Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. Grenzwertversatilität, Intra- und Interobservervariabilität bei der Befundung verschiedener kardialer MRT-Sequenzen bei Myokarditis eingereicht von Julia Kriemhild Steiner Problemstellung Die akute virale Myokarditis, als sekundäre Entzündung des Herzmuskelgewebes durch kardiotrope Viren, kann vollständig ausheilen oder über eine chronische Myokarditis zu einer dilatativen Kardiomyopathie führen. Dabei können maligne Herzrhythmusstörungen auftreten und es kann zum plötzlichen Herztod kommen. Eine definitive Diagnose ist somit von entscheidender Bedeutung, um interventionsbedürftige Formen zu behandeln und Differentialdiagnosen auszuschließen. Als Goldstandard der Myokarditis-Diagnostik gilt die Endomyokardbiopsie (EMB). Diese birgt als invasive Methode jedoch auch Risiken für den Patienten. Die kardiale Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) stellt eine strahlenfreie, nicht-invasive und damit risikoarme Alternative dar. Ziel dieser Arbeit war es, die Intra- und Interobservervariabilität kardialer MRT-Parameter bei der Diagnostik einer Myokarditis zu evaluieren. Außerdem wurde die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter „edema-ratio“ (ER) und „early gadolinium enhancement“ (gRE) bei Myokarditis auf einem Philips-Scanner untersucht. Material und Methode Diese prospektive Studie am Herzzentrum Leipzig hat von 2007 bis 2009 kardiale MRT-Sequenzen von Patienten ausgewertet, bei denen klinisch der Verdacht auf eine akute virale Myokarditis bestand. Alle Patienten erhielten zur Verifizierung der Diagnose eine Linksherz-EMB. Die Arbeit besteht aus zwei Patientenkollektiven. Bei 52 Patienten (36 männliche Patienten, 16 weibliche Patientinnen; Mittelwert Alter: 49,42 Jahre ± 15,78 (Standardabweichung), Altersbereich zwischen 19-77 Jahre) wurde die Intra- und Interobservervariabilität bei der Auswertung der MRT-Parameter ER (edema-ratio) und gRE (early gadolinium enhancement) evaluiert. Dabei wurde in der STIR die ER berechnet und in der T1 FSE das gRE. Dieses erfolgte durch zwei verblindete Untersucher. Untersucher A war dabei „erfahren“ (> 100 Untersuchungen), Untersucher B (< 50 Untersuchungen) „unerfahren“. Die Analyse erfolgte statistisch durch lineare Regressionsanalysen und Bland-Altman-Plots. Das zweite Kollektiv umfasste 100 Patienten (79 männliche Patienten, 21 weibliche Patientinnen; Mittelwert Alter 46,39 Jahre ± 16,78 (Standardabweichung), Altersbereich zwischen 18-79 Jahre) mit klinischem Verdacht auf akute virale Myokarditis. Es wurde die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter ER und gRE bei der Diagnostik einer Myokarditis auf einem Philips-Scanner untersucht. Die Auswertung der MRT-Sequenzen erfolgte durch einen erfahrenen Untersucher (>100 Untersuchungen). Dabei wurde in der STIR die Edema-Ratio (ER) berechnet und in der T1 FSE das „early gadolinium enhancement“ (gRE). Die Analyse erfolgte statistisch durch Receiver-Operating-Characteristic- Kurven (ROC-Kurven). Ergebnisse Die Evaluation der Intra- und Interobservervariabilität ergab für den „erfahrenen“ Untersucher A eine gute Korrelation bei der Auswertung des MRT-Parameters ER (r=0.96, CI95 r= 0.93-0.98, p < 0.0001) und der Auswertung des MRT-Parameters gRE (r=0.93, CI95 r= 0.89-0.96, p < 0.0001). Für den „unerfahrenen“ Untersucher B stellte sich ein höhere Intraobservervariabilität sowohl bei der Untersuchung der ER (r=0.85, CI95 r=0.75-0.91, p < 0.0001), als auch bei der Untersuchung des gRE (r=0.57, CI95 r=0.36-0.73, p < 0.0001) heraus. Damit war die Interobservervariabilität höher bei der Auswertung des gRE (r=0.60, CI95 r=0.36-0.73, p < 0.0001), als bei der Auswertung der ER (r=0.86, CI95 r=0.76-0.91, p < 0.0001). Die Auswertung des zweiten Patientenkollektivs erfolgte mit Receiver-Operating-Characteristic-Kurven (ROC-Kurven). Als Goldstandard diente, bei Ausnahme einer Sub-Gruppe, die EMB. Für das Gesamtkollektivs dieser Arbeit ergab die Fläche unter der Kurve (AUC) für die ER 0,59 (CI95; 0.474, 0.706) und für das gRE 0.59 (CI95: 