Wheat (Triticum aestivum L.) is one of the most important food crops, comprising the largest source of daily calorie and protein intake of human beings worldwide. Among the several diseases of wheat, Yellow Rust (YR; caused by Puccinia striiformis Westend. f. sp. tritici) and Leaf Rust (LR; caused by Puccinia triticina Erikss. & Henn.) have always been major production constraints since the domestication of wheat. For the last few decades, scientists have invested large efforts to identify, characterize and utilize Adult Plant Resistance (APR), a.k.a. slow rusting resistance, in wheat germplasm to promote durability of resistance against rust. The objectives of this study were to 1) understand the genetics of APR to YR and/or LR present in two potential wheat lines 'Quaiu 3' and 'TAM 111', and 2) map the putative Quantitative Trait Loci (QTL) associated with YR and LR resistance using DNA-based molecular markers. Two Recombinant Inbred Line (RIL) populations were subjected to YR and LR disease evaluation experiments in multiple years and locations. Visual evaluation of Disease severity (DS) and Infection Type (IT) score in both RIL populations showed that APR to YR and LR were highly heritable quantitative traits with significant correlation among experiments. In spring wheat population, composite interval mapping consistently detected four and three large effect QTL for YR and LR resistance, respectively. Among those QTLs, 1B, 3B and 1D QTL were found to be associated with previously characterized genes Lr46/Yr29, Sr2/Yr30 and Lr42, respectively. However, QTLs QYr.tam-3D and QYr.tam-2D were potentially novel. The largest YR QTL QYr.tam-2D was located on long arm of chromosome 2D explaining about 48 to 61% of the total phenotypic variation. Similarly, in winter wheat population, apart from three environment-specific QTL on chromosomes 1A, 2A and 7D, the QTL on chromosome 2B (QYr.tam-2B) was found to express consistently in multiple environments explaining about 23 to 63% of total phenotypic variation. This study has further elucidated the inheritance mechanism of APR to YR and LR present in two different wheat lines, Quaiu 3 and TAM 111, and resulted in the successful mapping and characterization of the genetic loci associated with corresponding disease resistance traits. These findings should be very useful to isolate the novel APR genes and/or directly use in wheat breeding programs to enhance durable rust resistance in diverse wheat germplasm and cultivars in the future.

Die Quantifizierung bei nuklearmedizinischen Untersuchungen bedeutet die Ermittlung der Aktivitätskonzentration im Gewebe und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt die Bestimmung parametrischer Größen zur physiologischen Quantifizierung. Unter der Voraussetzung der korrekten Funktion des Gerätes (Qualitätskontrolle, Normalisierung, Kalibrierung) ist für die Quantifizierung die Anwendung folgender Korrekturen notwendig: Totzeit-, Absorptions-, Streustrahlungs- und ggf. Recovery-Korrektur wie auch Korrektur von zufälligen Koinzidenzen. Aus messtechnischer Sicht basiert die Überlegenheit der PET gegenüber der SPECT auf den Vorteilen des Einsatzes des Koinzidenznachweises (elektronische Kollimierung) anstelle der mechanischen Kollimierung in entsprechend konstruierten ringförmigen Systemen, welche sich in überlegenen physikalischen Abbildungseigenschaften niederschlägt. Der primäre Vorteil der elektronischen Kollimierung ist eine bessere und mehr stationäre räumliche Auflösung, gepaart mit einer höheren Meßempfindlichkeit, welche zu statistisch aussagefähigerer Bildqualität führt, und die Möglichkeit einer geradlinigen, aber präzisen Form der Absorptionskorrektur auf der Basis gemessener Transmissionsdaten. Weitere Vorteile sind ein deutlich verringerter Streustrahlungsanteil, welcher in Verbindung mit den vorstehend genannten Eigenschaften zu kontrast- und detailreicheren Bildern führt, sowie eine deutliche Steigerung der Zählratenkapazität, die durch eine Steigerung der Anzahl der voneinander unabhängigen Zählkanäle bei Verwendung der üblichen Blockdetektoren erreicht wird und die es erlaubt, die gesteigerte Ausbeute ohne einen Zwang zur Aktivitätsreduktion in statistische Bildqualität umzusetzen. Die dargestellten Eigenschaften gestatten dann in Verbindung mit gut entwickelten Korrekturverfahren eine Kalibrierung des PET-Systems und damit die quantitative Analyse von in vivo gemessenen Aktivitätskonzentrationen. Berücksichtigt man die Problematik der Absorptions- und Streustrahlungskorrektur bei der SPECT, so ergibt sich als Folgerung, dass bei der Tomographie mit der Gammakamera eine Quantifizierung nicht möglich ist. Aufgrund der Entwicklungen auf dem Gebiet der Rekonstruktions- und Korrekturverfahren kann damit gerechnet werden, dass die Abbildungseigenschaften von SPECT-Systemen verbessert werden, so dass viele Limitationen der SPECT-Technik zumindest abgemildert werden dürften, die Leistung der PET-Geräte aus physikalischen Gründen jedoch nicht erreicht werden kann. / Quantifying in nuclear medicine examinations is equivalent to the determination of local activity concentrations in human tissue and, if appropriate, in an additional step the determination of quantitative physiological parameters. Provided that the instrument is in proper working conditions (quality control, normalization, calibration) quantification requires the application of the following corrections for: dead time, attenuation, scatter and, if applicable, recovery as well as random coincidences. From the physical point of view the superiority of PET over SPECT is based on the advantages offered by coincidence detection (electronic collimation) as compared to mechanical collimation. For ring-type systems of the appropriate design these advantages result in superior imaging quality. The main advantage of the aforementioned electronic collimation is given by a better and more stationary spatial resolution, accompanied by a higher sensitivity resulting in an improved statistical image quality, and an attenuation correction method based on measured transmission data, which is straightforward and accurate. Further advantages are a markedly reduced scatter fraction, leading in combination with the aforementioned properties to images of high contrast and high detail, and a pronounced improvement in count rate performance, caused by an increased number of independent counting channels when using state-of-the-art block detectors. This higher count rate performance allows to transform increased sensitivity without being obliged to reduce administered activity into improved statistical image quality. In conjunction with well established correction methods the physical properties of PET described allow for a calibration of the system and, therefore, for a quantitative analysis of activity concentrations in vivo. Realizing the problems associated with attenuation and scatter correction in gamma camera based tomography leads to the conclusion that quantification in SPECT is not feasible. Taking into account further progress in reconstruction algorithms and correction methods, improvements in SPECT imaging quality may be anticipated thereby diminishing current limitations of the SPECT technique. Nevertheless, by physical arguments the performance of PET cannot be achieved.

