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.

Diese Arbeit stellt das Konzept der kompressionssensitiven Magnetresonanzelastographie vor. Kompressionssensitive MRE analysiert die Ausbreitung von Kompressionswellen und liefert dadurch Erkenntnisse über die Kompressionseigenschaften eines Mediums auf Grundlage eines poroelastischen Modells. Anomalien bei der Regulation des Gewebedrucks stehen in Zusammenhang mit verschiedenen Krankheitsbildern, wie Normaldruck-Hydrozephalus und Pfortader-Hypertonie. Statischer Druck spielt als Porendruck eine zentrale Rolle in den poroelastischen Wellengleichungen; die kompressionssensitive MRE könnte daher ein nichtinvasives Diagnoseinstrument darstellen, das die durch konventionelle Scherwellen-Elastographie gewonnenen Informationen um weitere Aspekte ergänzt. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer schnellen Singleshot-EPI-Bildgebungssequenz, mit deren Hilfe die durch propagierende Druckwellen hervorgerufene volumetrische Verzerrung quantifiziert werden kann. Die Validierung der kompressionssensitiven MRE erfolgte an verschiedenen Systemen: an porösen Gelphantomen, an der menschlichen Lunge in zwei Atemzuständen, in einer ex-vivo Schafsleber bei unterschiedlichen hydrostatischen Drücken und schließlich am menschlichen Gehirn. Die Ergebnisse belegen, dass die Stärke der induzierten volumetrischen Verzerrung sensitiv gegenüber Druckänderungen ist, wohingegen die Scherverzerrung keine derartige Abhängigkeit aufweist. In einer weiteren Studie wurde intrinsische Pulsation des menschlichen Hirns anstelle einer externen Vibrationsquelle ausgenutzt. Dabei erzeugte die arterielle Pulswelle eine kurze lokale Expansion des Hirnparenchyms; in der sich anschließenden diastolischen Phase erfolgte eine langsame Rückkehr zum Ausgangszustand. Aus den gemessenen volumetrischen Verzerrungen wurden durch Inversion der Druckwellengleichung numerische Werte für den Druckwellenmodul M berechnet; Rauschen wurde als primäre Ursache für die systematische Unterschätzung von M identifiziert. / This thesis introduces the concept of compression-sensitive Magnetic Resonance Elastography. Compression-sensitive MRE detects the propagation of pressure waves, providing insight into the compressibility of a material based on a poroelastic tissue model. Poroelastic models incorporate compressibility through interaction of compartments, even as each individual compartment remains incompressible. Hydrostatic tissue pressure abnormalities are associated with a number of diseases, such as normal pressure hydrocephalus or hepatic portal hypertension. Since pore pressure plays a central role in the poroelastic wave equations, compression-sensitive MRE could potentially serve as a diagnostic tool, providing information complimentary to shear-wave MRE data. This thesis describes the development of a fast single-shot EPI MR sequence capable of quantifying volumetric strain induced by external vibrations. Compression-sensitive MRE was validated in porous gel phantoms, in the human lung at two different respiratory states, in an ex vivo sheep liver at varying levels of hydrostatic pressure, and finally in human liver and brain. Results illustrate that compression-sensitive MRE is capable of quantifying volumetric strain in phantoms and in human organs. It was found that volumetric strain was sensitive toward pressure changes associated with different physiological states, whereas shear strain remained constant. In an additional study, pulsation of the human brain, driven by the heart cycle, was used as the actuation source instead of the external vibration generator. Results indicate local expansion of brain parenchyma upon the arrival of the arterial pulse wave, followed by a slow return to the initial state during the diastolic phase. Numerical values for the pressure wave modulus M were calculated from measured volumetric strain through inversion of the pressure wave equation. Measurement noise was identified as the primary effect causing a severe underestimation of M.

Magnetresonanzelastographie (MRE) bietet die Möglichkeit, über die Aufnahme mechanischer Scherwellen im Körper auf die mechanischen Eigenschaften lebender Gewebe zu schließen. Dabei werden in der klassischen MRE Wellen mittels Einkopplung externer Vibrationen einer einzelnen Frequenz angeregt. Wegen der starken Absorption der Vibrationsenergie in biologischen Geweben und der damit verbundenen Dispersion der Phasengeschwindigkeit sowie der Dämpfung der Wellen können mit dieser Methode nur frequenzabhängige Größen, jedoch keine Materialkonstanten bestimmt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt die synchrone Einkopplung und Aufnahme multipler Gewebeschwingungen, wodurch viskoelastische Gewebekenngrößen in einer zeitlich-zyklisierten MRE-Untersuchung erfasst werden können. Diese Technik wird in Phantomstudien, an Gewebeproben sowie am Menschen evaluiert. Mittels verschiedener rheologischer Modelle werden erstmalig die viskoelastischen Eigenschaften der Leber und des Gehirns in ihrem intakten, lebenden Umfeld bestimmt. Dabei zeigt sich die Überlegenheit eines zweiparametrischen Modells, mit dessen Hilfe die gewonnene, spektrale Information des komplexen Moduls des Gewebes in eine einzige diagnostisch-relevante Kenngröße zusammengefasst werden kann. / Magnetic resonance elastography (MRE) is capable of measuring the mechanical properties of living tissue by using externally introduced vibrations and phase contrast magnetic resonance imaging techniques. Until now, monofrequency shear wave excitation techniques have been used in conventional MRE. However, since biological tissue is highly dispersive due to its strong damping characteristics, the study of tissue rheology requires knowledge of wave propagation at multiple frequencies. The multifrequency-MRE method, which was engineered in this thesis, applies a superposition of multiple harmonics as the shear wave excitation signal. All vibrations are acquired simultaneously, which enables the determination of viscoelastic tissue parameters in one time-resolved MRE experiment. This technique is evaluated in studies on gel phantoms and excised tissue samples, as well as in human in-vivo studies. The viscoelastic properties of human brain and liver are determined in their in-vivo environment using several rheological models. A two-parameter fractional model demonstrates excellent stability and allows for combining the spectral information of the complex modulus acquired by multifrequency-MRE, which then results in a single viscoelastic parameter that is diagnostically relevant.

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.