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.

Fragestellung: Wie nützlich ist das Mehrschicht-Spiral-CT bei der Diagnostik der Darmischämie? Studiendesign: Retrospektive Studie Patientenkollektiv: 112 Patienten, die in einem Zeitraum von drei Jahren bei Verdacht auf Darmischämie in einem Mehrschicht-Spiral-CT untersucht wurden. Ergebnis: Bei den 112 Verdachtsfällen handelte es sich in 26 Fällen um eine Darmischämie. Das CT erkannte davon 24 (92%), ein Fall wurde falsch negativ (4%) befundet und ein Fall (4%) wurde als unklar eingestuft. Von den 86 Fällen ohne Darmischämie wurden 77 (89%) korrekt erkannt, drei (4%) wurden falsch positiv befundet und 6 (7%) Fälle wurden als unklar eingestuft. Die Ergebnisse der bei manchen Patienten zusätzlich durchgeführten Sonografie – und Röntgenuntersuchungen waren erheblich schlechter (Sono: Sensitivität: , Spezifität: ; Röntgen: Sensitivität: , Spezifität: ). Die erhobenen Laborparameter (Leukozyten, Lactat, D-Dimere) waren zur Beurteilung, ob es sich um eine Darmischämie handelt, nicht spezifisch genug. Schlussfolgerung: Das Mehrschicht-Spiral-CT ist mit einer Sensitivität von 92% und einer Spezifität von 97% gut zur Erkennung einer Darmischämie geeignet. Unklare Fälle sind mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht operationswürdig. / Objective: To verify the diagnostic importance of helical CT in the diagnosis of mesenteric ischemia. Design: Retrospective study Subjects: 112 patients, who where examined by helical CT during a 3-year-period, with suspected mesenteric ischemia. Main Outcome: 26 cases proved to be mesenteric ischemia. Helical CT was diagnostic in 24 (92%) cases, wrong in one (4%) case and uncertain in one (4%) case. No ischemia was correctly diagnosed in 77/86 (89%) cases, wrongly in three (4%) and 6 (7%) were uncertain. Sonografie and plain film radiographs were taken on some patients, but the results were unsatisfactory. Sonography: Sensitivity: 0%, specificy: 85,7%. Plain film radiographs sensitivity: 0%, specificy: 100%. Results of laboratory test were of little diagnostic value (white blood cell count, lactate, d-dimere). Conclusions: Helical CT is a valuable tool for detecting mesenteric ischemia with a sensitifity of 92% and a specificy of 97%. Suspected mesenteric ischemia which cannot be proved by helical CT are most probable non surgical cases.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bildgebung magnetisch markierter Stammzellen im ZNS mittels Magnetresonanztomographie. Dazu wurden Stammzellen mit Eisenoxidnanopartikeln (VSOP, very small superparamagnetic iron-oxide particles) in vitro effizient und ohne zusätzliche Lipofektionsagenzien magnetisch markiert. Es zeigte sich keine wesentliche Beeinflussung der Vitalität, Proliferation und Differenzierungsfähigkeit sämtlicher untersuchter Zellpopulationen. Zur Evaluierung der Grenzen der zellulären MR-Bildgebung wurde das Detektionslimit magnetisch markierter embryonaler Stammzellen in vivo nach intrastriataler Injektion im Gehirn der Ratte untersucht. Es ließen sich bei einer Feldstärke von 17,6 T weniger als 100 magnetisch markierte Zellen sicher vom Hirnparenchym abgrenzen. Die histologische Korrelation bestätigte den zellulären Ursprung der beobachteten T2*-Hypointensitäten. In einem Rattenmodel des Morbus Parkinson konnte eine spezifische Detektion der intrastriatal injizierten magnetisch markierten embryonalen Stammzellen über einen Zeitraum von 6 Monaten erreicht werden. Es konnte keine signifikante Migration der Zellen festgestellt werden, jedoch fanden sich große interindividuelle Unterschiede in ihrer räumlichen Verteilung. In der histologische Analyse stellten sich auch sechs Monate nach der Transplantation im Bereich des Stichkanals eisenoxidmarkierte Stammzellen dar. In einem Mausmodell der cerebralen Ischämie wurde erstmals die Anreicherung systemisch injizierter magnetisch markierter mononukleärer Zellen kernspintomographisch erfasst. 