Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung und Umsetzung von Verfahren, mit denen die Durchblutung des menschlichen Herzmuskels quantitativ bestimmt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu zwei Ansätze verfolgt, das kontrastmittelfreie Spin-Labeling Verfahren und die kontrastmittelgestützte First-Pass Messung / The goal of this dissertation was the developement and implementation of methods to quantify the microcirculation of the human heart. To this end, two approaches were investigated, a contrast agent free spin-labeling technique, and a contrast agent based First-Pass technique.

Neisseria meningitidis ist eine der führenden Ursachen von Morbidität und Mortalität sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen. Die Typisierung ist die Grundlage für die epidemiologische Überwachung der Erkrankung durch Meningokokken. Die Endonuklease NmeDI ist spezifisch für die klonalen Linien des ST-8 und ST-11 Komplex Meninkokken, die mit Erkrankungen der Serogruppe C assoziiert sind. Deshalb wurde für die rasche Identifizierung von Stämmen dieser Linien ein monoklonaler Antikörper entwickelt. Der Antikörper erkennt spezifisch die ST-8 und ST-11 Komplex Meningokokken in Western-Blot und Dot-Blot. Er wird mitlerweile routinemäßig im Nationalen Referenzzentrum für Meningokokken zur Identifizierung der Linien ohne zusätzliche Anwendung der Multilokus Sequenz Typisierung (MLST) eingesetzt. / Neisseria meningitidis is a leading cause of morbidity and mortality in children and adolescents. Typing is essential for epidemiological surveillance of meningococcal disease. The endonuclease NmeDI is specific to the clonal lineages ST-8 and ST-11 complex associated with serogroup C disease. Therefore, a monoclonal antibody was developed for rapid identification of strains belonging to these lineages. The antibody specifically recognized ST-8 and ST-11 complex meningococci in Western blots and dot blots. It is now routinely used at the German National reference centre for meningococci for presumptive identification of the lineages without multilocus sequence typing.

This thesis investigated the potential of Compressed Sensing (CS) applied to Magnetic Resonance Imaging (MRI). CS is a novel image reconstruction method that emerged from the field of information theory. The framework of CS was first published in technical reports in 2004 by Candès and Donoho. Two years later, the theory of CS was published in a conference abstract and two papers. Candès and Donoho proved that it is possible, with overwhelming probability, to reconstruct a noise-free sparse signal from incomplete frequency samples (e.g., Fourier coefficients). Hereby, it is assumed a priori that the desired signal for reconstruction is sparse. A signal is considered “sparse“ when the number of non-zero elements is significantly smaller than the number of all elements. Sparsity is the most important foundation of CS. When an ideal noise-free signal with few non-zero elements is given, it should be understandably possible to obtain the relevant information from fewer Fourier coefficients than dictated by the Nyquist-Shannon criterion. The theory of CS is based on noise-free sparse signals. As soon as noise is introduced, no exact sparsity can be specified since all elements have signal intensities that are non-zero. However, with the addition of little or moderate noise, an approximate sparsity that can be exploited using the CS framework will still be given. The ability to reconstruct noisy undersampled sparse MRI data using CS has been extensively demonstrated. Although most MR datasets are not sparse in image space, they can be efficiently sparsified by a sparsifying transform. In this thesis, the data are either sparse in the image domain, after Discrete Gradient transformation, or after subtraction of a temporally averaged dataset from the data to be reconstructed (dynamic imaging). The aim of this thesis was to identify possible applications of CS to MRI. Two