Ziel: Die bildgebende Diagnostik des Temporomandibulargelenkes (TMJ) mit der MRT ist bereits seit einigen Jahren eine etablierte Methode zur Diagnostik von Funktionsstörungen und degenerativen Veränderungen des Kiefergelenkes. Ziel der Untersuchung war es, an einem großen Kollektiv von Patienten mit „internal derangement“ (ID) anhand der MRT die verschiedenen in der Literatur beschriebenen morphometrischen Parameter mit dem Funktionszustand des Diskus zu vergleichen. Methodik: In einer retrospektiven Analyse wurden die MRT-Untersuchungen von 184 Patienten mit 320 auswertbaren Kiefergelenken analysiert, die wegen des Verdachtes auf ein „internal derangement“ eine hochauflösende MRT des Kiefergelenkes bei 1,5 T erhalten hatten. Die Bildanalyse umfasste neben der Beurteilung anatomischer Strukturen eine Vielzahl in der Literatur verwendeter morphometrischer Parameter. Diese Parameter wurden mit der Diskuslage verglichen. Ergebnisse: Anhand der vereinfachten Klassifikation nach Drace wurde die Diskuslage in „normal“ (NDP, 21,9%, n = 70), „anterior verlagert mit Reposition nach Mundöffnung“ (DVMR, 51,6%, n = 165) und „anterior verlagert ohne Reposition nach Mundöffnung“ (DVOR, 26,6%, n = 85) unterteilt. Mit zunehmender Diskusverlagerung fand sich eine signifikante Abnahme der Diskuslänge sowie der Dicke des anterioren und posterioren Bandes bei gleichzeitiger Zunahme der Breite der intermediären Zone des Diskus. Mit einer Diskusverlagerung waren Veränderungen des Condylus assoziiert, welcher eine zunehmende Entrundung sowie weitere degenerative Veränderungen aufwies. Als prädisponierender Faktor bei der Entstehung eines ID ist ein großes Tuberkulum und ein großer Tuberneigungswinkel anzusehen. Die Lage des Condylus änderte sich mit zunehmendem Grad des ID von einer konzentrischen Lage des Condylus-Mittelpunktes zu einer exzentrischen Position (dorsal und kranial). Bezüglich der Form der Fossa articularis fand sich kein statistischer Zusammenhang mit der Diskuslage. Schlussfolgerung: Mit der MRT ist möglich, sowohl Veränderungen der Weichgewebe als auch der knöchernen Strukturen bei Patienten mit internal derangement des Kiefergelenkes zu diagnostizieren und morphometrische Daten zu erheben. / Purpose: To compare several morphometric parameters in MRI with the functional status of the articular disc in a large patient group suffering from internal derangement (ID) on the temporomandibular joint (TMJ). Materials and Methods: In a retrospective study, 320 analyzable high resolution MRI examinations of the TMJs obtained in a 1,5 T unit were evaluated in 184 patients with clinically suspected ID. The analysis included the anatomical structures and a number of morphometric parameters previously described in the literature. The parameters were compared with the position of the articular disc. Results: The disc position was categorized as „normal“ (NDP, 21,9%, n = 70), „anterior displacement with reduction on opening“ (DVMR, 51,6%, n = 165) and „anterior displacement without reduction on opening“ (DVOR, 26,6%, n = 85). With increasing disc displacement, significant configurational changes of the disc were observed. Disc displacement was associated with changes of the condyle consisting of increasing deformity and other degenerative changes. A large tuberculum and marked inclination of the eminence can be seen as predisposition for the development of ID. With increasing severity of the ID, the position of the condyle moved from a central position of the condylar center to an excentric (dorsal and cranial) position. Conclusion: MRI demonstrated that increasing disc displacement is associated with changes of disc, condyles and the condylar position in the fossa.

