Universiẗat, Diss., 2000--Göttingen.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

In dynamic CE MR perfusion imaging the passage of an intravenously injected CA bolus through tissue is monitored to assess the myocardial pefusion state. To enable this, knowledge of the shape of CA wash-in through upstream epicardial vessels is required, the so-called AIF. For technical reasons this cannot be quantified directly in the supplying vessels and is thus measured in the left ventricle, which introduces the risk of systematic errors in quantification of MBF due to bolus dispersion in coronary vessels. This means occuring CA dispersion must be accounted in the quantification process in order to produce reliable and reproducible results. In order to do this, CFD simulations are performed to analyze and approximate these errors and deepen insights and knowledge gained from previous CFD analyses on both idealized as well as realistic and pathologically altered 3D geometries. In a first step, several different procedures and approaches are undertaken in order to accelerate the performed workflow, however, maintaining a sufficient degree of numerical accuracy. In the end, the implementation of these steps makes the analysis of the cardiovascular 3D model of unprecedented detail including vessels at pre-arteriolar level feasible at all. The findings of the Navier-Stokes simulations are thus validated with regard to different aspects of cardiac blood flow. These include the distribution of VBF into the different myocardial regions, the areals, which can be associated to the large coronary arteries as well as the fragmentation of VBF into vessels of different diameters. The subsequently performed CA transport simulations yield results on the one hand confirming previous studies. On the other hand, interesting additional knowledge about the behavior of CA dispersion in coronary arteries is obtained both regarding travelled distance as well as vessel diameters. The relative dispersion of the so-called vascular transport function, a characterizing feature of vascular networks, shows a linear decrease with vessel diameter. This results in asymptotically decreased additional dispersion of the CA time curve towards smaller and more distal vessels. Nonetheless, perfusion quantification errors are subject to strong regional variability and reach an average value of $(-28\pm16)$ \% at rest across the whole myocardium. Depending on the distance from the inlet and the considered coronary tree, MBF errors up to 62 \% are observed. / Bei der Messung der myokardialen Perfusion mittels Kontrastmittel (KM)-gestützter Magnet Resonanz Tomographie (MRT) wird die zeitliche Entwicklung der Anströmung eines intravenös injizierten Kontrastmittel-Bolus im Herzmuskelgewebe gemessen und hinsichtlich des Myokardialen Blutflusses (MBF) ausgewertet. Zusätzlich zum Signal des KM im Gewebe ist für eine Quantifizierung des MBF außerdem aber die sogenannte arterielle Eingangsfunktion (AEF) notwendig. Diese Funktion beschreibt, wie das KM durch das versorgende koronare Blutgefäß ins Gewebe einströmt. Aus technischen Gründen ist die AEF nicht direkt messbar, weshalb sie in der Regel im großen Blutvolumen des linken Ventrikels bestimmt wird. Da der KM-Bolus auf dem Weg vom linken Ventrikel aufgrund der Strömungsverhältnisse in den Herzkranzgefäßen einer zeitlichen und räumlichen Veränderung, sogenannter Dispersion unterliegt, birgt die Verwendent der AEF aus dem linken Ventrikel das Risiko systematischer Fehler bei der MBF-Quantifizierung mit dieser Methode. Für eine reproduzierbare und verlässliche Perfusionsmessung mittels KM-gestützter MRT ist daher die Berücksichtigung der Bolus-Dispersion zwingend erforderlich. Um diese Effekte zu untersuchen und eine Fehlerabschätzung zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit fluid-mechanische Berechnungen (Computational Fluid Dynamics, CFD) des Blutflusses und KM-Transports in 3D Geometrien von Herzkranzgefäßen durchgeführt. CFD Simulationen auf realistischen Gefäßgeometrien, wie sie hier präsentiert werden, gehen mit speziellen Anforderungen einher. Dies betrifft sowohl die technische Durchführbarkeit als auch die Wahl der Randbedingungen um physiologisch korrekte Ergebnisse zu erhalten. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Ansätze angewendet und validiert, um die zeitlich effiziente aber dennoch numerisch akkurate Berechnung des Blutflusses und KM-Transports in hochdetaillierten 3D Geometrien der kardialen Vaskulatur unter Verwendung realistischer Randbedingungen überhaupt erst zu ermöglichen. Anschließend werden die Ergebnisse der Blutfluss-Simulationen hinsichtlich verschiedener Aspekte validiert. Dies beinhaltet sowohl die Verteilung des gesamten Blutvolumens in die verschiedenen Regionen des Myokards, die Zuordnung dieser Regionen zu den großen epikardialen Gefäßen (die rechte und die Hauptadern der linken Koronarie) sowie das Verhältnis des Volumen-Blut-Flusses zur Größe des betrachteten Gefäßes. Anschließend werden die Ergebnisse der Blutfluss-Simulationen verwendet, um die CFD-Analyse des KM-Transports in den kleinen koronaren Gefäßen durchzuführen. Diese Analysen bestätigen zum Einen die Erkenntnisse aus vorherigen Arbeiten, liefern jedoch wichtige neue Erkenntnisse über auftretende KM-Dispersion in Abhängigkeit sowohl des Gefäßdurch\-messers als auch des zurückgelegten Wegs des KM. Hierfür wird die sogenannte vaskuläre Transportfunktion (VTF) verwendet. Sie beschreibt die Veränderung der AEF auf dem Weg vom linken Ventrikel durch die Herzkranzgefäße aufgrund der Gefäßbeschaffenheit. Die relative Dispersion (RD) der VTF kann als charakteristische Größe eines vaskulären Netzwerks betrachtet werden und die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine lineare Abnahme der RD mit dem Gefäßdurchmesser. Dies hat zur Folge, dass die zeitliche Verbreiterung der AEF selbst eine asmptotische Sättigung in kleineren distalen Gefäßen aufweist. Nichtsdestotrotz zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Fehler der Perfusionsquantifizierung mit Bolus-basierten MRT-Messungen starker regionaler Variabilität unterliegen. Im Ruhezustand beträgt dieser Fehler $(-28\pm16)$ \% im Durchschnitt über den gesamten Herzmuskel. In Abhängigkeit vom Abstand zum Inlet des Gefäßmodells und des betrachteten Koronarbaums wird eine maximale Unterschätzung von bis zu 62 \% beobachtet.

The present work deals with the synthesis and the investigation of the photophysical properties of covalently constructed calix[4]arene–perylene bisimide dye arrays containing various PBI units. The obtained conjugates are characterized with respect towards their application in a new, zigzag-type architecture of artificial light-harvesting systems. For this purpose, orange (core-unsubstituted), red (6,7,11,12-tert-butylphenoxy-functionalized) and green (1,7-pyrrolidino-substituted) perylene bisimide building blocks have been attached to the calix[4]arene scaffold. First, the monochromophoric reference systems have been studied, and second, the photophysical properties of a comprehensive series of newly synthesized, multichromophoric calix[4]arene–perylene bisimide conjugates showing efficient energy transfer processes between the individual dye subunits have been investigated. Furthermore, a series of bichromophoric compounds containing identical chromophoric units has been obtained. Towards this goal, a variety of spectroscopic techniques such as UV/vis absorption, steady state and time-resolved fluorescence emission, and femtosecond transient absorption spectroscopy as well as a spectrotemporal analysis of the obtained data has been applied. This work presents a new concept for an artificial light-harvesting system positioning the dye units by means of calix[4]arene spacers along a zigzag chain. The investigations start with the syntheses and optical properties of the monochromophoric building blocks and result in an elaborate study on the energy and electron transfer processes occurring after photoexcitation in a comprehensive series of multichromophoric calix[4]arene–perylene bisimide conjugates. Finally, the photophysical properties of a series of compounds containing each two identical PBI units are discussed. / Die vorliegende Arbeit hat die Synthese und die Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften kovalent verknüpfter Calix[4]aren–Perylenbisimid(PBI)-Farbstoffkaskaden zum Thema, die verschiedenartige PBI-Chromophore enthalten. Dazu wurden orange (kernunsubstituierte), rote (6,7,11,12-tert-butylphenoxy-funktionalisierte) und grüne (1,7-pyrrolidino-substituierte) Perylenbisimid-Bausteine an ein Calix[4]arengerüst geknüpft. Zunächst wurden die monochromophoren Referenzverbindungen bezüglich ihrer photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Im Anschluss daran wurde eine umfassende Serie von Calix[4]aren–Perylenbisimid-Farbstoffkaskaden hinsichtlich der nach Photoanregung im angeregten Zustand stattfindenden Prozesse charakterisiert. Die erhaltenen Kaskaden weisen hocheffiziente und gerichtete Energietransferprozesse zwischen den einzelnen Untereinheiten auf, deren Transferraten sich unter Annahme einer Zickzack-Anordnung der Chromophoreinheiten gemäß der Förstertheorie erklären lassen. Weiterhin wurde eine Serie von Farbstoffkaskaden, die jeweils zwei identische PBI-Chromophore enthalten, bezüglich ihrer photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Zur Charakterisierung wurden jeweils verschiedene spektroskopische Techniken wie UV/vis-Absorptions-, stationäre und zeitaufgelöste Fluoreszenzemissions-, sowie femtosekundenzeitaufgelöste transiente Absorptionsspektroskopie herangezogen, sowie zusätzlich eine spektrotemporale Analyse der erhaltenen Daten durchgeführt. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Architektur von künstlichen Lichtsammelsystemen, deren wesentliches Merkmal eine zickzack-Anordnung der Chromophoreinheiten ist. Zunächst wurden die Synthese und die optischen Eigenschaften der monochromophoren Bausteine diskutiert, und anschließend die Energie- und Elektronentransferprozesse nach Photoanregung in einer umfangreichen Serie von multichromophoren Perylenbisimid–Calix[4]arenkaskaden untersucht. Abschließend wurden die photophysikalischen Eigenschaften einer Serie von Calix[4]aren–PBI-Konjugaten diskutiert, die jeweils zwei identische PBI Chromophore enthalten.

Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

In der klinischen Magnetresonanztomographie (MRT) spielt neben dem Bildkontrast und der räumlichen Auflösung, die Messzeit eine sehr wichtige Rolle. Auf Grund schneller Bildgebungsmethoden und technischer Fortschritte in der Geräteentwicklung konnten die Aufnahmezeiten bis auf wenige Sekunden reduziert werden. Somit wurde die MRT zu einem der wichtigsten Verfahren in der klinischen Diagnostik. Der größte Fortschritt für eine weitere Verkürzung der Aufnahmezeiten erfolgte durch die Einführung von Partiell-Parallelen-Akquisitions (PPA) Techniken in den späten 1990er Jahren. Inzwischen sind PPA-Verfahren etabliert und stehen auch für den Einsatz im klinischen Alltag zur Verfügung. Die Grundlage aller PPA-Verfahren bildet eine Anordnung von mehreren Empfangsdetektoren, welche gleichzeitig und unabhängig voneinander ein Objekt abbilden. Das Signal jedes einzelnen Detektors enthält dabei je nach Position eine gewisse räumliche Information. Eine Messzeitverkürzung wird im Allgemeinen dadurch erzielt, dass die Menge der aufzunehmenden Daten reduziert wird. Dies führt zu Fehler behafteten Bildern auf Grund von fehlenden Daten. Alle gängigen PPA-Verfahren benutzen die in der Detektoranordnung inhärente räumliche Information, um mit geeigneten Algorithmen die Fehler behafteten Bilder zu korrigieren. Die beiden erfolgreichsten Ansätze stellen momentan das "Sensitivity Encoding" (SENSE) Verfahren und die "Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions" (GRAPPA) Methode dar. Die Leistungsfähigkeit von PPA-Methoden ist allerdings beschränkt. Zunächst begrenzt die Anzahl der Einzeldetektoren den maximal erreichbaren Messzeitgewinn. Weiterhin führt der Einsatz von PPA-Verfahren zu einer Verringerung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis (englisch: signal-to-noise ratio, SNR). Im Allgemeinen ist das SNR um den Faktor der Wurzel des Beschleunigungsfaktors verringert. Ein zusätzlicher SNR-Verlust entsteht durch den Rekonstruktionsprozess und ist stark abhängig von der geometrischen Anordnung der Detektoren. Auf Grund dieser Verluste ist der Einsatz von PPA-Methoden auf Applikationen mit bereits hohem intrinsischen SNR beschränkt. In dieser Arbeit werden Erweiterungen von PPA-Verfahren vorgestellt, um deren Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der selbstkalibrierenden GRAPPA-Methode, welche die fehlenden Daten im reziproken Bildraum, dem so genannten k-Raum, rekonstruiert. Zunächst wird der Einsatz von GRAPPA für die 3D-Bildgebung beschrieben. In der 3D-Bildgebung ist es für die Rekonstruktionsqualität von PPA-Methoden vorteilhaft, die Daten entlang zweier Raumrichtungen zu reduzieren. GRAPPA war bisher auf Experimente mit Datenrekonstruktion in nur einer Richtung beschränkt. Es wird gezeigt, dass sich durch Kombination mit SENSE der Vorteil einer zwei-dimensionalen Datenreduktion erstmals auch für GRAPPA benutzen lässt. Weiterhin wird eine Neuformulierung der GRAPPA-Rekonstruktion als Matrixoperation vorgestellt. Dieser Formalismus wird als GRAPPA-Operator Formalismus bezeichnet und erlaubt es, ein gemessenes Signal im k-Raum zu verschieben, um fehlende Daten zu rekonstruieren. Eigenschaften und Beziehungen zwischen unterschiedlichen Verschiebungen werden beschrieben und daraus resultierende Anwendungen für die 2D- und 3D-Bildgebung präsentiert. Im Allgemeinen arbeiten alle konventionellen PPA-Verfahren ausschließlich auf der