24 - 48 h nach der Injektion magnetisch markierter Zellen stellten sich T2*-gewichtete Signalhypointensitäten im Randbereich der Ischämie dar. Insgesamt zeigte sich in dieser Studie die zelluläre Magnetresonanztomographie zu einem nicht-invasiven Nachweis einer geringen Anzahl magnetisch markierter Zellen über einen langen Zeitraum mit hoher Sensitivität in der Lage. / This thesis is dealing with the imaging of magnetically labeled stem cells in the CNS using magnetic resonance imaging (MRI). Stem cells were efficiently magnetically labeled with very small superparamagnetic iron-oxide particles (VSOP), without any lipofection agents. No significant impact on vitality, proliferation and ability to differentiate could be observed after the magnetic labeling of all cell populations investigated. Magnetically labeled embryonic stem cells were injected into the striatum of rats to evaluate their detection limit by MRI. At field strengths of 17.6 T, less than 100 cells could be discriminated from the brain parenchyma as T2*-weighted hypointensities. Histology proved the cellular origin of MRI-signal changes. In a rat model of Parkinsons’s Disease, magnetically labeled embryonic stem cells could be detected by MRI after intrastriatal injection for a time period of more than 6 months. No significant migration of transplanted cells could be observed, however significant inter-individual differences concerning the spatial distribution of cells could be found. Histologically, transplanted iron-oxide-labeled cells could still be detected in the vicinity of the injection tract six months after transplantation. In a mouse model of cerebral ischemia, the enrichment of systemically injected magnetically labeled mononuclear cells was detected non-invasively by MRI. 24 to 48 hours after injection of magnetically labeled cells, T2*-weighted hypointense signal changes could be observed in the border zone of the ischemia. Over all, this study showed that cellular MRI is capable of the sensitive non-invasive detection of small numbers of magnetically labeled cells over a long period of time.

In einer initialen Studie verglichen wir das XQi Revolution, welches auf indirektem CsI (Cäsium Iodit) /a: Si (amorphes Silizium) basiert mit einem direkten Digitalröntgengerät a: SE (amorphes Selen) an einem CDRAD-Phantom bei vier unterschiedlichen Eintrittsdosen und an einem TRG-Phantom bei zwei unterschiedlichen Eintrittsdosen. Mittels des berechneten Bildqualitätsfaktors des CDRAD-Phantoms konnten wir zeigen, daß das indirekte im Vergleich zum direkten System bei niedrigeren Dosen eine bessere Detailerkennungsrate aufweist. Ein positiver Trend läßt sich auch beim TRG-Phantom darstellen. In einer weiteren Studie untersuchten wir anhand von Patientenbildern die Bildqualität des Dual Energy Systems bei zwei unterschiedlichen Dosisniveaus, der Standarddosis sowie einer doppelten Dosis, was einem Speed-Äquivalent von 400/1000 bzw. 200/500 entspricht. Bei hoher Dosis konnten wir eine signifikante Reduktion des Rauschens im Knochen- und Weichteilbild feststellen, gleichzeitig nahmen die Störungen durch Bewegungsartefakte signifikant zu. Im Anschluß verglichen wir die Erkennbarkeit verkalkter Lungenpathologien im Standard P/A Bild mit zusätzlichem Einsatz von Dual Energy. Als Goldstandard erfolgte der sichere Nachweis der Pathologien im CT. Bei zusätzlichem Einsatz von Dual Energy konnten wir eine signifikante Steigerung der Sensitivität erkennen. Dieses Ergebnis wurde durch den Qualitätsfaktor, der die Bildeigenschaften kumulativ beschreibt, bestätigt. Weiterhin untersuchten wir analog die Erkennbarkeit von nichtverkalkten Lungenrundherden. Auch bei diesen Pathologien ließ sich ein positiver Trend der Sensitivität und Spezifität bei zusätzlichem Einsatz von Dual Energy erkennen. Zusätzlich stieg die durchschnittliche Entscheidungssicherheit der Gutachter signifikant an. Damit bietet die Dual Energy Subtraktionstechnik eine wertvolle Ergänzung in der Diagnostik verkalkter und nichtverkalkter Lungenpathologien eine wertvolle Ergänzung zum Standardröntgen. / First study assess and quantify the image quality at two dose levels for an amorphous