different algorithms were considered for reconstructing the undersampled sparse data with the CS concept. The Nonlinear Conjugate Gradient based technique with a relaxed data consistency constraint as suggested by Lustig et al. is termed Relaxed DC method. An alternative represents the Gradient or Steepest Descent algorithm with strict data consistency and is, therefore, termed the Strict DC method. Chapter 3 presents simulations illustrating which of these two reconstruction algorithms is best suited to recover undersampled sparse MR datasets. The results lead to the decision for the Strict DC method as reconstruction technique in this thesis. After these simulations, different applications and extensions of CS are demonstrated. Chapter 4 shows how CS benefits spectroscopic 19F imaging at 7 T, allowing a significant reduction of measurement times during in vivo experiments. Furthermore, it allows highly resolved spectroscopic 3D imaging in acceptable measurement times for in vivo applications. Chapter 5 introduces an extension of the Strict DC method called CS-CC (CS on Combined Coils), which allows efficient processing of sparse undersampled multi-coil data. It takes advantage of a concept named “Joint Sparsity“, which exploits the fact that all channels of a coil array detect the same sparse object weighted with the coil sensitivity profiles. The practical use of this new algorithm is demonstrated in dynamic radial cardiac imaging. Accurate reconstructions of cardiac motion in free breathing without ECG triggering were obtained for high undersampling factors. An Iterative GRAPPA algorithm is introduced in Chapter 6 that can recover undersampled data from arbitrary (Non-Cartesian) trajectories and works solely in the Cartesian plane. This characteristic makes the proposed Iterative GRAPPA computationally more efficient than SPIRiT. Iterative GRAPPA was developed in a preceding step to combine parallel imaging with CS. Optimal parameters for Iterative GRAPPA (e.g. number of iterations, GRAPPA kernel size) were determined in phantom experiments and verified by retrospectively undersampling and reconstructing a radial cardiac cine dataset. The synergistic combination of the coil-by-coil Strict DC CS method and Iterative GRAPPA called CS-GRAPPA is presented in Chapter 7. CS-GRAPPA allows accurate reconstruction of undersampled data from even higher acceleration factors than each individual method. It is a formulation equivalent to L1-SPIRiT but computationally more efficient. Additionally, a comparison with CS-CC is given. Interestingly, exploiting joint sparsity in CS-CC is slightly more efficient than the proposed CS-GRAPPA, a hybrid of parallel imaging and CS. The last chapter of this thesis concludes the findings presented in this dissertation. Future applications expected to benefit from CS are discussed and possible synergistic combinations with other existing MR methodologies for accelerated imaging are also contemplated. / In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welches Potential die Anwendung von Compressed Sensing (CS) in der Magnetresonanztomographie (MRT) hat. CS ist eine neue Bildrekonstruktionsmethode aus der Informationstheorie. Das Grundgerüst für CS wurde zuerst in zwei technischen Berichten von Candès und Donoho aus dem Jahr 2004 vorgestellt. Zwei Jahre später wurde die CS-Theorie in einem Konferenzbeitrag und zwei wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht. Candés und Donoho zeigten, dass es mit überwältigender Wahrscheinlichkeit möglich ist, ein rauschfreies sparses Signal aus unvollständig vorliegender Frequenzinformation zu rekonstruieren. Hierfür ist eine wichtige A-priori-Annahme, dass das gewünschte Signal, welches rekonstruiert werden soll, sparse sein soll. Man spricht von sparsen Signalen, falls die Anzahl der Elemente mit Intensität größer Null signifikant kleiner als die Anzahl aller Elemente ist. Die CS-Theorie basiert auf rauschfreien, sparsen Signalen. Sobald Rauschen auftritt, kann