Rekonstruktionsseite. Somit ist die Bildqualität und damit der erzielbare Messzeitgewinn nur durch die Geometrie der Detektoranordnung beeinflussbar. In der Mehrschicht-MRT lässt sich diese Abhängigkeit von der Detektoranordnung reduzieren, indem Bildartefakte bereits während der Datenaufnahme gezielt verändert werden. Auf diese Weise kann der SNR-Verlust aufgrund des Rekonstruktionsprozesses minimiert werden. Dieses Konzept der kontrollierten Einfaltungen (englisch: Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results in Higher Acceleration, CAIPIRINHA) wird für den Einsatz in der dynamischen Herzbildgebung vorgestellt. Bei geringen Beschleunigungsfaktoren kann mit CAIPIRINHA im Gegensatz zu den üblichen PPA-Verfahren eine Bildqualität erzielt werden, welche keine signifikanten Einbußen gegenüber konventionellen Experimenten aufweist. / In clinical magnetic resonance imaging (MRI) applications, scan time plays an important role. Due to the introduction of fast imaging sequences and hardware developments, acquisition times have been reduced to the order of several seconds and for this reason, MRI has become one of the most important techniques in clinical diagnosis. The greatest improvement in further reducing the acquisition times has been the development of partially parallel acquisition (PPA) strategies in the late 1990s. Today, PPA strategies have become established and are available for clinical routine examinations. The basis for all PPA methods is an array of mutiple detectors which allow the independent and simultaneous imaging of an object. According to its position, each detector receives signal predominantly from a localized region and therefore contains spatial information. In general, a scan time reduction is achieved by reducing the amount of acquired data. This results in imaging artifacts. PPA methods utilize the spatial information inherent in the detector array in order to remove these artifacts by using dedicated reconstruction algorithms. At present, the most successful PPA strategies are the "Sensitivity Encoding" (SENSE) method and the "Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions" (GRAPPA) technique. However, the performance of PPA methods is limited. First, the achievable scan time reduction factor is limited by the number of detectors in the array. Second, compared with a conventional experiment the signal-to-noise ratio (SNR) is decreased by the square root of the scan time reduction factor. An additional decrease in SNR is introduced by the reconstruction process and is strongly dependent on the array geometry. For these reasons, the application of PPA methods is restricted to applications with a high intrinsic SNR. In this thesis, extensions of standard PPA methods are presented which improve their performance. Special emphasis is put on the autocalibrating GRAPPA technique, which reconstructs missing data in the reciprocal image space, the so-called k-space. First, the application of GRAPPA for 3D imaging is desribed. In 3D imaging, it is advantageous for the reconstruction quality of PPA methods to perform the data reduction in two spatial dimensions. However, until now GRAPPA has been restricted to experiments with data reduction in only one dimension. Here, a combination of GRAPPA and SENSE is presented which allows one to utilize the benefits of two-dimensional data reduction for the GRAPPA technique. Furthermore, a reformulation of the GRAPPA reconstruction process as a matrix operation is presented. This formalism is refered to as the GRAPPA-Operator formalism and it allows one to shift a received signal in k-space in order to reconstruct missing data. Several properties and relationships between different shifts are described and resultant implications for 2D and 3D imaging are presented. In general, all conventional PPA methods work on the reconstruction side. Therefore,the image quality and thus the achievable scan time reduction can only be controlled by the choice of the array geometry. In multi-slice MRI, this dependency on the array geometry can be reduced by modifying the appearence of imaging artifacts during the data acquisition period. In this way, the decrease in SNR introduced by the reconstruction process can be minimized. This concept is entitled "Controlled Aliasing in Parallel Imaging Results In Higher Acceleratrion" (CAIPIRINHA), and in this thesis its application for dynamic cardiac imaging is described. In contrast to previous PPA techniques with two-fold acceleration, the image quality using the CAIPIRINHA approach is not significantly decreased compared with conventional experiments.