0.444,0.672). AUC-Werte nahe der 0.5 deuten auf einen Zufallsprozess hin. Die resultierenden Häufigkeitsverteilungen ergaben bei einem Grenzwert (cut-off) von 1,95 für die ER eine Sensitivität von 64% und eine Spezifität von 59%, für das gRE bei einem Grenzwert von 4,05 eine Sensitivität von 72% und eine Spezifität von 29%. Auf Grund der unbefriedigenden Ergebnisse der ROC-Analysen wurden Subgruppen gebildet, um die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter ER und gRE auf einem Philips-Scanner zu evaluieren, da von der Annahme ausgegangen wurde, dass verschiedene Grenzwerte für die Parameter ER und gRE an unterschiedlichen MRT-Scannern bestehen. Die Analyse des Kollektiv akute Myokarditis (Definition: Symptombeginn < 14 Tagen) ergab für die ER bei einem cut-off von 1,95 eine Sensitivität von 67% und eine Spezifität von 56%. Bei dem gRE zeigte sich bei einem cut-off von 4,05 eine Sensitivität von 81% und eine Spezifität von 56%. Bei einem cut-off von 4,55 eine Sensitivität von 69% und eine Spezifität 69%. Ähnliche Ergebnisse zeigt die Analyse der Subgruppe chronische Myokarditis (Definition: Symptombeginn > 14 Tagen), die für die ER bei einem cut-off von 1,95 eine Sensitivität von 78% und Spezifität von 40% zeigte und für das gRE bei einem cut-off von 4,55 eine valide Sensitivität von 78% und Spezifität von 80%. Es wurde noch eine Analyse der Sub-Gruppe klinisch akute Myokarditis (Definition: Symptombeginn < 7 Tagen, Troponin T oder I positiv, St-Hebungen im Elektrokardiogramm) durchgeführt, wobei hier der Goldstandard geändert wurde. Statt der EMB wurde hier die „Klinik“ als Goldstandard genutzt. Hier zeigte sich erneut für die ER bei einem cut-off von 1,95 bei einer Sensitivität von 78% und Spezifität von 40% und für das gRE bei einem cut-off von 4,55 bei einer Sensitivität von 78% und Spezifität von 80% die validesten Ergebnisse. Schlussfolgerung In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Intra- und Interobserver Variabilität sehr von der Erfahrung des jeweiligen Untersuchers abhängig ist. Das bedeutet, dass die Auswertung kardialer MRT-Sequenzen nur von Personen erfolgen sollte, die bereits Erfahrung mit solchen Sequenzen haben. Damit kann eine hohe Reproduzierbarkeit und Sicherheit der Ergebnisse der Auswertungen erreicht werden. Die Auswertung des gRE erscheint anfälliger und bedarf somit besonderer Sorgfalt. Bei der Grenzwertversatilität der Parameter ER und gRE auf einem Philipps-Scanner konnten wir feststellen, dass der Grenzwert von ≥ 2 für die ER beibehalten werden kann. Für das gRE jedoch muss der Grenzwert von ≥ 4,0 auf ≥ 4,5 korrigiert werden. Die Auswertung kardialer MRT-Sequenzen bei Myokarditis ist somit geräteabhängig. Es sollte deswegen eine genaue Evaluation der Grenzwerte für ER und gRE auf den jeweiligen Scannern erfolgen. Jedoch ist auch mit einem Graubereich zwischen 4,0 und 4,5 für das gRE zu rechnen, so dass solche Ergebnisse noch einmal genau geprüft werden müssen. Im akuten Stadium der Myokarditis konnten wir bessere Ergebnisse mit einer MRT-Untersuchung erzielen als im chronischen Stadium. Das gRE schneidet hier besser ab als die ER. Die hier gezeigten Ergebnisse können die diagnostische Sicherheit einer EMB in der Diagnostik einer Myokarditis vielleicht noch nicht ganz erreichen. Jedoch ist auch die EMB als Goldstandard in der Diagnostik einer Myokarditis immer wieder in der Diskussion. Die kardiale MRT ermöglicht eine differenzierte Einschätzung der myokardialen Funktions- und Gewebeeigenschaften und ist somit in Kombination aller MRT-Sequenzen geeignet, Aktivität und Verlauf einer akuten Myokarditis besser einzuschätzen. In der Zukunft wird somit die kardiale MRT als ein nicht-invasives, strahlenfreies Untersuchungsverfahren eine immer größere Rolle in der Diagnostik entzündlicher Herzerkrankungen spielen

