellen Aufbaus und der entwickelten Messtechnik 7.2. Optimierungsmöglichkeiten der Messtechnik 7.3. Möglichkeiten und Bedeutung zukünftiger experimenteller Untersuchungen A. Technische Zeichnungen B. Materialeigenschaften der verwendeten NH4 Cl-Lösungen C. Weiterführende Details der Temperaturmessung und -regelung C.1. Kalibrierung der Thermoelemente C.2. Kalibrierung der Thermistoren C.3. Entwicklung und Einrichtung eines Peltier-Luftkühlers D. Weiterführende Details und Illustrationen der entwickelten Bildverarbeitung D.1. Verwendete Python Bibliotheken D.2. Signalflussplan des Spectral Random Masking D.3. Particle Image Velocimetry/Thermometry D.4. Empfindlichkeitsanalyse des künstlichen neuronalen Netzes D.5. Abschätzung der Genauigkeit der LCT während der Experimente E. Erstarrungsexperimente E.1. Lichtschnittbeleuchtung E.1.1. Thermisch stabile Schichtung E.1.2. Thermisch instabile Schichtung E.1.3. Thermisch neutrale Schichtung E.2. Hintergrundbeleuchtung und doppelwandiger Behälter E.2.1. Thermisch stabile Schichtung E.2.2. Thermisch instabile Schichtung Symbolverzeichnis Indexverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Literatur Selbstständigkeitserklärung

Le satellite Planck, dont le lancement est prévu en 2007, constituera la troisième génération d'instruments dédiés à l'observation de l'anisotropie du corps noir cosmologique, avec une sensibilité environ 600 fois meilleure que COBE. C'est grâce à l'évolution des technologies instrumentales au niveau des détecteurs bolométriques, de la cryogénie et de l'électronique à faible bruit que cette avancée considérable est possible. Une mesure aussi sensible demande la maîtrise de plusieurs aspects intimement liés: l'acquisition de signaux bas niveau, la production et la maîtrise des basses températures, le contrôle du rayonnement parasite et la stabilité de la mesure. Ce mémoire traite des relations entre ces différents aspects mais aussi des avancées technologiques auxquelles j'ai contribué dans chacun de ces domaines. Les deux premiers chapitres sont consacrés à la description d'une part du contexte scientifique et d'autre part du satellite Planck et de l'instrument HFI (High Frequency Instrument). Le troisième chapitre expose la mise au point et l'utilisation du cryostat Symbol qui m'a permis de tester et de valider des solutions techniques pour HFI. Le quatrième chapitre concerne la chaîne de détection bolométrique et le développement d'un système symétrique pour HFI. Le problème de la lumière parasite est traité en chapitre 5 et conduit aux spécifications de stabilité de température des différents étages de Planck-HFI. Ceci m'a ammené à étudier les solutions technologiques permettant d'atteindre ces spécifications au niveau de l'étage 100mK supportant les bolomètres, sujet traité en chapitre 6, alors que le chapitre 7 est consacré à la thermométrie HFI du point de vue de la sensibilité et de la précision. Enfin, le dernier chapitre montre comment ces progrès instrumentaux rendent possible la détection par Planck-HFI de l'effet dipolaire dans le Fond Diffus Extragalactique Sub-millimétrique (FDES) provenant de l'émission intégrée des galaxies qui ne sont pas résolues.

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Thermoablationsverfahren werden in der klinischen Routine zur Therapie bei Patienten mit primären Lebertumoren und Lebermetastasen eingesetzt, bei denen von einer Operation abgesehen wird. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) ist ein minimal invasives radiologisches Verfahren zur perkutanen Tumorablation. Mit der Magnetresonanztomographie (MRT) am Hochfeldtomographen (1.5 Tesla) steht eine radiologische Methode mit der Option einer präzisen Prozesskontrolle der Thermoablation und einer suffizienten Erfolgskontrolle zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe zu erproben, das Potenzial der MRT für die Prozesskontrolle der LITT am Pankreas zu bestimmen und neue MRT-Sequenzen mit neuen Kontrastmitteln für die Optimierung der Erfolgskontrolle zu erforschen. Die LITT am Pankreas im Rahmen einer Pilotstudie an 15 Läuferschweinen war perkutan komplikationsarm durchführbar, generalisierte Pankreatitiden oder Blutungen traten nicht auf. Die qualitative Prozessbeobachtung mittels thermosensitiver Sequenzen zeigte eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentierten Thermoeffekten und histopathologisch verifizierten thermisch induzierten Nekrosen. Die Untersuchung und invasive Kalibrierung verschiedener Messmethoden in vivo zur quantitativen MRT-Thermometrie ergab Vorteile für den Einsatz der Protonenresonanzfrequenz-Methode. Zur Optimierung der Erfolgskontrolle nach LITT von Lebergewebe im Tierexperiment sowie klinisch bei Lebermetastasen wurden die MRT-Kontrastmittel Gadomesoporphyrin, Eisenoxid und Gadobutrol erprobt. Mittels Spätaufnahmen 6 - 18 h post injectionem wurden mit Gadobutrol thermisch induzierte Nekrosen präzise visualisiert. / Thermoablation of primary liver tumors and liver metastases is widely used in patients without surgical options. The laser-induced thermotherapy (LITT) is a minimal invasive radiologic procedure for percutaneous tumor ablation. With high field magnetic resonance imaging at 1.5, monitoring of thermoablation and visualization of thermal induced ablation zones can be performed precisely. Aim of this work was to investigate the feasibility of MR-guided LITT of pancreatic tissue and to optimise the contrast between thermal induced lesions, residual tumor and normal tissue after LITT procedure. MR-guided LITT was feasible in 15 female pigs, generalized pancreatitis or bleeding did not occur. MR monitoring by thermosensitive sequences precisely visualized thermal induced ablation zones verified by histopathologic examination. Best results of MR thermometry (thermo-mapping) were obtained by proton resonance frequency method. Gadolinum- mesoporphyrine, superparamagnetic iron oxides (SPIO) and gadobutrol were used to optimise ablation control. Late enhanced imaging 6 - 18 hours after injection of gadobutrol precisely visualized thermal induced necrosis. In conclusion, percutaneous MR guided LITT of pancreatic tissue of female pigs was feasible and monitoring of thermoablation could be performed accurately. In contrast to other imaging methods, MR using new contrast agents enables accurate visualization of thermal induced necrosis.

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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.