keine exakte Sparsity mehr bestimmt werden, da alle Elemente Signalintensitäten größer Null haben. Falls jedoch nur wenig oder moderates Rauschen hinzugefügt wird ist immer noch näherungsweise eine Sparsity gegeben, die mit Hilfe von CS ausgenutzt werden kann. Die meisten MR-Datensätze sind nicht-sparse im Bildraum, können allerdings durch eine sog. Sparsifizierungstransformation effektiv sparsifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit sind die Daten entweder im Bildraum sparse, nach einer Diskreten-Gradienten-Transformation oder nachdem bei dynamischen Daten ein zeitlich gemittelter Datensatz von den zu rekonstruierenden Daten abgezogen worden ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, mögliche Anwendungen für CS in der MRT zu identifizieren. Zwei unterschiedliche Algorithmen wurden untersucht, um unterabgetastete sparse Daten mit dem CS-Konzept zu rekonstruieren. Eine Technik, die auf einer Nichtlinearen Methode der Konjugierten Gradienten basiert und eine gelockerte Datenkonsistenzbedingung beinhaltet, wird als Relaxed DC-Methode bezeichnet. Eine Alternative stellt der Gradienten- oder Steilster-Abstieg-Algorithmus dar, der strikte Datenkonsistenz fordert und daher als Strict-DC-Methode bezeichnet wird. Kapitel 3 zeigt Simulationen, die darlegen, dass die Strict-DC-Methode am besten zur Datenrekonstruktion in dieser Arbeit geeignet ist. Kapitel 4 zeigt, in wie fern die spektroskopische 19F-Bildgebung bei 7 T von CS profitieren kann, indem CS eine signifikante Reduktion der Messzeiten bei in vivo Experimenten erlaubt. Desweiteren ermöglicht CS hochaufgelöste spektroskopische 3D-Bildgebung in akzeptablen Messzeiten für in vivo Anwendungen. Kapitel 5 führt eine Erweiterung der Strict-DC-Methode ein, die CS-CC genannt wird, welche eine effiziente Bearbeitung von sparsen unterabgetasteten Multi-Empfänger-Datensätzen erlaubt. Hierbei profitiert CS-CC von einem Konzept namens "Joint Sparsity", welches ausnutzt, dass alle Empfangskanäle eines Spulenarrays dasselbe sparse Objekt detektieren, jeweils gewichtet mit den entsprechenden Spulensensitivitätsprofilen. Der praktische Nutzen dieses neuen Algorithmus wird an einem dynamischen radialen Herzdatensatz verdeutlicht. Akkurate Rekonstruktionen der Herzbewegung in freier Atmung und ohne EKG-Trigger konnten bei hohen Unterabtastfaktoren erreicht werden. Ein Iterativer-GRAPPA-Algorithmus, der unterabgetastete Daten beliebiger (nicht-kartesischer) Trajektorien rekonstruieren kann und ausschließlich auf einem kartesischen Gitter arbeitet, wird in Kapitel 6 vorgestellt. Das vorgeschlagene Iterative GRAPPA ist vom Rechenaufwand her effizienter als SPIRiT und wurde als ein vorhergehender Schritt zur Kombination von Paralleler Bildgebung und Compressed Sensing entwickelt. Optimale Parameter für Iteratives GRAPPA (z.B. Anzahl an Iterationen, GRAPPA-Kern-Größe) wurden in Phantom-Experimenten bestimmt und mittels Rekonstruktionen an einem retrospektiv unterabgetasteten radialen Herzdatensatz verifiziert. Die synergetische Kombination der spulenweise angewendeten Strict-DC-Methode und Iterativem GRAPPA genannt CS-GRAPPA wird in Kapitel 7 präsentiert. CS-GRAPPA erlaubt akkurate Rekonstruktionen unterabgetasteter Daten von höheren Beschleunigungsfaktoren, als mit den jeweiligen Einzelmethoden möglich gewesen wäre. Die Formulierung ist äquivalent zu L1-SPIRiT, allerdings vom Rechenaufwand effizienter. Es wurde zusätzlich ein Vergleich zu CS-CC durchgeführt. Interessanterweise hat sich gezeigt, dass das Ausnutzen der Joint Sparsity in CS-CC etwas effizienter ist als das vorgeschlagene CS-GRAPPA, das ein Hybrid aus Compressed Sensing und Paralleler Bildgebung ist. Im abschließenden Kapitel dieser Dissertation werden die Ergebnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen daraus gezogen. Zukünftige Anwendungen werden diskutiert, die von CS profitieren und mögliche synergetische Kombinationen mit anderen existierenden MR-Methoden für beschleunigte Bildgebung werden angesprochen.