Silicon (a:Si) Cesium Iodide (CsI) flat panel system compared with a direct amorphous Selenium (a:Se) digital radiography system. Image quality of a:Si flat panel digital radiography proved to be superior to a:Se drum digital radiography using low-dose settings. Second study assess the image quality of subtracted soft tissue and bone images of a CsIdetector-based dual-energy system for chest radiography at varying dose levels. Radiation dose did not significantly influence the perception of dual-energy image quality. Next study assess the value of dual-energy chest radiography obtained using a cesium iodide flat-panel detector in addition to standard posteroanterior chest radiography for the detection of calcified chest abnormalities. When dual-energy images were added, sensitivity increased significantly. Brunner and Langer’s test revealed a highly significant difference between posteroanterior chest radiography and dual-energy imaging in the detection of calcified chest abnormalities. Dual-energy images added to standard posteroanterior chest radiographs significantly improve the detection of calcified chest lesions. Last study compare the sensitivity and specificity of digital chest radiography alone with digital chest radiography combined with dual-energy chest radiography in the detection of small non-calcified pulmonary nodules. Standard and dual-energy radiographs were obtained with a flat-panel digital chest system. The increase of nodule detection overall as well as for different size categories was significant. The increase of the confidence level rating was also significant. Dual energy added to standard posteroanterior chest radiography significantly improves the sensitivity, specificity, and confidence in detection of small non-calcified pulmonary nodules. Dual-energy subtraction has the potential to become a future routine application in chest radiography.

Zweck der molekularen Bildgebung ist es, biologische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene zu messen und zu charakterisieren, um so die Ursachen von Krankheiten und Veränderungen im Organismus zu diagnostizieren. Sie basiert auf dem Einsatz molekularer Bildgebungssonden, welche einen spezifischen biologischen Vorgang darstellen oder sich spezifisch in dem zu untersuchenden Gewebe anreichern oder aktiviert werden. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Analyse neuer Bildgebungssonden für die spezifische in-vivo-Bildgebung der Apoptose und von Enzymaktivitäten mittels Magnetresonanztomographie (MRT) auf der Grundlage sehr kleiner Eisenoxidnanopartikel (very small iron oxide particles, VSOP). VSOP sind superparamagnetisch und durch ihre negativ geladene Citrathülle elektrostatisch stabilisiert. Für die Apoptose-Bildgebung sollte durch Bindung des Proteins Annexin A5 (AnxA5) an die Citrathülle der VSOP eine zielgerichtete Sonde hergestellt werden (AnxA5-VSOP). Für die Bildgebung von Enzymaktivitäten sollte eine durch die Matrixmetalloproteinase-9 (MMP-9) aktivierbare Sonde hergestellt werden (Protease-spezifische Eisenoxidpartikel, PSOP). / The goal of molecular imaging is to characterize and measure biological processes at cellular and molecular levels for the purpose of diagnosing the cause of diseases and molecular abnormalities. Molecular imaging is based on the use of probes with a high affinity to the target tissue and / or which are specifically activated. The aim of this study was to develop and analyze new molecular imaging probes for the in vivo imaging of apoptosis and enzyme activity using magnetic resonance imaging (MRI), based on very small iron oxide particles (VSOP). VSOP are superparamagnetic and electrostatically stabilized due to their negatively charged citrate surface. For the imaging of apoptosis the protein annexin A5 (AnxA5) was coupled to the citrate surface (AnxA5-VSOP). For the imaging of enzyme activities an activatable imaging probe with a cleavage site for the matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) was synthesized (protease-specific iron oxide particles, PSOP).