Es wurde der Einsatz der Mehrschicht-Spiral-CT (MS-CT) zur zerebralen Perfusionsbildgebung und zur zerviko-zerebralen Angiographie bei Schlaganfallpatienten evaluiert. Bei 52 Patienten mit klinischen Zeichen einer akuten Ischämie wurde im Mittel 3,4 Stunden nach Symptombeginn an einem MS-CT Gerät eine CT-Perfusion (CTP) durchgeführt. Parameterbilder der zerebralen Blutperfusion (CBP), des zerebralen Blutvolumens (CBV) und der mittleren Transitzeit (MTT) wurden generiert, Perfusionsstörungen ermittelt und mit bildgebenden sowie klinischen Verlaufskontrollen korreliert. Eine CT-Angiographie (CTA) wurde initial bei 12 Patienten angewandt, um die Eignung des Untersuchungsprotokolls zu prüfen. Darüber hinaus wurden bei 45 Patienten mit Zeichen einer akuten zerebrovaskulären Insuffizienz die Ergebnisse der CTA mit denen anderer bildgebender Modalitäten (Magnetresonanz-Angiographie, digitale Subtraktionsangiographie, Dopplerultraschall) verglichen. Perfusionsbilder konnten von 44 Patienten generiert werden, hiervon entwickelten 22 Patienten einen im Verlauf gesicherten Infarkt. An Hand der MTT-Bilder konnten ischämische Veränderungen mit einer Sensitivität von 95 % erfasst werden, die Spezifität war mit 100 % für die CBV-Bilder am höchsten. Patienten mit Infarkt zeigten seitenvergleichend eine signifikante Reduktion der CBP in ischämischen Arealen. Die Ausdehnung der CBV Reduktion ergab die beste Korrelation mit dem endgültigen partiellen Infarktvolumen. Mit der CTA konnte anfänglich bei 12 / 12 Patienten, später bei 43 / 45 (96 %) eine umfassende Darstellung des zerviko-zerebralen Gefäßsystems erreicht werden, wobei in 22 Infarktpatienten die zu Grunde liegende Gefäßpathologie erkannt werden konnte. Das evaluierte Protokoll zur Perfusionsbildgebung mittels Mehrschicht-Spiral-CT ist zur frühzeitigen Erkennung und Quantifizierung einer akuten zerebralen Ischämie geeignet und bietet zusammen mit der CTA, welche das gesamte zerviko-zerebrale Gefäßsystem verlässlich visualisieren kann, die Möglichkeit einer umfassenden Bildgebung mittels MS-CT bei Schlaganfallpatienten. / The application of multi-slice spiral computed tomography (MS-CT) in the diagnostic assessment of stroke patients using cerebral perfusion imaging and cervicocerebral angiography was evaluated. Fifty-two patients with clinically suspected acute ischemia underwent CT perfusion (CTP), performed 3.4 hours, on average, after the onset of symptoms, by using MS-CT. Perfusion images of the cerebral blood perfusion (CBP), cerebral blood volume (CBV) and mean transit time (MTT) were calculated. The amount and extension of perfusion disturbances were measured and correlated with the outcome. CT angiography (CTA) was initially performed on twelve patients to verify the suitability of the examination protocol. In addition, forty-five patients with signs of acute cerebrovascular insufficiency underwent CTA. CTA findings were compared with those of other imaging modalities (magnetic resonance imaging, digital subtraction angiography, doppler ultrasonography). Of 44 patients in whom perfusion maps could be generated, 22 developed infarction confirmed at follow-up. On MTT-maps ischemic changes could be detected with the highest sensitivity (95%). Specificity was highest (100%) for CBV-maps. Patients with infarction showed significant reduction of CBP in ischemic tissue compared to the contra lateral hemisphere. Extension of CBV reduction showed the best correlation with final infarct volume. Initially in twelve out of twelve patients, later in 43 out of 45 (96%), the cervicocranial vascular system could be comprehensively visualized using CTA. In 22 stroke patients the underlying vascular pathology could be detected. CT perfusion using multi-slice CT is a suitable tool for the early identification and quantification of acute cerebral ischemia. Multi-slice CT angiography permits reliable visualization of the cervicocranial vascular system. Together these tools offer comprehensive assessment of stroke patients by means of multi-slice CT.