Diese prospektive radiologisch-klinische Studie vergleicht die Eignung dreier anatomischer Strukturen (Sehne des M. tibialis ant., Tibiavorderkante und Intermetatarsal-raum I) als intraoperative Landmarke bei der Implantation der Tibia-Komponente eines bikondylären Oberflächenersatzes mit einer mobilen Gleitlage. Eine möglichst genaue mechanische Achsausrichtung trägt laut Fachliteratur nicht nur zur langen Standzeit des Implantats bei, sondern führt auch zu einer früheren Rehabilitation und somit zu besserer klinischer Funktion des operierten Knies. Im Rahmen der Studie wurden insgesamt 29 Patienten rekrutiert, die zur Implantation einer LCS® Prothese (DePuy, Warsawa, USA) anstanden. Das Studiendesign beinhaltete eine präoperative Body Mass Index und Knee Score Bestimmung, eine Ganzbeinstandaufnahme und eine 3D-MRT-Bildanalyse. Die präoperative Achseinteilung ergab einen Varuswinkel (Tibiofemoral-Winkel <3 Grad) bei 16 Patienten, einen physikalischen Winkel bei neun Patienten und einen Valguswinkel bei vier Patienten. In der 3D-Bildanalyse wurde die Lage der drei oben genannten Strukturen zu einer virtuellen kernspintomographisch darstellbaren mechanischen Achse verglichen. Diese Analyse zeigt, dass die Sehne des M. tibialis ant. im Mittel die ideale Implantationsachse am ehesten reflektiert (Abstand zur idealen Achse: -1,66 +/-5,73mm), gefolgt von der Tibiavorderkante (-1,87 +/-2,58mm; p=0,859) und dem Intermetatarsalraum I (3,01 +/-8,48mm; p= 0,006). Insgesamt weist die Sehne des M. tibialis ant. die besten Eigenschaften als Landmarke auf, da sie den durchschnittlich kleinsten Abstand zur idealen Implantationsachse bei vergleichsweise geringer Streuung und hoher Intra-Beobachter-Reliabilität zeigt. Eine Ausnahme bilden Patienten mit starker Varusstellung in der präoperativen Beinachse. Die differenzierte Analyse in Abhängigkeit der präoperativen Beinachse legt nahe, dass hier die Tibiavorderkante aufgrund ihrer geringen Streuung im Abstand zur idealen Implantationsachse als Landmarke vorzuziehen ist, obwohl sie eine niedrigere Intra-Beobachter-Reliabilität als die Sehne des M. tibialis ant. hat. / This prospective radiological-clinical study compares the suitability of three anatomical structures as intraoperative landmarks for the implantation of the tibial component in total knee replacement using bicondylar knee prosthesis with a mobile bearing system: Tendon of the tibialis anterior muscle, anterior edge of the tibia, first intermetatarsal space. According to previous research, a high level of precision in the reconstruction of mechanical alignment will not only contribute to a long life span of the implant, but also enable a quicker rehabilitation and thus a better clinical function of the prosthesis. In this research project, 29 patients awaiting treatment by total knee arthroplasty using the LCS Mobile-Bearing Knee System®, were recruited. In the course of the study, the following data was collected: a preoperative body mass index, clinical knee score, X-Ray a.p. lateral view single leg with patient standing and 3D-MRI analysis of the lower extremity. The recruited patients were then divided into three subgroups for statistical analysis according to their preoperative anatomical alignment: 16 patients with varus knees, 9 patients with physiological knees, 4 patients with valgus knees. In the 3D-MRI analysis, the positions of the three anatomical structures named above were compared to a virtually reconstructed mechanical axis. The analysis demonstrates that the position of the tendon of the tibialis anterior muscle reflects most closely the ideal implantation axis (Distance to mechanical axis: -1,66 +/-5,73mm), followed by the anterior edge of the tibia (-1,87 +/-2,58mm; p=0,859) and the first intermetatarsal space (3,01 +/-8,48mm; p= 0,006). The study concludes that the tendon of tibialis anterior muscle should be considered the best suitable structure of implantation of the tibial component. This is because it is characterized by the shortest mean distance from the mechanical axis, the least spread in the statistical data and high intra-observer reliability. However, the subgroup of patients with distinct varus deformity appears to be an exception. The differentiated analysis that takes the preoperative anatomical alignment into account reveals that the anterior edge of the tibia may be better suited as intraoperative landmark. This structure offers a low spread for this patient group, although its intra-observer reliability is lower than that of the tendon of the tibialis anterior muscle.

Die Myokardausdehnung wird als neuer Parameter der Infarktanatomie eingeführt. Dessen Entwicklung über die Zeit korreliert in hohem Maße mit der Entwicklung des enddiastolischen Volumens. Beide gemeinsam, die Myokardausdehnung und die Infarktausdehnung, bestimmen die Entwicklung des enddiastolischen Volumens im Laufe des linksventrikulären Remodellings nach Myokardinfarkt. Neben den bekannten verschiedenen Formen der Dilatation des linken Ventrikels kommt es bei zahlreichen Patienten auch zu einem Rückgang des enddiastolischen Volumens im Verlauf des Remodellings. / Anatomy of myocardial infarction and the development of enddiastolic volume can be illustrated in by comparing remote extent und infarct extent during remodeling. Expansion of infarcted and remote myocardium following myocardial infarction may be viewed as variable repair and compensatory mechanisms, that are independent of each other. There is not only dilatation of left ventricular volume but also shrinking.