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The presence of missing entries pose a hindrance to data analysis and interpretation. The missing entries may occur due to a variety of reasons such as sensor malfunction, limited acquisition time or unavailability of information. In this thesis, we present algorithms to analyze and complete data which contain several missing entries. We consider the recovery of a group of signals, given a few under-sampled and noisy measurements of each signal. This involves solving ill-posed inverse problems, since the number of available measurements are considerably fewer than the dimensionality of the signal that we aim to recover. In this work, we consider different data models to enable joint recovery of the signals from their measurements, as opposed to the independent recovery of each signal. This prior knowledge makes the inverse problems well-posed. While compressive sensing techniques have been proposed for low-rank or sparse models, such techniques have not been studied to the same extent for other models such as data appearing in clusters or lying on a low-dimensional manifold. In this work, we consider several data models arising in different applications, and present some theoretical guarantees for the joint reconstruction of the signals from few measurements. Our proposed techniques make use of fusion penalties, which are regularizers that promote solutions with similarity between certain pairs of signals. The first model that we consider is that of points lying on a low-dimensional manifold, embedded in high dimensional ambient space. This model is apt for describing a collection of signals, each of which is a function of only a few parameters; the manifold dimension is equal to the number of parameters. We propose a technique to recover a series of such signals, given a few measurements for each signal. We demonstrate this in the context of dynamic Magnetic Resonance Imaging (MRI) reconstruction, where only a few Fourier measurements are available for each time frame. A novel acquisition scheme enables us to detect the neighbours of each frame on the manifold. We then recover each frame by enforcing similarity with its neighbours. The proposed scheme is used to enable fast free-breathing cardiac and speech MRI scans. Next, we consider the recovery of curves/surfaces from few sampled points. We model the curves as the zero-level set of a trigonometric polynomial, whose bandwidth controls the complexity of the curve. We present theoretical results for the minimum number of samples required to uniquely identify the curve. We show that the null-space vectors of high dimensional feature maps of these points can be used to recover the curve. The method is demonstrated on the recovery of the structure of DNA filaments from a few clicked points. This idea is then extended to recover data lying on a high-dimensional surface from few measurements. The formulated algorithm has similarities to our algorithm for recovering points on a manifold. Hence, we apply the above ideas to the cardiac MRI reconstruction problem, and are able to show better image quality with reduced computational complexity. Finally, we consider the case where the data is organized into clusters. The goal is to recover the true clustering of the data, even when a few features of each data point is unknown. We propose a fusion-penalty based optimization problem to cluster data reliably in the presence of missing entries, and present theoretical guarantees for successful recovery of the correct clusters. We next propose a computationally efficient algorithm to solve a relaxation of this problem. We demonstrate that our algorithm reliably recovers the true clusters in the presence of large fractions of missing entries on simulated and real datasets. This work thus results in several theoretical insights and solutions to different practical problems which involve reconstructing and analyzing data with missing entries. The fusion penalties that are used in each of the above models are obtained directly as a result of model assumptions. The proposed algorithms show very promising results on several real datasets, and we believe that they are general enough to be easily extended to several other practical applications.

