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.

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.

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.

Unter Verwendung der Netzplantechnik mit der Methode zur Ermittlung der zeitkritischen Vorgänge (CPM) und zur realitätsnahen Berechnung von Vorgangszeiten (PERT) wurden Arbeitsabläufe zur Durchführung einer CT-Untersuchung analysiert und optimiert. Eine Analyse des Arbeitsablaufes von CT Kopf und Thoraxuntersuchungen wurde unter Verwendung der Netzplantechnik (CPM/PERT) durchgeführt durch 1. Beobachten von CT-Untersuchungen und Definition von anfallenden Arbeitsschritten. 2. Zeitmessungen von 158 CT-Untersuchungen an 2 Spiral-CT-Geräten (von 1998 und 2000), das Patientengut wurde in drei Kategorien (Mobil, Bettlägerig und Intensiv) aufgeteilt. 3. Berechnungen und Erstellen eines graphischen Netzplans mit Definition des kritischen Pfades. 4. Aufzeigen von variablen Arbeitsschritten 5. Prozessoptimierung. Untersuchungszeiten für CT Thorax und Kopf (mobile Patienten) wurden mit 21:04 und 23:05 Minuten für das CT von 2000 bwz. 36:01 und 34:50 Min. für das CT von 1998 gemessen. Befundung, Untersuchungsprotokolle (7,1 min Standardabweichung (SD)), Patientenmanagement, Bildbearbeitung (4,5 min SD) und -speicherung auf Film wurden als zeitintensive Aktivitäten erkannt. Nach Netzplanoptimierung konnte eine realistische Untersuchungsdauer für CT Thorax und Kopf von 15:15 (-28%) und 18:37 Min. (-16%) für das CT von 2000 bzw. 27:07 (-25%) und 31:26 Min. (-10%) für das CT von 1998 projiziert werden. Während der Vorbereitung liegen die Tätigkeiten des Arztes auf dem kritischen Pfad. Die CT-MTRA arbeitet bei der Durchführung der Untersuchung, die Patienten-MTRA zur Nachbereitung auf dem kritischen Pfad. Bei Intensivpatienten wurden im Vgl. zu mobilen und bettlägerigen Patienten bis zu 30% längere Untersuchungszeiten errechnet. Projizierte Untersuchungszeiten am CT-Arbeitsplatz können unter Verwendung der Netzplantechnik bis zu 28% verkürzt werden. / The efficiency of CT operations was evaluated to identify ways to redesign and improve the workflow. A workflow analysis using Critical Pathway Method (CPM) and Program Evaluation and Review Technique (PERT) was performed of head and chest CT by: 1. Observation and definition of work steps to perform the CT scans. 2. Time measurement of 158 CT scans (2 CT scanners of 1998 and 2000), dividing into 3 patient categories (mobile, led up, ICU). 3. Calculation of operational measures and graphical representation of process flow. 4. Finding problematic work steps and reasons behind delays. 5. Process redesign. Mean examination times for chest and head CT of mobile patients were 21:04 and 23:05 minutes respectively for the scanner of 2000 and 36:01 and 34:50 min. for the scanner of 1998. Inside the scanner room the greatest inefficiencies were due to protocol problems (7.1 min standard deviation) and post-processing (4.5 min s.d.). The process redesign lead to a realistic projected examination time of 15:15 (-28%) and 18:37 min. (-16%) for chest and head CT of 2000 respectively and 27:07 (-25%) and 31:26 min.(-10%) for chest and head CT of 1998 (all for mobile patients). The M.D. works critical during preparation time, scanning technician during examination time and patient technician during post-processing time. ICU patients may lengthen examination time up to 30%. Examination time may be reduced up to 28% using CPM and PERT to help redesign the workflow.