Intrazerebrale stereotaktische Eingriffe werden zu einem großen Teil ohne direkte Sichtkontrolle durchgeführt. Ein Operateur muss sich deshalb bei der räumlichen Festlegung von Strukturen und beim Anfahren dieser Strukturen auf Hilfsmittel wie stereotaktische Geräte und auf Atlanten, über welche die stereotaktischen Geräte gesteuert werden, verlassen. Trotz großer Fortschritte bei den bildgebenden Verfahren während der letzten dreißig Jahre, ist es gegenwärtig noch nicht möglich, zuverlässig alle subkortikalen Strukturen mit computertomographischen (CT) oder magnetresonanztomographischen (MRT) zu identifizieren oder begrenzen. Eine ganze Reihe zytoarchitektonischer beziehungsweise immunhistochemischer Atlanten wurde veröffentlicht. Dennoch ist es nicht gelungen, die Ergebnisse und Abbildungen dieser Atlanten mit bildgebenden Verfahren bis in die gewünschten Details zu kombinieren, um auf diese Weise das immer noch geringe Auflösungsvermögen radiologischer Methoden zu erhöhen. Deformationen bei der Gewebsentnahme des Gehirns, bei der anschließenden Einbettung, bei der alkoholischen Dehydrierung des Gewebes, Verformungen beim Schneiden und Färben der Schnitte überfordern selbst hoch komplexe mathematische Verfahren und Algorithmen beim Versuch, zytoarchitektonische und immunhistochemische Schnitte mit der gewünschten Präzision den radiologischen Ergebnissen und Bildern und damit indirekt auch den Verhältnissen in vivo anzupassen. Als Alternative verwendeten wir ungewöhnlich dicke (350 – 440 µm) Gallozyanin- (Nissl) gefärbte Serienschnitte durch die Gehirne (ZNS) von drei Personen im Alter von 56, 68 und 36 Jahren. Bei einem Fall wurde das ZNS post mortem mit einem Kernspintomographen vor der Entnahme gescannt. Die Serienschnitte durch dieses Gehirn und das eines zweiten und dritten nicht-gescannten Falles wurden mit Gallozyanin gefärbt, die zytoarchitektonischen Grenzen des Thalamuskomplexes und seiner Unterkerne wurden nach Hassler (1982) identifiziert, jede ihrer Grenzen mit dem Cursor eines Graphiktabletts umfahren und die Gestalt des Thalamuskomplexes und seiner Unterkerne mit Hilfe von Photoshop CS5® und eines computergestützten 3D-Rekonstruktionsprogramms (Amira®) dargestellt. Im Fall 3 ließen sich nach Dunkelfeldbeleuchten die Verteilung markhaltiger Fasern studieren und die zytoarchitektonischen mit myeloarchitektonischen Befunden erweitern und ergänzen. Zusätzlich konnten im Fall 1 die histologischen Serienschnitte und ihre 3D Rekonstruktion mit dem post mortem in cranio MRT registriert werden. Insgesamt kann dieser methodische Ansatz als eine robuste und relativ einfache wenn auch mit umfangreicherer manueller Tätigkeit verbundene Technik zur sehr detailreichen unverformten Korrelation zytoarchitektonischer und kernspinotomographsicher Darstellung des Thalamuskomplexus und seiner Unterkerne angesehen werden. Sie könnte als Grundlage für die Herausgabe eines multimedialen 3D stereotaktischen Atlas des menschlichen Gehirns dienen. / Stereotactic procedures are based on the precise spatial localization of targets within the human brain.Despite the great advance in neuroimaging in the last thirty years, it is still not possible to delineate or toreliably identify all the subcortical structures using computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI).Although several cytoarchitectural- or immunohistochemical- maps have been proposed as parameters for correlating imaging results with anatomical location of these structures, technical limitations prevent a point-to-point correlation between imaging and anatomy. The main shortcoming of these maps is the lack of precise correction of post-mortem tissue deformations caused by fixation and processing. To date, even complex algorithms failed to completely correct these distortions. As an alternative, we present a 3D reconstruction of the human thalamic nuclei of 2 subjects (n=4), based on serial histological sections. We assessed the results of histology-based 3D reconstruction either with or without corregistration to post mortem in-situ MR images of the same brains. To this purpose a simple and reliable method to processthe tissue was used and a new tissue warping technique was developed, allowing outstanding three-dimensional coherence. The one-to-one correlation of the histology with the 3T MRI of the same subject warrants a better interpretation of MR images. This procedure compensates the inherent shortcomings of either methods. Our results render feasible the construction of an improvedthree-dimensional stereotactic atlas of the human brain.