Ziel dieser Arbeit war es, die Magnetresonanztomographie (MRT) an der Lunge als Alternative zur traditionellen Lungenbildgebung voranzutreiben. So sollten MRT-Verfahren zur regionalen und quantitativen Lungenfunktionsprüfung für die klinische Routine entwickelt werden. Im Hinblick auf die Strahlentherapie von Patienten mit Bronchialkarzinom sollen funktionelle Lungenareale erkannt werden, um diese während der Bestrahlung optimal schonen zu können. An den zahlreichen Luft-Gewebe-Grenzflächen in der Lunge entstehen Magnetfeldinhomogenitäten. Daraus resultiert ein schneller Zerfall des MRT-Signals in der Lunge. Es wurde in dieser Arbeit ein Ansatz aufgezeigt, um die Ursache für den raschen Signalzerfall, nämlich die unterschiedlichen magnetischen Suszeptibilitäten von Lufträumen und Lungengewebe, zu beseitigen. Durch die intravaskuläre Injektion von paramagnetischen Kontrastmitteln kann die Suszeptibilität des Blutes an die Suszeptibilität der Lufträume angeglichen werden. Durch die Entwicklung einer MR-kompatiblen aktiven Atemkontrolle (MR-ABC) wurde in dieser Arbeit ein weiteres fundamentales Problem der Lungen-MRT adressiert: Die Bewegung während der Datenakquisition. Die MR-ABC detektiert Herzschlag und Atemposition und ist in der Lage die Atembewegung in jeder beliebigen Atemphase reproduzierbar für eine definierte Zeit auszusetzen. Dies wird durch einen Verschluss der Atemluftzufuhr realisiert. Traditionelle Verfahren können zwar ebenfalls die Atemphase detektieren, gestatten jedoch nicht deren Konservierung. Es wurde demonstriert, dass mit der MR-ABC hochauflösende Bilder der Lunge in hoher Bildqualität und durch die Verwendung langer Akquisitionsfenster in relativ kurzer Messzeit erreicht werden können. Eine regionale Lungenfunktionsprüfung ist für die Diagnose und Evaluierung vieler Krankheitsbilder vorteilhaft. In diesem Sinne wird seit einigen Jahren das Potential der Sauerstoff-verstärkten Lungen-MRT erforscht, die auf den paramagnetischen Eigenschaften des molekularen Sauerstoffs basiert. Im Blut gelöster Sauerstoff führt zu einer Verkürzung der T1-Relaxationszeit. Statt diese T1-Verkürzung quantitativ zu bestimmen wird aus praktischen Gründen meist ein T1-gewichteter Ansatz gewählt. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass nicht-quantitative Verfahren ein erhebliches Risiko zur Falschinterpretation beinhalten. Um Fehldiagnosen zu vermeiden, sollten deshalb prinzipiell quantitative Methoden zur Messung der durch die Sauerstoff-Verstärkung bedingten T1-Verkürzung in der Lunge verwendet werden. Herkömmliche Techniken zur quantitativen T1-Messung benötigen allerdings längere Messzeiten. Deshalb war zur Vermeidung von Bewegungsartefakten bisher die Datenaufnahme im Atemanhaltezustand notwendig. Wiederholtes Atemanhalten von mehreren Sekunden Dauer ist allerdings für einige Patienten sehr belastend. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit zwei Methoden entwickelt, die eine quantitative Lungenfunktionsprüfung mittels MRT bei freier Atmung der Patienten ermöglichen. Eine gute Sauerstoffversorgung des Tumors wirkt sich positiv auf den Erfolg der Bestrahlung aus. Ein Ansatz zur Verbesserung der Strahlentherapie des Bronchialkarzinoms könnte daher in der Beatmung der Patienten mit hyperoxischen hypercapnischen Atemgasen während der Bestrahlung bestehen. In diesem Zusammenhang könnte die quantitative Messung der T1-Veränderung im Tumor nach Carbogenatmung ein Selektionskriterium darstellen, um diejenigen Patienten zu identifizieren, die von einer Carbogenbeatmung während der Bestrahlung profitieren können. Die Differenzierung zwischen vitalem Tumorgewebe, Nekrosen und atelektatischem Lungengewebe ist von großer Bedeutung bei der Bestrahlungsplanung des Bronchialkarzinoms. Einen neuen Ansatz bildet die in dieser Arbeit vorgestellte Magnetiserungstransfer-MRT. Um einen Magnetisierungstransfer zu erzeugen, wurde ein speziell auf die Bildgebung an der Lunge optimiertes Präparationsmodul entworfen. In Verbindung mit einer schnellen Bildakquisitionstechnik konnte die Magnetisierungstransfer-Lungenbildgebung in einem kurzen Atemstopp durchgeführt werden. Diese Technik wurde an mehreren Patienten mit Bronchialkarzinom evaluiert und die Ergebnisse mit denen der Fluor-Deoxyglykose-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET) verglichen. Es wurde festgestellt, dass mit diesem MRT-Verfahren ähnliche diagnostische Erkenntnisse erzielt werden