Fragestellung: Das von Dixon 1991 beschriebene tierexperimentelle Modell der 'controlled cortical impact injury'(CCII) wurde zur Untersuchung pathophysiologischer und pathomorphologischer Veränderungen nach traumatischer Hirnkontusion angewandt. Magnetresonanztomographische Techniken (MRT) einschließlich der diffusionswichtenden Bildgebung (DWI) wurden genutzt, um den Zeitverlauf der Hirnödementwicklung zu erfassen, eine Differenzierung unterschiedlicher Ödemformen zu ermöglichen und einen Blut-Hirn-Schrankenschaden zu detektieren. Desweiteren wurde die MRT genutzt, um den neuroprotektiven Effekt des NO-Synthase-Pathway-Modulators Lubeluzol, der bereits im Modell der zerebralen Ischämie nachgewiesen werden konnte, zu untersuchen. Material und Methoden: An 46 Sprague Dawley Ratten wurde eine links parieto-temporale Kontusion appliziert. Die Tiere wurden bis zu 7 Tage nach Trauma magnetresonanztomographisch untersucht. 36 Tiere erhielten Lubeluzol resp. Plazebo. Ergebnisse: Die T2-gewichtete Bildgebung zeigte eine maximale Ödemausbreitung 24 - 48 Stunden nach Trauma. Es ließ sich mithilfe der DWI ein Kontusionskern von einem Kontusionsrand differenzieren. Der Kontusionskern zeichnete sich bis 48 Stunden nach Trauma durch eine Abfall des apparenten Diffusionskoeffizienten (ADC) aus, einem zytotoxischem Ödem entsprechend, der Kontusionsrand wies während des gesamten Untersuchungszeitraums einen ADC-Anstieg auf, als Ausdruck eines vasogenen Ödems. Die T1-gewichtete Bildgebung konnte nach Kontrastmittel (KM)-Applikation durch die KM-Extravasation eine über 7 Tage anhaltende Störung der Blut-Hirnschranke detektieren. In der Lubeluzol-Studie ließ sich anhand der ADC-Veränderungen, des Ödemausmasses oder physiologischer Parameter wie Blutdruck, intrakranieller Druck oder Hirnschwellung kein signifikanter Unterschied zwischen den Tieren der Substanz- bzw. Plazebo-Gruppe aufzeigen. Schlußfolgerung: Die in dem Modell der CCII induzierte traumatische Hirnkontusion zeichnet sich bis 48 Stunden nach Trauma durch einen zytotoxischen Kontusionskern und einen diesen umgebenen vasogenen Kontusionrand aus. Desweiteren konnte ein anhaltender Blut-Hirnschrankendefekt nachgewiesen werden. Ein neuroprotektiver Effekt des Lubeluzols konnte in diesem Traumamodell in der hier applizierten Dosierung nicht nachgewiesen werden. / Objective: The controlled cortical impact injury (CCII) device, as described by Dixon 1991, was used to investigate the brain tissue damage in an animal model of severe traumatic brain injury. Magnetic resonance imaging (MRI) techniques including diffusion weighted imaging (DWI) have been applied to analyse the time course and the characteristics of edema formation and to detect blood-brain-barrier disruption. Furthermore MRI has been used to investigate a neuroprotective effect of the NO-synthase pathway modulator lubeluzole, which has proved markedly beneficial in a model of cerebral ischemia in rats. Material and Methods: a left parieto-temporal cortical contusion was inflicted upon 46 Sprague Dawley rats. Animals have been examined up to 7 days following trauma by MRI. 36 animals have been administered lubeluzole resp. placebo. Results: The most pronounced edema formation has been shown in T2-weighed imaging at 24 - 48 hours post trauma. DWI was able to distinguish between a contusion core and a contusion rim. The contusion core was marked by a decrease in the apparent diffusion coefficient (ADC) up to 48 hours post trauma, indicating cytotoxic edema, whereas the contusion rim has been characterised by vasogenic edema, as indicated by ADC-increase over the entire investigation period. In T1-weighted imaging contrast agent extravasation indicated a sustained blood brain barrier disruption up to 7 days after trauma. Compared to placebo administered rats in lubeluzole-treated animals no significant differences in ADC-changes, edema-extension or physiological parameters as blood pressure, intracranial pressure or brain swelling could be demonstrated. Conclusion: CCII induced traumatic brain injury is characterised by a cytotoxic edema up to 48 hours encircled by a vasogenic contusion rim accompanied by a sustained blood brain barrier disruption. In the model of CCII lubeluzole did not reveal a neuroprotective effect in the applied dosage.