In dieser Arbeit wurden für spezielle Anwendungen an klinischen MR-Geräten optimierte Phased-Array-Spulen entwickelt. Das Ziel war, durch die Verwendung neuer Spulen entweder neue Anwendungsgebiete für klinische MR-Geräte zu eröffnen oder bei bestehenden Applikationen die Diagnosemöglichkeiten durch eine Kombination von höherem SNR und kleineren g-Faktoren im Vergleich zu bestehenden Spulen zu verbessern. In Kapitel 3 wurde untersucht, ob es durch den Einsatz neu entwickelter, dedizierter Kleintierspulen sinnvoll möglich ist, Untersuchungen an Kleintieren an klinischen MR-Geräten mit einer Feldstärke von 1,5T durchzuführen. Der Einsatz dieser Spulen verspricht dem klinischen Anwender Studien an Kleintieren durchführen zu können, bei denen er den gleichen Kontrast wie bei einer humanen Anwendung erhält und gleichzeitig Kontrastmittel sowie Sequenzen, die klinisch erprobt sind, einzusetzen. Durch die gewählten geometrischen Abmessungen der Spulen ist es möglich, Zubehör von dedizierten Tier-MR-Geräten, wie z. B. Tierliegen oder EKG- bzw. Atemtriggereinheiten, zu verwenden. Durch Vorversuche an für Ratten dimensionierten Spulen wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen verwendetem Entkopplungsmechanismus und SNR bzw. Beschleunigungsfähigkeit erarbeitet. Für Ratten wurde gezeigt, dass in akzeptablen Messzeiten von unter fünf Minuten MR-Messungen des Abdomens in sehr guter Bildqualität möglich sind. Ebenfalls gezeigt wurde die Möglichkeit durch den Einsatz von paralleler Bildgebung sowie Kontrastmitteln hochaufgelöste Angiographien durchzuführen. Es stellte sich heraus, dass bei 1,5T dedizierte Mäusespulen bei Raumtemperatur von den SNR-Eigenschaften am Limit des sinnvoll Machbaren sind. Trotzdem war es möglich, auch für Mäuse ein 4-Kanal-Phased-Array zu entwickeln und den Einsatz bei kontrastmittelunterstützten Applikationen zu demonstrieren. Insgesamt wurde gezeigt, dass durch den Einsatz von speziellen, angepassten Kleintierspulen auch Tieruntersuchungen an klinischen MR-Geräten mit niedriger Feldstärke durchführbar sind. Obwohl sich die Bestimmung der Herzfunktion an MR-Geräten im klinischen Alltag zum Goldstandard entwickelt hat, ist die MR-Messung durch lange Atemanhaltezyklen für einen Herzpatienten sehr mühsam. In Kapitel 4 wurde deswegen die Entwicklung einer 32-Kanal-Herzspule beschrieben, welche den Komfort für Patienten deutlich erhöhen kann. Schon mit einem ersten Prototypen für 3T war es möglich, erstmals Echtzeitbildgebung mit leicht reduzierter zeitlicher Auflösung durchzuführen und damit auf das Atemanhalten komplett zu verzichten. Dies ermöglicht den Zugang neuer Patientengruppen, z. B. mit Arrythmien, zu MR-Untersuchungen. Durch eine weitere Optimierung des Designs wurde das SNR sowie das Beschleunigungsvermögen signifikant gesteigert. Bei einem Beschleunigungsfaktor R = 5 in einer Richtung erhält man z. B. gemittelt über das gesamte Herz ein ca. 60 % gesteigertes SNR zu dem Prototypen. Die Kombination dieser Spule zusammen mit neuentwicklelten Methoden wie z. B. Compressed- Sensing stellt es in Aussicht, die Herzfunktion zukünftig in der klinischen Routine in Echtzeit quantifizieren zu können. In Kapitel 5 wurde die Entwicklung einer optimierten Brustspulen für 3T beschrieben. Bei Vorversuchen bei 1,5T wurden Vergleiche zwischen der Standardspule der Firma Siemens Healthcare und einem 16-Kanal-Prototypen durchgeführt. Trotz größerem Spulenvolumen zeigt die Neuentwicklung sowohl hinsichtlich SNR als auch paralleler Bildgebungseigenschaften eine signifikante Verbesserung gegenüber der Standardspule. Durch die Einhaltung aller Kriterien für Medizinprodukte kann diese Spule auch für den klinischen Einsatz