Die Elastografie ist ein diagnostisches bildgebendes Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit oder Amplitude der ins Gewebe eingebrachten Scherwellen. Die Scherwellengeschwindigkeit c in der Leber ist ein Marker zur Fibrosegraduierung. Pathologische Elastizitätsveränderungen, wie sie bei der Herzinsuffizienz auftreten können mittels der Scherwellenamplitude in der Herzwand erfasst werden. Bisherige Verfahren sind durch eine geringe Eindringtiefe/Zeitauflösung limitiert. Dies erschwert die Untersuchung der Leber bei Patienten mit Adipositas oder Aszites und am Herzen. Daher wird in dieser Arbeit die zeitharmonische Vibrationen zur Anregung von Scherwellen im tiefen Gewebe mit der zeiteffizienten Ultraschallelastografie kombiniert. In der Leber wurde c als Maß für die Elastizität und die Dispersion von c als Maß für die Viskosität in 11 Probanden und 24 Patienten mit Leberzirrhose gemessen. Im Herzen wurde die Amplitude als Maß für die relative Elastizitätsänderung des Herzmuskels in Echtzeit bei 11 Probanden und einer Patientin mit Herzinsuffizienz bestimmt. In der Leber ergab sich für Probanden c=1,77(15)ms und für Patienten mit Zirrhose c=3,10(55)ms. Diese 100%ige Separation bestätigt die Stabilität und das diagnostische Potential des neuen Verfahrens. Für die Probanden ergab sich eine Abnahme der Scherwellenamplitude in der Herzwand 121(34)ms vor der Kontraktion des Herzens und ein Anstieg 56(29)ms vor der Relaxation entsprechend den isovolumetrischen Kontaktions- und Relaxationszeiten. Die zeitharmonische Ultraschallelastografie erlaubt erstmalig die Bestimmung der Scherwellengeschwindigkeit der gesamten Leber auch bei Adipositas und Aszites. Dies erweitert den Anwendungsbereich der Ultraschallelastografie in der klinischen Diagnostik wesentlich. Zudem wurde die Anspannungsänderung des Herzmuskels in vivo und in Echtzeit bestimmt. Diese neue Modalität bietet erstmalig die Möglichkeit pathologische Herzveränderungen mittels Elastografie zu diagnostizieren. / Elastography is a diagnostic imaging technology for the quantification of speed or amplitude of external induced shear waves. The shear wave speed c is used as diagnostic marker for the staging of liver fibrosis. In contrast, the shear wave amplitude in the myocardial wall is sensitive to pathologic elasticity alterations induced by cardiac insufficiency. Current methods have a less penetration depth or low spatial resolution. This limits the investigation of liver in patients with ascites or adiposity and of the heart. Therefore the time harmonic vibration, inducing shear waves in deep tissue is combined with the time efficient ultrasound elastography in this work. In the liver, c and the dispersion of c as marker for elasticity and for viscosity respectively was measured in 11 volunteers and 24 patient with cirrhosis. Relative elasticity changes of the myocardial muscle were assessed by measuring shear wave amplitude in real-time in 11 volunteers. As an outlook, one patient with diastolic dysfunction was investigated. The shear wave speed in liver is c=1.77(15)ms for the volunteers and c=3.10(55)ms for the patients with cirrhosis. The 100%age separation between both groups confirms the stability and the diagnostic potential of these new method. In volunteers the shear wave amplitude in the myocardial wall decreases by 121(34)ms prior to heart contraction and increases by 56(29)ms prior to relaxation. This times correlate to the cardiac isovolumetric contraction and relaxation times. for the first times, the new time harmonic ultrasound elastography allows the quantification of shear wave speed in the whole liver even in patients with ascites or adiposity. This extends the field of application for liver-elastography in clinical diagnostics substantially. Furthermore the tension changes in the myocardial wall can be measured in vivo and in real-time. For the first time, this new modality opens the possibility to diagnose pathological alterations by elastography.

Optische Methoden wie die Erfassung sogenannter instrinsischer Signale am eröffneten Kortex, sowie die nichtinvasive Technik der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ermöglichen die direkte, biochemisch spezifische Erfassung von Veränderungen der zerebralen Hämoglobinoxygenierung sowie der Hämoglobinkonzentration. Während die invasive Messung intrinsischer Signale auf tierexperimentelle Untersuchungen sowie intraoperative Messungen beschränkt ist, bietet die nichtinvasive NIRS die bisher einzigartige Perspektive eines Monitorings dieser Parameter am Krankenbett. Die nichtinvasiven NIRS-Messungen waren allerdings bislang zumeist auf einzelne Messorte begrenzt. Daneben ist der Einfluß bestimmter anatomischer Strukturen sowie die Bedeutung der gemessenen NIRS Parameter im Sinne zugrundeliegender physiologischer Vorgänge im Rahmen der neurovaskulären Kopplung bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der voliegenden Untersuchung war es das räumlich-zeitliche Muster von Veränderungen der Blutoxygenierung bei funktioneller Aktivierung des Gehirns nichtinvasiv im Menschen zu erfassen und im Zusammenhang mit den zugrundeliegenden topographisch anatomischen Strukturen zu beschreiben. Mithilfe multilokulärer Messungen sollte die Möglichkeit einer räumlich aufgelösten Messung geprüft werden und damit die Grundlage für die bildgebende Darstellung von Veränderungen der Blutoxygenierung geschaffen werden. Die Möglichkeit der räumlichen Diskrimination der Signale sollte anhand der Aktivierung unterschiedlicher motorischer Kortexareale evaluiert werden. Weiterhin sollte durch