Im Berliner Zentrum für Craniofaciale Fehlbildungen in der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie- Klinische Navigation und Robotik der Charité Campus Virchow-Klinikum in Berlin wird der mobile CT Philips Tomoscan M in die Implantation von extraoralen kraniofazialen Knochenankern zur Epithesenfixierung eingebunden. Es stellt sich dabei die Frage nach der Ortstreue und Dimensionstreue von knöchernen Strukturen und extraoralen kraniofazialen Implantaten im CT. Ein Knochenphantom dient der Vermessung von Lochpaaren verschiedener Abstände, einer Knochenschraube, eines Abutments und eines Magneten unter variierten Scanparametern durch Werkzeuge der Scannerkonsole. Die Ortstreue von Löchern und Implantaten liegt in >99% im Intervall ±0,2mm. Fenstereinstellungen haben einen geringen Einfluss auf Lochabstände. Lochdurchmesser zeigen unter Anhebung des Window Level (WL) Korrelation (r2=0,776) und eine lineare Größenzunahme bei maßstabgerechter Skalierung, variieren aber wenig unter Variation der Window Width (WW). Alle Implantate werden zu groß abgebildet, außer in extremen Fenstereinstellungen. Implantatdimensionen nehmen bei maßstabgerechter Skalierung mit höheren WL linear ab. Die Variabilität der Darstellung nimmt mit dichterem Implantatmaterial ab. Kontaktflächen von Implantaten mit Gewebe sind im CT nicht beurteilbar. / In the Berlin Centre for Craniofacial Malformations at the Clinic for Oromaxillofacial Surgery of the Charité, Campus Virchow- Clinic in Berlin, a mobile CT Scanner Philips Tomoscan M is integrated into the process of extraoral bone anchor implantation for prosthesis fixture. With implementation of the scanner, accuracy of localisation and dimensional accuracy of bony structures and implants have been questioned. A bone phantom is used for measuring distances between holes, hole diameters and dimensions of an implant fixture, an abutment and a magnet with measuring tools of the scanner under variation of scan parameters. Localisation accuracy of holes and implants is found in >99% within ±0.2mm. Window settings have little influence on hole distances. Diameters show linear growth at standardized scaling and correlation with window level augmentation (r2=.776). Little Variation of diameters is found with variation of window width. All Implants are magnified. Implant dimensions diminish with window level augmentation at standardized scaling. Variability of dimension decreases with more radio opaque implant material. Implant contact with tissues cannot be assessed in CT scans.

Zielsetzung In den Industrieländern stellt der Schlaganfall nach kardiovaskulären und Krebs – erkrankungen die dritthäufigste Krankheitsgruppe dar. Im Hinblick auf die Therapie des akuten Schlaganfalls muss die bildgebende Diagnostik schnell und einfach das Ausmaß der zerebralen Ischämie beschreiben können. Ziel dieser Studie war die Einführung und die Validierung eines CT – Protokolls, welches die Diagnostik des akuten Schlaganfalls verbessern soll. Zu diesem CT – Protokoll gehören ein Nativ – CT des Schädels, eine CT – Perfusionsuntersuchung und eine CT – Angiographie. Zusätzlich wollte diese Arbeit herausfinden, ob es physiologische Unterschiede zwischen der grauen Substanz und der weißen Substanz gibt, deren Kenntnis entscheidend für die Auswertung von computertomographischen Perfusionsuntersuchungen sind. Material und Methoden Insgesamt wurden 101 Patienten (Alter von 14 – 94 Jahre, mittleres Alter 69 Jahre) mit einem 8 – bzw. 16 – Zeilen – MSCT (Light Speed Ultra oder Light Speed pro 16, GE Healthcare), die zur Abklärung einer zerebralen Ischämie zum CT vorgestellt wurden, untersucht. Zuerst wurde eine native CT – Serie akquiriert. In der Untersuchung der zerebralen Perfusion wurde eine 2 cm breite Schicht über 60 sec mit 20 intermittierenden Aufnahmen während einer Injektion von 40 ml Kontrastmittel (Iopromid, Jodgehalt von 370 mg) aufgezeichnet. Daran an schloss sich eine CT – Angiographie Untersuchung. Zur Bestimmung des regionalen zerebralen Blutflusses, des regionalen zerebralen Blutvolumens und der mittleren Verweildauer wurden definierte Messfelder (Regions of Interests, ROIs) bestimmt und mit der kontralateralen Hemisphäre verglichen. Ergebnisse Es konnte gezeigt werden, dass der