Coronary atherosclerosis and plaque rupture leads to acute coronary thrombosis and myocardial infarction. Current treatment involves re-establishing vessel patency, but no treatments have been developed to target post-infarction inflammatory pathways. Such treatments may reduce cardiomyocyte injury, attenuate adverse remodelling and improve clinical outcome. Inflammation within the infarcted myocardium is associated with chemotaxis of neutrophils and monocytes to the site of injury. Early reperfusion therapy amplifies this inflammatory cell influx. Neutrophil release a variety of pro-inflammatory factors, including human neutrophil elastase (HNE). HNE has a wide range of substrates. Preclinical studies have demonstrated that neutrophil depletion or inhibition of neutrophil elastase attenuates post-ischemic inflammatory reperfusion injury within the myocardium. Recruitment of monocytes into the infarcted myocardium is followed by maturation and differentiation into macrophages. Macrophages play a key role in orchestrating inflammation and repair. Therapeutic manipulation of this healing process will only come from understanding mechanisms and targeting reparative pathways. “Ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles” (USPIOs) extravasate through capillaries and are phagocytosed by tissue inflammatory cells. These cells are predominately macrophages, but neutrophils have also been shown to take up USPIOs. USPIO-enhanced MRI can identify areas of inflammation in models inflammation in various tissues. Therefore we hypothesised that USPIO enhanced MRI could identify and assess cellular inflammation of the myocardium. During coronary artery bypass graft surgery (CABG), the myocardium receives an immediate ischaemic insult that is exacerbated by post-ischaemic reperfusion inflammatory responses leading to increased myocardial injury. CABG surgery can therefore be used as a clinical model of myocardial infarction and inflammation. We investigated this with blood markers of inflammation, MRI scanning and USPIO. Elafin inhibits the destructive and inflammatory HNE enzyme. Beyond this elafin inhibits inflammatory cytokines and modulates the innate and adaptive immune systems. In preclinical studies elafin treatment is associated with reduced myocardial injury. As such, elafin has a marked potential for the treatment of cardiovascular disease involving inflammation. Therefore, we hypothesised that elafin will reduce perioperative ischaemic myocardial injury and inflammation in patients undergoing elective coronary artery bypass graft surgery. We demonstrated for the first time that USPIOs are taken up by the infarct tissue in patients with recent myocardial infarction and by the peri-infarct myocardium to a lesser degree. This represents a novel non-invasive method to further study cardiac inflammation and therapeutic interventions. All patients undergoing CABG surgery demonstrated >10-fold elevation above the 99th centile of cardiac troponin by high sensitivity assay (hs-cTnI) indicating the current universal definition of type 5 myocardial infarction lacks specificity. A peak hs-cTnI at 6 hours following CABG surgery appears to be related to the surgical process and non-specific myocardial injury whilst a continuing increase at 24 hours suggests myocardial infarction. We would suggest hs-cTnI sampling at 6 and 24 hours post CABG surgery together with ECG assessment for the routine detection and diagnosis of type 5 MI. Differing levels of humoral makers inflammation post CABG surgery occurred, and did not correlate directly with the length of cardiopulmonary bypass time or hs-cTnI release. For the first time we identified differing levels of inflammatory cell infiltrate into the myocardium post CABG. This varied from none to levels similar to infarcted myocardial tissues. Elafin did not attenuate myocardial ischemia-reperfusion injury and inflammation. Post-hoc analysis identified reduced cTnI concentrations at 6 hours in Elafin treated patients and it is possible that a bigger dose would have conferred protection out to 48 hours. Elafin did not attenuate the cellular infiltration into the myocardium post CABG surgery, but did appear to reduce inflammation in renal tissue. USPIO enhanced CMR holds major promise in the non-invasive assessment of myocardial inflammation post surgery.