den Vergleich der mit der NIRS gemessenen Veränderungen der Blutoxygenierung mit Veränderungen der Blutflußgeschwindigkeit in den entsprechenden hirnversorgenden arteriellen Gefäßen der Einfluß hämodynamischer Veränderungen im Rahmen der neurovaskulären Kopplung auf den Zeitverlauf der an der Hirnoberfläche gemessenen Veränderungen der Blutoxygenierung untersucht werden. Der methodische Ansatz dieser Arbeit beinhaltete die multilokuläre Erfassung von Verän-derungen der Blutoxygenierung mittels NIRS bei Durchführung verschiedener motorischer Aktivierungsparadigma und die Integration der dabei gewonnenen Daten mit dreidimensionalen kernspintomographischen Daten an denselben Probanden, um eine anatomische Zuordnung der NIRS-Daten zu ermöglichen. In einem zweiten Versuchsansatz wurden simultan zur NIRS-Messung Veränderumgen der Blutflußgeschwindigkeit in der Arteria cerebri media mithilfe der transkraniellen Dopplersonographie (TCD) erfaßt. Insgesamt wurden 18 Probanden untersucht, davon wurde bei fünf Probanden mithilfe multilokulärer Messungen ein NIRS-Mapping und bei 13 Probanden eine simultane TCD-NIRS Messung bei funktioneller Aktivierung des Gehirns durchgeführt. Mithilfe des NIRS Mapping konnte ein lokalisierter Anstieg der Blutoxygenierung bei moto-rischer Bewegung von Finger, Fuß und Ellbogen dargestellt werden. Als typisches Muster dieser lokalen Veränderungen zeigte sich ein Anstieg der oxy-Hb Konzentration sowie ein Abfall der deoxy-Hb Konzentration. Durch den Vergleich mit den kernspintomographischen Daten konnte gezeigt werden, daß die gemessenen Veränderungen mit den topographisch-anatomischen Lokali-sationen der mutmaßlich aktivierten Hirnareale entsprechend der bekannten somatotopischen Gliederung des motorischen Kortex übereinstimmten. Dabei waren die Veränderungen der deoxy-Hb Konzentration stärker lokalisiert und wiesen einen engeren topographischen Bezug zu den aktivierten Hirnstrukturen auf als die Veränderungen der oxy-Hb Konzentration. In der simultanen TCD-NIRS Messung konnte ein enger Zusammenhang zwischen Ver-änderungen der Blutoxygenierung und den Veränderungen der Blutflußgeschwindigkeit in der dieses Gebiet versorgenden Arteria cerebri media gezeigt werden. Es zeigte sich, daß Veränderungen der deoxy-Hb Konzentration linear, Veränderungen der oxy-Hb Konzentration jedoch nichtlinear mit der Blutflußgeschwindigkeit korrelierten. Die vorliegenden Untersuchungen lassen die Schlußfolgerung zu, daß mithilfe multilokulärer NIRS-Technik die Untersuchung des räumlichen und zeitlichen Verlaufes von Veränderungen der Blutoxygenierung und damit eine nichtinvasive bildgebende Erfassung von Veränderungen der zerebralen Oxygenierung analog des invasiven optischen Imaging am offenen Kortex prinzipiell möglich ist. Außerdem konnte die Kombination von NIRS und TCD als einem neuen Instrument zur gleichzeitigen nichtinvasiven Erfassung von Hämodynamik großer hirnzuführender Arterien und zur Messung der Hämoglobinoxygenierung im davon abhängigen Gefäßterritorium etabliert werden. / Modern neuroimaging techniques like PET and fMRI use signals based on changes in blood flow, blood oxygenation and oxygen metabolism associated with neurovascular coupling to map brain function. Optical techniques provide measurements of changes in blood oxygenation with high biochemical specifity as well as othe important parameters like cytochrome oxidase and light scattering which may be directly related to neuronal activity. Optical imaging of intrinsic signals from exposed brain tissue in animals and intraoperatively in humans permit the assessment of brain activity with high spatial and temporal resolution. In recent years using the transcranial approach of near infrared spectrscopy noninvasive assessment of brain activity through the intact skull in humans has become possible. However due to technical difficulties and the complex photon migration pattern of light in the tissue the measurements have a low spatial resolution and have only be used for spectroscopic measurements from single measurement sites. The purpose of the present study was to investigate whether the conventional noninvasive technique of Near infrared spectroscopy can be used to map the spatiao-temporal pattern of functional active areas in the human brain. Using a multilocal measurement approach was measured and characterized the spatio-temporal pattern of changes in [oxy-Hb] and [deoxy-Hb] during functional activation of the motor cortex in five subjects. The signals were used to recontruct maps and images and the spatial pattern of changes in oxy-Hb and deoxy-Hb concetration was described in relation to the underlying brain structures in combination with 3D MRI in the same subject. The somatotopic organisation of the motor cortex was used to evaluate the possibility to discriminate between the spatial localization of distinct cortical areas activated along the motor cortex during finger, ellbow and foot movement. It was furthermore tested whether transcranial measurements of changes in blood oxygenation measured with NIRS reflect a specific functional response due to neurovascular coupling and the relationship between changes in hemoglobin oxygenation over the activated cortical area and changes in blood flow velocity in the supplying artery was described was described in 13 additional subjects during performance of a ipsi- and contralateral finger movement task. Using multilocal NIRS mapping is was found that functional activation is associated with a localised increase in hemoglobin oxygenation. The typical response was an increase in [oxy-Hb] and a