verwendet werden. Mit den verbesserten Eigenschaften ist es beispielsweise möglich, bei gleicher Messdauer eine höhere Auflösung zu erreichen. Aufgrund des intrinsischen SNR-Vorteils der 3 T-Spule gegenüber der 1,5 T-Spule ist es dort sogar möglich, bei höheren Beschleunigungsfaktoren klinisch verwertbare Schnittbilder zu erzeugen. Zusammenfassend wurden für alle drei Applikationen NMR-Empfangsspulen entwickelt, die im Vergleich zu den bisher verfügbaren Spulen, hinsichtlich SNR und Beschleunigungsvermögen optimiert sind und dem Anwender neue Möglichkeiten bieten. / Purpose of this work was to develop optimized phased array coils for clinical magnetic resonance imaging (MRI) systems for applications were dedicated coils were not readily available. Chapter 3 evaluates the use of dedicated small animal coils on clinical MR scanners with a field strength of 1,5T instead of using special animal-systems with higher intrinsic signal-to-noise ratio. Advantage of the clinical system is the availability and the portability of the results of animal studies to human applications because sequences can easily be adopted. The available contrast is similar and clinically tested contrast agents can directly be used. Comparisons of different array decoupling methods with respect to SNR and parallel imaging performance have been conducted on coils with the standard size of rat-coils on animal scanners as part of this work. This geometry made it possible to directly use accessories of these systems like animal beds and monitoring systems. It showed that it is possible to acquire images of the abdomen of the rat in under five minutes in very good image quality with such setup. It was also used for high resolution angiographie in very short scanning time due to the use of parallel imaging techniques. However it has shown that the use of dedicated mouse coils is at the very limit of SNR at 1.5 T. Nevertheless a four channel phased array coil was built and tested. The results are described within this work. Another application which can benefit of novel dedicated coils is the assessment of cardiac function. Especially for heart patients it can be very exhausting to hold breath for a longer period of time, which is required by the current standard protocol for cardiac imaging. The combination of 3T and many available receive channels is a very promising combination to shorten the scan time. Chapter 4 describes the development of a 32 channel cardiac phased array coil for 3T to investigate this idea. Starting with an existing coil for 1.5T a first prototype was developed which was the first coil to demonstrate real-time cardiac imaging with only slightly reduced temporal resolution. A further optimization of this coil led to a completely new coil with higher SNR performance and better parallel imaging abilities and was a further step towards real-time imaging of the heart in clinical routine. Chapter 5 describes the development of an optimized 16 channel breast coil for 3T which can be used in clinical routine. Tests at 1.5T were conducted to find the best coil element layout . It was also possible to compare the prototypes at this field strength to an existing breast coil of Siemens Healthcare. Better SNR and parallel imaging performance could be achieved due to the possibility of adjusting the coil size to different breast sizes and therefore optimizing the filling factor. These improved qualities will allow to have higher resolution in the same scan time compared to the current standard in clinical routine. In conclusion it has been shown that these applications can benefit from dedicated array coils due to better SNR and parallel imaging performance.