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. Grenzwertversatilität, Intra- und Interobservervariabilität bei der Befundung verschiedener kardialer MRT-Sequenzen bei Myokarditis eingereicht von Julia Kriemhild Steiner Problemstellung Die akute virale Myokarditis, als sekundäre Entzündung des Herzmuskelgewebes durch kardiotrope Viren, kann vollständig ausheilen oder über eine chronische Myokarditis zu einer dilatativen Kardiomyopathie führen. Dabei können maligne Herzrhythmusstörungen auftreten und es kann zum plötzlichen Herztod kommen. Eine definitive Diagnose ist somit von entscheidender Bedeutung, um interventionsbedürftige Formen zu behandeln und Differentialdiagnosen auszuschließen. Als Goldstandard der Myokarditis-Diagnostik gilt die Endomyokardbiopsie (EMB). Diese birgt als invasive Methode jedoch auch Risiken für den Patienten. Die kardiale Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) stellt eine strahlenfreie, nicht-invasive und damit risikoarme Alternative dar. Ziel dieser Arbeit war es, die Intra- und Interobservervariabilität kardialer MRT-Parameter bei der Diagnostik einer Myokarditis zu evaluieren. Außerdem wurde die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter „edema-ratio“ (ER) und „early gadolinium enhancement“ (gRE) bei Myokarditis auf einem Philips-Scanner untersucht. Material und Methode Diese prospektive Studie am Herzzentrum Leipzig hat von 2007 bis 2009 kardiale MRT-Sequenzen von Patienten ausgewertet, bei denen klinisch der Verdacht auf eine akute virale Myokarditis bestand. Alle Patienten erhielten zur Verifizierung der Diagnose eine Linksherz-EMB. Die Arbeit besteht aus zwei Patientenkollektiven. Bei 52 Patienten (36 männliche Patienten, 16 weibliche Patientinnen; Mittelwert Alter: 49,42 Jahre ± 15,78 (Standardabweichung), Altersbereich zwischen 19-77 Jahre) wurde die Intra- und Interobservervariabilität bei der Auswertung der MRT-Parameter ER (edema-ratio) und gRE (early gadolinium enhancement) evaluiert. Dabei wurde in der STIR die ER berechnet und in der T1 FSE das gRE. Dieses erfolgte durch zwei verblindete Untersucher. Untersucher A war dabei „erfahren“ (> 100 Untersuchungen), Untersucher B (< 50 Untersuchungen) „unerfahren“. Die Analyse erfolgte statistisch durch lineare Regressionsanalysen und Bland-Altman-Plots. Das zweite Kollektiv umfasste 100 Patienten (79 männliche Patienten, 21 weibliche Patientinnen; Mittelwert Alter 46,39 Jahre ± 16,78 (Standardabweichung), Altersbereich zwischen 18-79 Jahre) mit klinischem Verdacht auf akute virale Myokarditis. Es wurde die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter ER und gRE bei der Diagnostik einer Myokarditis auf einem Philips-Scanner untersucht. Die Auswertung der MRT-Sequenzen erfolgte durch einen erfahrenen Untersucher (>100 Untersuchungen). Dabei wurde in der STIR die Edema-Ratio (ER) berechnet und in der T1 FSE das „early gadolinium enhancement“ (gRE). Die Analyse erfolgte statistisch durch Receiver-Operating-Characteristic- Kurven (ROC-Kurven). Ergebnisse Die Evaluation der Intra- und Interobservervariabilität ergab für den „erfahrenen“ Untersucher A eine gute Korrelation bei der Auswertung des MRT-Parameters ER (r=0.96, CI95 r= 0.93-0.98, p < 0.0001) und der Auswertung des MRT-Parameters gRE (r=0.93, CI95 r= 0.89-0.96, p < 0.0001). Für den „unerfahrenen“ Untersucher B stellte sich ein höhere Intraobservervariabilität sowohl bei der Untersuchung der ER (r=0.85, CI95 r=0.75-0.91, p < 0.0001), als auch bei der Untersuchung des gRE (r=0.57, CI95 r=0.36-0.73, p < 0.0001) heraus. Damit war die Interobservervariabilität höher bei der Auswertung des gRE (r=0.60, CI95 r=0.36-0.73, p < 0.0001), als bei der Auswertung der ER (r=0.86, CI95 r=0.76-0.91, p < 0.0001). Die Auswertung des zweiten Patientenkollektivs erfolgte mit Receiver-Operating-Characteristic-Kurven (ROC-Kurven). Als Goldstandard diente, bei Ausnahme einer Sub-Gruppe, die EMB. Für das Gesamtkollektivs dieser Arbeit ergab die Fläche unter der Kurve (AUC) für die ER 0,59 (CI95; 0.474, 0.706) und für das gRE 0.59 (CI95: 0.444,0.672). AUC-Werte nahe der 0.5 deuten auf einen Zufallsprozess hin. Die resultierenden