decrease in [deoxy-Hb]. These changes colocalise topographically with the underlying activated cortical region and follow the somatotpoic organisation of the motor cortex. However changes in [deoxy-Hb] seem to be more localised and demonstrate a closer topographical relationship to the respective activated area than changes in [oxy-Hb]. Simultanous TCD-NIRS measurements demonstrated a similar time course for changes in hemoglobinoxygenation and changes in blood flow velocity. A close correlation was found between the increase in blood flow velocity and the increase in [oxy-Hb] and [total-Hb] and the decrease in [deoxy-Hb]. Changes in [deoxy-Hb] showed a linear and changes in [oxy-Hb] a nonlinear relationship with changes in CBFV. The present study demonstrates that multilocal NIRS measurements can be used to map the spatio-temporal pattern of functional active areas in the human brain. Similar to the invasive optical imaging on the exposed cortex functional imaging with NIRS seems to be potentially possible however with low spatial resolution. Changes in hemoglobinoxygenation reflect a specific functional response associated with hemodynamic mechanism of neurovascular coupling. Simultaneous TCD-NIRS measurements provide a noninvasive intruments for multimodal assessment of hemodynamic changes and changes in hemoglobinoxygenation during functional activation of the human brain. With further technical development of the technique of near infrared spectroscopy has the potentail of a new and noninvasive and flexible functional imaging technique at the bedside and can shed further light on the physiological basisi of functional imaging signals based on blood oxygenation.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine funktionelle medizinische Bildgebungstechnik. Die Lichtausbeute und Zeitauflösung Szintillator basierter PET Detektoren wird von diversen optischen Prozessen begrenzt. Dazu gehört die Lichtauskopplung aus Medien mit hohem Brechungsindex sowie Sensitivitätsbegrenzungen der Photodetektoren. Diese Arbeit studiert mikro- und nano-optische Ansätze um diese Einschränkungen zu überwinden mit dem Ziel das Signal-Rausch Verhältnis sowie die Bildqualität zu verbessern. Dafür wird ein Lichtkonzentrator vorgeschlagen um die Sensitivität von Silizium Photomultipliern zu erhöhen sowie dünne Schichten photonischer Kristalle um die Lichtauskopplung aus Szintillatoren zu verbessern. Die Ansätze werden mit optischen Monte Carlo Simulationen studiert, wobei die Beugungseigenschaften phot. Kristalle hierbei durch eine neuartige kombinierte Methode berücksichtigt werden. Proben der phot. Kristalle und Lichtkonzentratoren wurden mit Fertigungsprozessen der Halbleitertechnologie hergestellt und mit Hilfe eines Goniometer Aufbaus charakterisiert. Die simulierten Eigenschaften konnten hiermit sehr gut experimentell reproduziert werden. Daraufhin wurden Simulationen durchgeführt um den Einfluss beider Konzepte auf die Charakteristika eines PET Detektors zu untersuchen. Diese sagen signifikante Verbesserungen der Lichtausbeute und Zeitauflösung voraus. Darüber hinaus zeigen sie, dass sich auch die Kombination beider Ansätze positiv auf die Detektoreigenschaften auswirken. Diese Ergebnisse wurden in Lichtkonzentrator-Experimenten mit einzelnen Szintillatoren bestätigt. Da die Herstellung phot. Kristalle eine große technologische Herausforderung darstellt, wurde eine neue Fertigungstechnik namens "direct nano imprinting" entwickelt. Dessen Machbarkeit wurde auf Glasswafern demonstriert. Die Arbeit endet mit einer Diskussion der Vor- und Nachteile von Lichtkonzentratoren und phot. Kristallen und deren Implikationen für zukünftige PET Systeme. / Positron emission tomography (PET) is a powerful medical imaging methodology to study functional processes. The light yield and coincident resolving time (CRT) of scintillator-based PET detectors are constrained by optical processes. These include light trapping in high refractive index media and incomplete light collection by photosensors. This work proposes the use of micro and nano optical devices to overcome these limitations with the ultimate goal to improve the signal-to-noise ratio and overall image quality of PET acquisitions. For this, a light concentrator (LC) to improve the light collection of silicon photomultipliers on the Geiger-cell level is studied. Further, two-dimensional photonic crystals (PhCs) are proposed to reduced light trapping in scintillators. The concepts are studied in detail using optical Monte Carlo simulations. To account for the diffractive properties of PhCs, a novel combined simulation approach is presented that integrates results of a Maxwell solver into a ray tracing algorithm. Samples of LCs and PhCs are fabricated with various semiconductor technologies and evaluated using a goniometer setup. A comparison between measured and simulated angular characteristics reveal very good agreement. Simulation studies of implementing LCs and PhCs into a PET detector module predict significant improvements of the light yield and CRT. Also, combining both concepts indicates no adverse effects but a rather a cumulative benefit for the detector performance. Concentrator experiments with individual scintillators confirm these simulation results. Realizing the challenges of transferring PhCs to scintillators, a novel fabrication method called direct nano imprinting is evaluated. The feasibility of this approach is demonstrated on glass wafers. The work concludes with a discussion of the benefits and drawbacks of LCs and PhCs and their implications for future PET systems.

Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nichtinvasive Bildgebungsmethode, die in der Medizin sowie in der Forschung eingesetzt wird und auf der magnetischen Kernresonanz beruht. Die Erforschung der Ultrahochfeld (UHF) MRT ab Magnetfeldstärken von 7.0 Tesla und darüber ist durch einen intrinsischen Signalgewinn hin zu hohen Magnetfeldstärken motiviert und beschäftigt sich mit den dabei auftretenden physikalischen Effekten ebenso wie mit den dazu notwendigen neuartigen Technologien. Die vorliegende Arbeit untersucht Mehrkanalantennen zur Anregung der magnetischen Kernresonanz sowie zum Empfang des resultierenden Signals bei 7.0 T. Für die magnetische Kernresonanz von Protonen ergibt sich eine Resonanzfrequenz von 300 MHz. Die zugehörige Wellenlänge in menschlichem Gewebe verlässt in diesem Frequenzbereich im Verhältnis zu den Körperabmessungen den quasistatischen Bereich. Die sich ergebende Wellenausbreitung hat Interferenzmuster in den erzeugten Bildern zur Folge, die zu klinisch nicht verwertbaren Bildinformationen führen können. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit Mehrkanalantennen mit 4, 8 und 16 unabhängigen Elementen zur Signalanregung und zum Empfang konzipiert, aufgebaut und untersucht. Die Erkenntnisse mündeten in der erfolgreichen Implementierung der weltweit ersten 32-Kanal Antenne zur kardiovaskulären Bildgebung bei 7.0 T. Darüber hinaus wurde eine Antenne entwickelt, welche die ersten auf der Natriumkonzentration beruhenden bewegten MRT Bilder des menschlichen Herzens bei 7.0 T ermöglichte. Der Zusammenhang zwischen Natriumkonzentration und Zellintegrität ermöglicht direkte und ortsaufgelöste Einblicke in physiologische Prozesse. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen die breite Anwendbarkeit von Mehrkanalantennen in der UHF MRT zur Protonen-und Natriumbildgebung und bilden eine solide technologische Basis für breitere klinische Studien, um die Ultrahochfeld MRT reif für den routinemäßigen Einsatz im Gesundheitswesen zu machen. / Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive imaging method based on the effect of nuclear magnetic resonance. It is used in healthcare as well as in research. MRI at magnetic field strengths of 1.5 Tesla and 3 Tesla is well established. The gain in signal-to-noise ratio (SNR) intrinsic to higher magnetic field strength fuels the vigorous research field of Ultrahigh field (UHF) MRI at 7.0 T and above. Nevertheless for MRI based upon proton imaging the wavelength of the transmitted electro-magnetic fields slowly departs from the semi-static regime and reaches the dimension of the transection of the human body at 7.0 T. This gives rise to constructive and destructive interferences that potentially render image quality non-diagnostic for clinical use. Therefore is work proposes the worlds’ first 32 channel antenna array for cardiovascular MRI at 7.0 T. Electro-magnetic field simulations are utilized to study the capabilities of multi-channel RF antenna arrays to mitigate destructive interferences and provided the basis for a workflow towards homogenization of the electromagnetic radio-frequency field. Pre-clinical studies showed the capabilities and limits of translating the SNR gain of UHF MRI into clinical beneficial numbers, namely increased spatial or temporal resolution or scan time shortening. To make further use of the benefits of UHR MRI and to make a step towards first-hand spatial resolved information of biological processes in human tissue sodium imaging of the human heart was enabled with the design of a tailored antenna array. The results were reconstructed into the first movies of the human heart at 7.0 T based on sodium signal. This profound technological basis for radio frequency excitation and reception in UHF MRI can be expected to pave the way for broader clinical studies at 7.0 T with the ultimate goal to improve the quality and the earliness of treatment decisions in future clinical practice.

Die vorliegende Arbeit präsentiert neuartige schnelle Bildgebungstechniken für die Hoch- und Ultrahochfeld Magnetresonanztomographie. Zunächst werden die Grundprinzipien schneller Spin-Echo Techniken beleuchtet. Diese physikalischen Überlegungen bilden die Grundlage für die Entwicklung modifizierter Techniken. In einer ersten Entwicklungsstufe wird eine neue Variante der schnellen Spin-Echo Bildgebung vorgestellt. Diese Technik generiert anatomischen und funktionellen Bildkontrast innerhalb von nur einer Datenaufnahme. Der entscheidende Vorteil des entwickelten Ansatzes besteht in einer wesentlichen Verkürzung der Messzeit. Darüber hinaus wird eine deutliche Reduktion von Bildfehlern ermöglicht, die im konventionellen Fall häufig durch Bewegung erzeugt werden. Die zweite Entwicklungsstufe befasst sich mit der Implementierung einer schnellen Spin-Echo Technik zur Abbildung des physikalischen Phänomens der Brownschen Molekularbewegung. Diffusionsmessungen der Molekülbewegungen sind durch die Überlagerung von makroskopischen Bewegungen sehr anspruchsvoll. Diese Schwierigkeit wird in der vorliegenden Arbeit methodisch überwunden, indem eine diffusionsgewichtete schnelle Spin Echo Technik implementiert wird. Die dritte Entwicklungsstufe konzentriert sich auf suszeptibiltätsgewichtete schnelle Spin-Echo Bildgebung. Herkömmliche Techniken zur suszeptibiltätsgewichteten Bildgebung sind anfällig für Artefakte, die sich in Signalauslöschungen äußern. Um dieser Herausforderung methodisch zu begegnen, untersucht diese Arbeit das Potential einer suszeptibiltätsgewichteten schnellen Spin-Echo Technik zur Charakterisierung der Mikrostruktur des Herzmuskels bei 7.0 T. Ein Ziel der in dieser Arbeit neu entwickelten schnellen Spin-Echo Methoden besteht darin, Limitierungen bestehender Techniken zu beheben. Damit soll richtungsweisend über die Grundlagenforschung hinaus die Basis für klinische Anwendungen der entwickelten physikalischen Erkenntnisse und Methoden gelegt werden. / This thesis presents novel fast imaging techniques for magnetic resonance imaging. Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement (RARE) is a fast imaging technique. An ever growing number of clinical applications render clinically and physically motivated advancement of RARE imaging necessary. This thesis focuses on the advancement of RARE imaging. For this purpose, the basic principle of RARE imaging is examined. The first part proposes a novel RARE variant which provides simultaneous anatomical and functional contrast within one acquisition. This approach provides an alternative versus conventional RARE variants where sequential acquisitions are put to use to achieve different image contrasts. With the speed gain of the proposed approach a substantial shortening of scanning time can be accomplished together with a reduction in the propensity for motion. The second part focuses on diffusion weighted MRI. Probing diffusion on a micrometer scale is challenging because of MRI’s sensitivity to bulk motion. Unfortunately, conventional rapid diffusion weighted imaging techniques are prone to severe image distortions. Realizing this constraint, a diffusion weighted RARE technique that affords the generation of diffusion weighted images free of distortion is implemented. The third part is formed around susceptibility weighted MRI. The underlying biophysical mechanisms allow the assessment of tissue microstructure. Common susceptibility weighted imaging techniques are prone to image artifacts. Recognizing the opportunities of susceptibility weighted MRI the potential of a susceptibility weighted RARE technique is investigated with the goal to assess myocardial microstructure. The goal of the novel RARE developments is to overcome constraints of existing imaging techniques. The physical considerations and the novel methodology introduced in this thesis are brought beyond the scope of basic research. Moreover, the foundation for clinical applicability is created.