regionale zerebrale Blutfluss und das Blutvolumen im Bereich der Hirnrinde höher sind als im Hirnmark. Insgesamt wurden 66 Patienten mit einer zerebralen Ischämie wurden gefunden. Bei 22 dieser Patienten konnte ein Infarktgeschehen in der Nativ – CT diagnostiziert werden. Diese Ischämien ließen sich auch in der CT – Perfusion mit reduziertem regionalem zerebralem Blutfluss und verlängerter mittlerer Verweildauer nachweisen. Zusätzlich fanden sich 44 Patienten von 101 Untersuchten, die in der CT – Perfusion ein Perfusionsdefizit aufwiesen. Bei diesen Patienten ließ sich kein entsprechendes Korrelat in der Nativ – CT nachweisen. Für 38 dieser 44 Patienten konnte eine CTA durchgeführt werden, wovon für 35 Patienten ein Korrelat zwischen der CT – Perfusion und der CTA gefunden werden konnte. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass es physiologische Unterschiede zwischen der Hirnrinde und dem Hirnmark gibt, deren Kenntnis für die Bewertung computertomographischer Perfusionsuntersuchungen eine wesentliche Interpretationshilfe darstellt. In Bezug auf die Diagnostik des akuten Schlaganfalls mit der Nativ – CT konnte diese Arbeit zeigen, dass der Nachweis von Infarktfrühzeichen eingeschränkt ist. Mit Hilfe der CT – Perfusion ist es möglich, anhand von zerebralen Perfusionswerten den Schweregrad und die Ausdehnung der zerebralen Ischämie zu bestimmen. Die CT – Angiographie zeigt eine gute Korrelation zur CT – Perfusion, es lassen sich zuverlässig Gefäßverschlüsse darstellen. Im Hinblick auf das weitere Therapievorgehen geben diese Methoden eine wichtige Hilfestellung, etwa zur Überlegung, ob man eine Lysetherapie durchführen sollte oder nicht. / Purpose Stroke is the third – leading cause of death in developed countries, following cardiovascular disease and cancer. There is a need for an easily and rapidly performed technique to detect cerebral ischemia in the first hours after its occurrence. The purpose of this study was the introduction and validation of a Stroke protocol which includes an unenhanced CT scan, a CT Perfusion and a CT Angiography. Furthermore, the purpose of this study was to determine if there is a difference between Perfusion parameters in gray and white matter, which are necessary to know while performing perfusion maps. Data and Methodology A total of 101 patients (age range 14 – 94, average age 69 years) were examined using multiple row CT (8 / 16 row multiple detector, light ultra speed or light speed 16, GE medical systems) for diagnosing cerebral ischemia. First a series of native images was acquired. During the examination of cerebral perfusion a 2 cm wide slab was recorded for 60 sec with 20 intermittent scans following injection of 40 ml of contrast medium with an iodine content of 370 mg / ml. By defining Regions of Interests (ROIs) regional cerebral blood flow (CBF), regional cerebral blood volume (CBV) and mean transit time (MTT) were calculated. Results Physiological regional cerebral blood flow and cerebral blood volume in gray matter were higher than in white matter. In total 66 patients with a cerebral ischemia were found. The unenhanced CT detected 22 patients with cerebral ischemia, which were confirmed by CT Perfusion in all cases. These ischemic areas revealed reduced regional CBF and extended MTT. Furthermore an ischemia correlative was discovered by perfusion analysis for 44 patients (out of 101 investigated) where the extent of the cerebral ischemia had not been visible by unenhanced CT. For 38 out of 44 patients with cerebral ischemia we were able to perform a CTA. For 35 out of these 38 patients, we found a sizable correlation between perfusion maps and CTA. Conclusion There are physiological differences for CT Perfusion parameters between gray and white matter, which are necessary to know for the interpretation of perfusion maps. However, this examination was able to show that unenhanced CT is not always capable of showing early CT signs. With the help of CT perfusion it is possible to detect the extent of acute cerebral ischemia. Furthermore, CT Angiography shows a sizable correlation compared to CT Perfusion. In conjunction, these methods give important Information for the early diagnosis and the therapeutic strategy of ischemic brain injury.