Häufigkeitsverteilungen ergaben bei einem Grenzwert (cut-off) von 1,95 für die ER eine Sensitivität von 64% und eine Spezifität von 59%, für das gRE bei einem Grenzwert von 4,05 eine Sensitivität von 72% und eine Spezifität von 29%. Auf Grund der unbefriedigenden Ergebnisse der ROC-Analysen wurden Subgruppen gebildet, um die Grenzwertversatilität der MRT-Parameter ER und gRE auf einem Philips-Scanner zu evaluieren, da von der Annahme ausgegangen wurde, dass verschiedene Grenzwerte für die Parameter ER und gRE an unterschiedlichen MRT-Scannern bestehen. Die Analyse des Kollektiv akute Myokarditis (Definition: Symptombeginn < 14 Tagen) ergab für die ER bei einem cut-off von 1,95 eine Sensitivität von 67% und eine Spezifität von 56%. Bei dem gRE zeigte sich bei einem cut-off von 4,05 eine Sensitivität von 81% und eine Spezifität von 56%. Bei einem cut-off von 4,55 eine Sensitivität von 69% und eine Spezifität 69%. Ähnliche Ergebnisse zeigt die Analyse der Subgruppe chronische Myokarditis (Definition: Symptombeginn > 14 Tagen), die für die ER bei einem cut-off von 1,95 eine Sensitivität von 78% und Spezifität von 40% zeigte und für das gRE bei einem cut-off von 4,55 eine valide Sensitivität von 78% und Spezifität von 80%. Es wurde noch eine Analyse der Sub-Gruppe klinisch akute Myokarditis (Definition: Symptombeginn < 7 Tagen, Troponin T oder I positiv, St-Hebungen im Elektrokardiogramm) durchgeführt, wobei hier der Goldstandard geändert wurde. Statt der EMB wurde hier die „Klinik“ als Goldstandard genutzt. Hier zeigte sich erneut für die ER bei einem cut-off von 1,95 bei einer Sensitivität von 78% und Spezifität von 40% und für das gRE bei einem cut-off von 4,55 bei einer Sensitivität von 78% und Spezifität von 80% die validesten Ergebnisse. Schlussfolgerung In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Intra- und Interobserver Variabilität sehr von der Erfahrung des jeweiligen Untersuchers abhängig ist. Das bedeutet, dass die Auswertung kardialer MRT-Sequenzen nur von Personen erfolgen sollte, die bereits Erfahrung mit solchen Sequenzen haben. Damit kann eine hohe Reproduzierbarkeit und Sicherheit der Ergebnisse der Auswertungen erreicht werden. Die Auswertung des gRE erscheint anfälliger und bedarf somit besonderer Sorgfalt. Bei der Grenzwertversatilität der Parameter ER und gRE auf einem Philipps-Scanner konnten wir feststellen, dass der Grenzwert von ≥ 2 für die ER beibehalten werden kann. Für das gRE jedoch muss der Grenzwert von ≥ 4,0 auf ≥ 4,5 korrigiert werden. Die Auswertung kardialer MRT-Sequenzen bei Myokarditis ist somit geräteabhängig. Es sollte deswegen eine genaue Evaluation der Grenzwerte für ER und gRE auf den jeweiligen Scannern erfolgen. Jedoch ist auch mit einem Graubereich zwischen 4,0 und 4,5 für das gRE zu rechnen, so dass solche Ergebnisse noch einmal genau geprüft werden müssen. Im akuten Stadium der Myokarditis konnten wir bessere Ergebnisse mit einer MRT-Untersuchung erzielen als im chronischen Stadium. Das gRE schneidet hier besser ab als die ER. Die hier gezeigten Ergebnisse können die diagnostische Sicherheit einer EMB in der Diagnostik einer Myokarditis vielleicht noch nicht ganz erreichen. Jedoch ist auch die EMB als Goldstandard in der Diagnostik einer Myokarditis immer wieder in der Diskussion. Die kardiale MRT ermöglicht eine differenzierte Einschätzung der myokardialen Funktions- und Gewebeeigenschaften und ist somit in Kombination aller MRT-Sequenzen geeignet, Aktivität und Verlauf einer akuten Myokarditis besser einzuschätzen. In der Zukunft wird somit die kardiale MRT als ein nicht-invasives, strahlenfreies Untersuchungsverfahren eine immer größere Rolle in der Diagnostik entzündlicher Herzerkrankungen spielen