In dieser Studie sind die Massenvolumina und die Innenvolumina rechter und linker Ventrikel von 36 Patienten (15 Frauen und 21 Männer, im Alter zwischen 24 und 82 Jahren, mittleres Alter 54 Jahre) mittels transösophagealer Echokardiographie (TEE, HP SONOS 1500 mit einen rotierenden 5Mhz Schallkopf) und Magnetresonanztomographie (MRT, 1,5T Ganzkörper-MRT - ACS, Philips. T1-gewichtete Turbo-Gradientenecho-Sequenz) untersucht worden. Ziel ist es beide Untersuchungsmethoden auf Übereinstimmungen und Unterschiede bei Messung von Massenvolumina und Innenvolumina beider Ventrikel unter Berücksichtigung von Sinusrhythmus (26 Ventrikel) und Vorhofflimmern (18 Ventrikel) zu überprüfen. Dabei werden sowohl die Innenvolumina, die freien Wände und die Septen jeweils in der Enddiastole und in der Endsystole verglichen als auch die abgeleiteten Parameter, Ejektionsfraktionen und Schlagvolumina. Beide Methoden werden mit der Scheibchen-Summationsmethode aus jeweils vier Einzelmessungen verglichen. Die graphische und statistische Auswertung erfolgt mittels Bland-Altmann-Plot. Im T-Test für unverbundene Stichproben stellt sich kein signifikanter Unterschied zwischen linken und rechten sowie zwischen großen und kleinen Ventrikeln heraus. Es besteht ein signifikanter Unterschied zwischen Ventrikeln mit Vorhofflimmern und Sinusrhythmus, so dass wir hier einen Vergleich aufstellen. Die enddiastolischen Messungen der Innenvolumina und freien Wände zeigen deutliche Diskrepanzen der Ventrikel mit Sinusrhythmus und Vorhofflimmern - um etwa das Doppelte der Standardabweichung und des systematischen Fehlers. Die enddiastolischen Septen sind annährend gleich gut dargestellt. In der Endsystole liefern die Messungen der Innenvolumina, der freien Wände und der Septen annähernd gleiche Ergebnisse wie in der Enddiastole. Die errechneten Ejektionsfraktionen haben sowohl bei Sinusrhythmus als auch bei Vorhofflimmern gleich gut Standardabweichungen und systematische Fehler. Ähnlich verhält es sich bei den Daten der Schlagvolumina. Absolut betrachtet liefern beide volumetrischen Messmethoden bei Ventrikeln mit Sinusrhythmus und Vorhofflimmern akzeptable Ergebnisse, da die Differenzen nur wenige Milliliter betragen. / This study compares the feasibility of calculating the masses and the inner volumes the of right and left heart ventricles in 36 patients (15 female and 21 male, ages between 24 and 82 years, mean 54 years) with transesophageal echocardiography (TEE, HP SONOS 1500 with a rotating 5Mhz transducer) and cardiac MRI (1,5Tesla whole body MRI, ACS Philips with a Synergy Cardiac Coil, T1-Turbo Gradient Echo). We want to compare both methods in calculating the inner volumes, the septal and the free myocardial masses in endsystolic and enddiastolic phases as well as the ejection fraction (EF) and the stroke volume (SV) in ventricles with sinusrhythm (n=26) and with atrial fibrillation (n=18). Both methods are evaluated by a disc-summation method from a mean value of four different measurement. The statistic analysis is done with a Bland-Altmann-Plot. The T-test shows no significant difference between big and small or right and left ventricular masses, but it shows a significant difference in the measured data of ventricles with sinusrhythm and those with atrail fibrillation. A subgroup analysis is performed on the latter. The standard error of mean and the systemic mistake of the inner- and myocardial-volumes differ about double the size with ventricles in atrial fibrillation from those with sinusrhythm. The septal volumes show no differences in both subgroups. The endsystolic measurements are about equal from those in the enddiastolic phase. The EF and the SV have equal standard error of means and systemic mistakes in both subgroups of sinusrhythm and atrial fibrillation. In conclusion both methods are equally reliable in the volumetric measurement of ventricles with sinusrhythm and atrial fibrillation, because the absolute value differs just a few milliliters.