können. Allerdings besitzt die MRT Vorteile im Hinblick auf räumliche Auflösung, Messzeit, Bildqualität, Kosten und Strahlenbelastung. Das erhebliche Potential für die Bestrahlungsplanung des Bronchialkarzinoms durch eine Magnetisierungstransfer-Bildgebung wurde damit nachgewiesen. / The purpose of this work was to advance magnetic resonance imaging (MRI) to become an additional beneficial modality for lung imaging. MRI techniques for regional and quantitative assessment of pulmonary function, capable for clinical routine use, should be developed. Areas of sound and functional lung should be detected especially in patients with bronchial carcinoma undergoing radiotherapy, to be able to achieve an optimal protection for this kind of tissue during the irradiation process. Magnetic field inhomogeneities emerge from the numerous air-tissue-interfaces of the lung, causing an accelerated MRI signal decay. Therefore, this work postulates a new approach to eliminate the source of this signal decay acceleration, namely the differences in magnetic susceptibility between air sacks and lung tissue. By intravascular injection of paramagnetic contrast agent, the susceptibility of blood can be matched with the susceptibility of the air spaces. Removing the susceptibility differences could prolong the effective transverse relaxation time T2* by many factors. The development of an MR-compatible active breathing control device (MR-ABC) addressed another fundamental obstacle of lung MRI: motion occurring during the data sampling process. MR-ABC allows for the detection of heart and respiratory phases and is able to reproducibly freeze the breathing motion in any desired respiratory phase for a predefined amount of time. This is performed by a shutter that closes the breathing gas delivery. It was demonstrated that using MR-ABC high-resolution high-quality images of the lung can be acquired in a comparably short amount of time due to prolonged acquisition intervals. Regional assessment of pulmonary function is beneficial for diagnosis and evaluation of many lung diseases. In this respect, in the last few years the potential of oxygen-enhanced lung MRI based upon the paramagnetic properties of the molecular oxygen, started to be explored. Dissolved oxygen in the blood leads to a decrease in T1 relaxation time. Due to practical reasons this drop in T1 relaxation time is commonly assessed by T1-weighted imaging approaches instead of quantitative T1 measurements. However, in this work it was demonstrated that non-quantitative approaches comprehend severe risks of misinterpretation. Therefore, to avoid misdiagnosis, quantitative measurements of the oxygen-based T1 decrement in the lung should always be used. On the other hand, common quantitative T1 measurement techniques require longer measurement times, and therefore require imaging during breath-holding to avoid motion artifacts. Repeated breath-holding of several seconds may be very demanding for some patients, especially for those with lung cancer. For this reason, in this work two methods were developed to allow for a quantitative assessment of regional lung function by MRI during free-breathing. These techniques were applied to investigate regional oxygen transfer in lung cancer patients. Local defects of lung function could be demonstrated in these patients. A good oxygen supply of the tumor tissue is positively correlated to the success of radiation therapy. Reoxygenation of former hypoxic areas can improve the sensitivity of the tumor to irradiation. Thus, one approach to improve radiotherapy of bronchogenic carcinoma could be to use hyperoxic, hypercapnic breathing gases such as carbogen during the irradiation. In this respect, the quantitative measurement of the T1 alteration in the tumor due to the switching of breathing gas to carbogen could provide a selection criterion for patients who can benefit from an ARCON approach. In a preliminary study, the T1 alteration in the tumor after switching of breathing gas to carbogen was assessed in a variety of lung cancer patients. Differentiation of vital tumor, necrotic tissue and atelectasis is of paramount importance in radiation therapy planning of bronchial carcinoma. Unfortunately, discrimination of these tissues by using computer tomography or positron emission tomography is usually problematic in the clinical routine. This work proposes a new approach based on magnetization