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Ce projet doctoral s’est déroulé dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire d’Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (IR4M) de l’Université Paris-Sud (France) et le Center for Medical Physics and Biomedical Engineering at Medical (CMPBME) de l’Université Médicale de Vienne (Autriche). L’objectif principal de ce travail était de développer un réseau d’antennes radiofréquence flexible fonctionnant en émission/réception pour l’IRM à 7T. Les réseaux d’antennes permettent de bénéficier du rapport signal sur bruit élevé des antennes de surface de petites tailles tout en accédant à un champ de vue étendu. De plus, les réseaux d’antennes permettent l’utilisation de technique d’imagerie parallèle afin d’accélérer l’acquisition des images ainsi que l’utilisation d’algorithme de transmission parallèle afin de produire un champ radiofréquence homogène, ce qui est crucial en IRM. Ce projet doctoral visait la conception, le développement, l’installation et l’évaluation d’un réseau d’antenne RF flexible basé sur le principe des résonateurs à lignes de transmission (RLT). Ces structures sont intrinsèquement monolithiques et auto-résonantes et ne nécessitent donc pas l’emploi de condensateurs discrets pour accorder l’antenne. Des simulations électromagnétiques 3D, ainsi que des caractérisations expérimentales sur table et en IRM ont été réalisées pour évaluer les performances de ce réseau, en configuration plate et courbée. / This PhD thesis was conducted in the frame of a bilateral project between the laboratoire d’Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (IR4M) at Université Paris-Sud (Orsay, France) and the Center for Medical Physics and Biomedical Engineering (CMPBME) at the Medical University of Vienna (Vienna, Austria). The main objective of this work was to develop a flexible transceiver RF coil array for 7 T MRI. Coil arrays benefit from the high SNR of small surface coils over an extended field of view (FOV). Furthermore, array coils enable the use of parallel imaging (PI) techniques for accelerated image acquisition and pTx algorithms that can be used to produce a homogeneous transmit field which is of importance in MRI. This project targets the design, development, implementation and evaluation of a flexible RF coil array based on the transmission line resonator (TLR) principle. TLRs are inherently monolithic and self-resonant structures, i.e. there is no need for lumped element capacitors to tune the coil. 3D electromagnetic simulation (EMS) together with bench and MRI experiments were performed to evaluate the performance of the developed array in flat and bent configuration.

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Manganese has been used as a T₁-weighted MRI contrast agent in a variety of applications. Because manganese ions (Mn²) enter viable myocardial cells via voltage gated calcium channels, manganese-enhanced MRI (MEMRI) is sensitive to the viability and the inotropic state of the heart. In spite of the established importance of calcium regulation in the heart both prior to, and following, myocardial injury, monitoring strategies to assess calcium homeostasis in affected cardiac tissues are limited. This study implements a T₁-mapping method to obtain quantitative information both dynamically and over a range of MnCl₂ infusion doses. In order to optimize the current manganese infusion protocols, both dose dependent and temporal washout studies were performed. A non-linear relationship between infused MnCl₂ solution dose and increase in left ventricular free wall relaxation rate (∆R₁) was observed. Control mice also exhibited significant manganese clearance over time, with approximately 50% decrease of ∆R₁ occurring in just 2.5 hours. The complicated efflux time dependence possibly suggests multiple efflux mechanisms. Using the measured relationship between infused MnCl₂ and ∆R₁, absolute Mn concentration ICP-MS data analysis provided a means to estimate the absolute heart Mn concentration in vivo. We have shown that this technique has the sensitivity to observe or monitor potential Ca²+ handling alterations in vivo due to the physiological remodeling following myocardial infarction. Left ventricular free wall ∆R₁ values were significantly lower (P = 0.005) in the adjacent zone, surrounding the injured myocardial tissue, than healthy left ventricular free wall tissue. This inferred reduction in Mn concentration can be used to estimate potentially salvageable myocardium in vivo for future therapeutic treatment or evaluation of disease progression.