Die Plaqueruptur in der Koronararterie ist nach heutiger Vorstellung Ursache des akute Koronarsyndrom. Ziel der Arbeit war die Optimierung der koronaren Plaquedarstellung in der Magnetresonanztomographie. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei spezifische Probleme der koronaren Plaquedarstellung bearbeitet: Erstens die ateminduzierte Herzbewegung und zweitens die hohe Auflösung, die erforderlich ist, um Plaques in den Koronarien darstellen zu können. Die prospektive Navigator-Gating-Technik wird eingesetzt, um ateminduzierte Artefakte der Herzbewegungen zu korrigieren. Die Herzbewegung wird dabei anhand der craniocaudalen Bewegung des Diaphragmas korrigiert. Durch Unterschiedliche Lagerung des Probanden wurde versucht, die Bewegung des Herzens während der Atmung zu minimieren und die anteroposteriore Komponente der Atmung, die nicht korrigiert werden kann, zu unterdrücken. Die Bewegungsmessungen wurden mit Navigatoren durchgeführt. Die extrem hohen Auflösungen die für eine Plaquedarstellung erforderlich sind erzeugen, durch das geringe Volumen was pro Voxel angeregt wird, sehr wenig Signal. Durch den Einsatz der Spiral-Technik kann theoretisch mehr Signal erzeugt werden. Es wurden Plaquedarstellung der Karotiden und der Koronarien in konventioneller Technik und in Spiral -Technik durchgeführt und das Signal und Kontrast zu Rauschverhältnis verglichen. Das Ergebnis der Bewegungsmessung des Herzens war, dass die Rückenlage die beste Lagerungsmethode für die prospektive Navigator-Gating-Technik ist. Die Plaquedarstellung in den Karotiden zeigte ein statistisch signifikant höheres Signal und Kontrast zu Rauschverhältnis in Spiral-Technik als in konventioneller Technik. Eine Plaquedarstellung in den Koronarien war mit einer Auflösung von 0,273mm mal 0,273mm bei einer Schichtdicke von 0,2mm nur in Spiraltechnik möglich. / The main cause of the acute coronary syndrome is plaque rupture. The aim of the study was to optimize magnetic resonance coronary plaque imaging. To achieve this goal tow specific problems of coronary plaque imaging were investigated. First the heart motion during breathing and second the high spatial resolution, which is necessary to display coronary plaque. The prospective navigator gating technique is used in cardiac magnetic resonance to suppress respiratory motion of the heart. The respiratory heart motion is corrected on the basis of the feed to head motion of the diaphragm. Different patient position were tested to suppress the anterior posterior breathing motion of the heart, because this motion component can not be corrected for. The motion measurements were done with navigators. High spatial resolutions result in a low signal. The spiral technique acquires theoretical more signal than standard techniques. Plaque imaging of the carotid arteries and the coronary arteries were done in spiral and in standard technique. The signal to noise were compared for both techniques. The results of the motion measurements of the heart were: the supine position should be preferred in cardiac magnetic resonance imaging. The spiral technique in the carotid arteries had a significant higher signal to noise ration compared to the standard technique. Coronary plaque imaging was only possible in spiral technique, with a resolution of 0.273 times 0.273mm and slice thickness of 0.2mm.