Aufgrund der hohen Patientendosen bei der CT und des möglichen Strahlenrisikos ist es wichtig, daß die Patientendosis bestimmt werden kann und optimiert wird. Die Bestimmung der Patientendosis erfolgt durch Berechnung mit Hilfe von Konversionsfaktoren oder Messung meist mit Hilfe von Thermolumineszenzdosimetern und einem gewebeäquivalenten anthropomorphen Phantom. Ein Problem bei der Dosisberechnung liegt darin, daß nicht für alle Geräte spezifische Konversionsfaktoren exisitieren. Probleme bei der Dosismessung liegen darin, daß das gewebeäquivalente Phantom sehr teuer ist, die Handhabung auf dem CT-Tisch umständlich und die Auswertung der Dosimeter zeitaufwendig ist. Eine Lösungsmöglichkeit ist die Verwendung des Computertomographie-Dosisindex CTDI und des Dosislängenproduktes, zwei Dosisgrößen, die sich aus Messungen in einfachen zylindrischen Plexiglasphantomen ableiten lassen. Der CTDI ist heute beim Hersteller erfragbar. Nach eigenen vergleichenden Untersuchungen liefert der CTDI einen brauchbaren Wert für die Dosen der Organe, die vollständig in der Untersuchungsregion liegen. Das Dosislängenprodukt korreliert sehr gut mit der effektiven Dosis, die als Vergleichsmaß für das angenommene Strahlenrisiko herangezogen wird. Es ist hilfreich zur einfachen und schnellen Abschätzung der effektiven Dosis, wenn keine geeigneten Konversionsfaktoren vorliegen. Zu den Möglichkeiten der Dosisoptimierung gehören die Reduzierung des Gesamt-mAs-Produktes durch Erhöhung des pitch bei der Spiral-Technik, die Niedrigdosis-CT für bestimmte Fragestellungen und die Bleiabdeckung von Organen außerhalb der Untersuchungsregion. Eine weitere Möglichkeit ist die Dosisbeschränkung. Hierzu sieht die Patientenrichtlinie der Europäischen Gemeinschaft von 1997 die Etablierung von diagnostischen Referenzwerten vor. Im Working Document der europäischen Kommission werden der CTDI und das DLP als Referenzdosisgrößen vorgeschlagen. Dabei wird das 3. Quartil der mittleren Dosiswerte von allen untersuchten Zentren als Referenzwert verwendet. Das Problem ist, daß die vorgeschlagenen Referenzwerte sich auf Ergebnisse einer älteren Dosiserhebung an konventionellen CT-Geräten aus den späten 80-er Jahren stützen. Eine aktuelle von uns durchgeführte Dosiserhebung in Berlin zeigt, daß die Werte für CTDI und DLP bei der Spiral-CT deutlich geringer sind als bei der konventionellen CT. Die vorgeschlagenen Referenzwerte sind für die Spiral-CT also zu hoch. Bei der Aufstellung von neuen Referenzwerten sollten daher die Dosiswerte für die Spiral-CT besondere Berücksichtigung finden. / Due to the high radiation dose to the patient in CT and the possible radiation risk it is important to determine and to optimize the patient dose. The determination of the patient dose is performed by calculation with the help of conversion factors or measurement mostly with the help of thermoluminescence dosemeters and tissue-equivalent anthropomorphic phantom. Problem in dose calculation occurs when machine specific conversion factors are not available. Problems in dose measurement are the very high cost of tissue-equivalent phantom, the difficulty in the handling of the phantom on the patient desk and the time consuming reading of the dosemeters. A possible solution is the use of computed tomography dose index (CTDI) and dose length product. These are two dose quantities that can be derived from measurements in simple cylindrical polymethylmetacrylate phantoms. CTDI can be provided by the manufacturer. According to own comparative examinations CTDI provides a useful value for the dose of organs, that lie completely within the examination region. The dose length product shows very good correlation with the effective dose, that is used to compare the supposed radiation risk from different examinations. It is useful for a simple and quick estimation of the effective dose when appropriate conversion factors are not provided. Possibilities to optimize the patient dose are reduction of the total mAs-product by increasing the pitch in spiral CT, low dose CT for some clinical questions and lead shielding of organs outside the examination region. A further possibility is the dose restriction. For this the Council Directive of 1997 of the European Union provides that diagnostic reference levels are established. In the Working Document of the European Commission CTDI and dose length product are proposed as reference dose quantities. The third quartile of the average dose values in all examined centers is used as reference dose values. Problem is , that the proposed reference dose values are derived from the results of an older survey on conventional CT machines in the late eighties. A topical survey performed by us in Berlin shows that the values for CTDI and dose length product are lower for spiral CT than for conventional CT. Therefore the proposed reference dose values are too high for spiral CT machines. In the establishment of new reference dose values particularly the dose values of spiral CT should be considered.