La tomographie et ses algorithmes associés sont désormais bien connus dans le domaine des rayons X. En revanche tous ces outils s’appuient sur une modélisation qui diffère de celle qui pourrait être envisagée dans le domaine des ondes Térahertz (THz). On retrouve, dans l’état de l’art, des modèles de propagation de l’onde THz au sein d’un objet. Ces modèles génèrent une onde THz qui est soit éloigné d’une vérité terrain, soit d’une complexité algorithmique trop élevée pour être utilisée au sein d’une reconstruction tomographique dans des temps de calcul acceptables. Un des objectifs de ce travail de thèse est donc d’obtenir un modèle de propagation de l’onde THz permettant une meilleure modélisation du processus d’acquisition et pouvant être calculé dans des temps relativement courts. Lors de la mesure d’une projection d’un objet, le phénomène d’absorption n’est pas le seul phénomène responsable de l’atténuation de l’onde THz. Les phénomènes de réfraction et de réflexion sont aussi responsables d’une atténuation de l’onde THz mesurée. Lors d’une reconstruction tomographique THz, si ces phénomènes ne sont pas pris en compte, l’algorithme attribue cette atténuation au phénomène d’absorption. Cela se traduit par une reconstruction des coefficients d’absorption de l’objet éloignée de leur valeur réelle. Sous l’effet de ces phénomènes, le problème de la reconstruction tomographique THz est non linéaire. Cela empêche ainsi l’utilisation directe des méthodes de reconstruction classiques puisque ces méthodes impliquent que la relation liant un objet à ses projections soit linéaire. / Tomography and its associated algorithms are now well known in the field of X-rays. On the other hand, all these tools are based on a modeling that differs from which could be envisaged in the field of Terahertz (THz) waves. We find, in the state of the art, models of propagation of the THz wave within an object. These models generate a THz wave that is either far from a ground truth, or of an algorithmic complexity that is too high to be used within a tomographic reconstruction in acceptable computing times. One of the objectives of this thesis work is therefore to obtain a propagation model of the THz wave allowing better modeling of the acquisition process and which can be calculated in relatively short times. When measuring the projection of an object, the absorption phenomenon is not the only phenomenon responsible for the attenuation of the THz wave. The phenomena of refraction and reflection are also responsible for attenuation of the measured THz wave. During a THz tomographic reconstruction, if these phenomena are not taken into account, the algorithm attributes this attenuation to the absorption phenomenon. This results in a reconstruction of the absorption coefficients of the object far from their real value. Under the effect of these phenomena, the problem of THz tomographic reconstruction is non-linear. This prevents the direct use of classical reconstruction methods since these methods imply that the relationship between an object and its projections is linear.

Depuis plusieurs années, l'équipe "Propagation & Imagerie" du Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique UPR CNRS 7051 s'intéresse à la tomographie ultrasonore pour inverser le champ acoustique rayonné par une structure osseuse corticale, i.e. reconstruire une image numérique et paramétrique en coupe transversale 2D de la diaphyse des os longs. Les premiers résultats in vitro sur des échantillons adultes sont très encourageants et pertinents. Aujourd'hui, nous orientons nos travaux vers l'imagerie du tissu osseux chez l'enfant. Les dimensions, la constitution ou encore l'élasticité de ces "plus petits" os se prêtent bien aux approximations et modélisations envisagées. Lors de cette soutenance, je me propose de faire une synthèse des actions passées, présentes et futures sur ce sujet, en exposant l'intérêt de la méthode mais aussi ses limites, en présentant les stratégies mises en oeuvre pour l'inversion (méthodes expérimentales ou numériques basées sur l'approximation de Born et/ou Born distordu, et basées sur l'approximation par des objets canoniques - ICBA). J'exposerai nos travaux sur les développements expérimentaux, sur la propagation dans ces milieux complexes et sur les protocoles d'acquisition et de traitement des signaux que nous avons élaborés.

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine etablierte Methode zur Untersuchung von Stoffwechselvorgängen im Menschen. Sie wird als Werkzeug in der medizinischen Forschung ebenso wie klinisch als Diagnoseverfahren zur Erkennung von Metastasen eingesetzt. Dieses Projekt beschäftigt sich mit einer nichtmedizinischen Anwendung dieses bildgebenden Verfahrens – dem Aufbau und der Anwendung eines PET-Tomographen zur Untersuchung des Verhaltens von Schaum in Blasensäulen, dem Versuchsstand SCHAUMPET. Insbesondere wird auf die technische Realisierung des Projektes und die angewendeten Verfahren zur Bildgewinnung eingegangen. Am Beispiel von Natriumcapronat wird gezeigt, dass sich die Anreicherung eines Tensids in einer Schaumschicht mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie nachweisen lässt.