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 hier verwendete Methode der dynamischen Magnetresonanztomographie (dMRT) erlaubte bei Hirntumorpatienten erstmals, gleichzeitig neben dem regionalen zerebralen Blutvolumen (rCBV) und dem regionalen zerebralen Blutfluß weitere Parameter, wie Permeabilitäten, die interstitiellen Volumina und das Zellvolumen, zu bestimmen. Anhand dieser Parameter sollte erstens geprüft werden, inwieweit diese zu einer besseren Malignitätseinstufung von Hirntumoren beitragen. Zweitens sollte geklärt werden, inwiefern sich die untersuchten Tumorgruppen voneinander unterscheiden lassen. Drittens war es Ziel, ein in-vivo-Grading für die Gliome zu entwickeln. Es wurden 60 Patienten mit verschiedenen Tumoren, wie Gliome, Metastasen, Meningeome und Lymphome, untersucht. Die aus der dMRT-Untersuchung erhaltenen Daten wurden mit einem pharmakokinetischen Modell ausgewertet. Für jeden Patienten wurden die oben genannten Parameter in Form von Bildern dargestellt und quantitativ berechnet. Für die Tumordifferenzierung eignete sich das mittlere rCBV am besten: Innerhalb der Gliome konnte signifikant zwischen den Grad-II- und Grad-III-Gliomen und den Grad-II- und Grad-IV-Gliomen unterschieden werden. Weiterhin konnten die Meningeome signifikant von den anderen untersuchten Tumorentitäten abgegerenzt werden. Das in-vivo-Grading der Gliome erlaubte in 71 % der Fälle eine korrekte Zuordnung zum WHO-Grad. Die Parameterbilder lieferten neben Informationen für die Tumordifferenzierung auch beispielsweise Hinweise auf den heterogenen Tumoraufbau. Des weiteren ermöglichten sie, Narbengewebe gegenüber Tumorgewebe abzugrenzen und Folgen einer Strahlentherapie zu beobachten. Schließlich waren Aussagen über die Gefäßarchitektur und das Wachstum unterschiedlicher Tumorgruppen möglich. Die mit der hier verwendeten Methode der dMRT erhaltenen Parameter boten mehrere Vorteile: Eine Differenzierung einzelner Tumorgruppen war möglich. Für die Gliome konnte mittels des in-vivo-Gradings eine quantitative Malignitätseinschätzung erfolgen. Die gewonnenen Informationen über den heterogenen Tumoraufbau erlauben bessere Biopsieergebnisse. Zusätzlich wurden Hinweise auf die Tumorpathophysiologie erhalten und es erschien möglich Veränderungen nach Therapie zu beobachten. / A method of dynamic magnet resonance imaging (dMRI) was used, which allowed for the first time to determine simultaneously several parameters in patients with brain tumors. These parameters were the regional cerebral blood volume (rCBV), the regional cerebral blood flow, and in addition, permeabilities, interstitial volumes, and the cell volume. First, it should be determined to what extent these parameters allow a better classification of the malignancy of brain tumors. Second, it should be evaluated how far it is possible to differentiate the examined tumor groups from each other. Third, a method for an in-vivo-grading specifically for gliomas should be developed. Altogether 60 patients with different tumors such as gliomas, metastasis, meningiomas, and lymphomas were examined. The data of the dMRI examination were evaluated using a pharmacokinetic model. For every patient, the parameters mentioned above were shown in maps and calculated quantitatively. The mean rCBV resulted in the best tumor differentiation: within the group of gliomas it was possible to differentiate significantly between grade-II- and grade-III-gliomas and grade-II- and grade-IV-gliomas. Furthermore, meningiomas were differentiated significantly from the other tumors. In respect to the group of gliomas, the tumor grades determined by the developed in-vivo-grading corresponded with the WHO grade of each glioma in 71 % of the cases. The parameter maps were not only usefull for tumor differentiation, but also yielded information concerning the heterogenous tumor structure. Additionally, these maps allowed to differentiate scar tissue from tumor tissue and effects of a radiotherapy could be observed. Finally, information about the vessel architecture and the growth of different tumor groups could be obtained. The parameters determined by the dMRI method used here offered several advantages: it was possible to differentiate between single tumor groups. For the gliomas, a quantitative malignancy classification resulted from the in-vivo-grading. The information concerning the structure of the heterogeneity of the tumor allows for better biopsy results. Additionally, information was also obtained concerning the pathophysiology of the tumors and it seemed possible to observe changes after a therapy.