transfer MRI. The extent of magnetization transfer is mainly dependent on the macromolecular environment of the protons, which is different in tumor tissue and atelectatic tissue. To produce magnetization transfer, a magnetization preparation module was developed and particularly optimized for application to lung imaging. In conjunction with a fast readout imaging sequence, magnetization transfer lung imaging could be performed in a single short breath-hold period. This technique was evaluated in several patients with bronchial carcinoma. The results of magnetization transfer imaging were compared to the results of a fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET) investigation. It was found that using the MRI technique, similar diagnostic information as with the FDG-PET could be obtained.

Besides image contrast, imaging speed is probably the most important consideration in clinical magnetic resonance imaging (MRI). MR scanners currently operate at the limits of potential imaging speed, due to technical and physiological problems associated with rapidly switched gradient systems. Parallel imaging (parallel MRI or pMRI) is a method which allows one to significantly shorten the acquisition time of MR images without changing the contrast behavior of the underlying MR sequence. The accelerated image acquisition in pMRI is accomplished without relying on more powerful technical equipment or exceeding physiological boundaries. Because of these properties, pMRI is currently employed in many clinical routines, and the number of applications where pMRI can be used to accelerate imaging is increasing. However, there is also growing criticism of parallel imaging in certain applications. The primary reason for this is the intrinsic loss in the SNR due to the accelerated acquisition. In addition, other effects can also lead to a reduced image quality. Due to unavoidable inaccuracies in the pMRI reconstruction process, local and global errors may appear in the final reconstructed image. The local errors are visible as noise enhancement, while the global errors result in the so-called fold-over artifacts. The appearance and strength of these negative effects, and thus the image quality, depend upon different factors, such as the parallel imaging method chosen, specific parameters in the method, the sequence chosen, as well as specific sequence parameters. In general, it is not possible to optimize all of these parameters simultaneously for all applications. The application of parallel imaging in can lead to very pronounced image artifacts, i.e. parallel imaging can amplify errors. On the other hand, there are applications such as abdominal MR or MR angiography, in which parallel imaging does not reconstruct images robustly. Thus, the application of parallel imaging leads to errors. In general, the original euphoria surrounding parallel imaging in the clinic has been dampened by these problems. The reliability of the pMRI methods currently implemented is the main criticism. Furthermore, it has not been possible to significantly increase the maximum achievable acceleration with parallel imaging despite major technical advances. An acceleration factor of two is still standard in clinical routine, although the number of independent receiver channels available on most MR systems (which are a basic requirement for the application of pMRI) has increased by a factor of 3-6 in recent years. In this work, a novel and elegant method to address this problem has been demonstrated. The idea behind the work is to combine two methods in a synergistic way, namely non-Cartesian acquisition schemes and parallel imaging. The so-called non-Cartesian acquisition schemes have several advantages over standard Cartesian acquisitions, in that they are often faster and less sensitive to physiological noise. In addition, such acquisition schemes are very robust against fold-over artifacts even in the case of vast undersampling of k-space. Despite the advantages described above, non-Cartesian acquisition schemes are not commonly employed in clinical routines. A reason for that is the complicated reconstruction techniques which are required to convert the non-Cartesian data to a Cartesian grid before the fast Fourier transformation can be employed to arrive at the final MR image. Another reason is that Cartesian acquisitions are routinely accelerated with parallel imaging, which is not applicable for non-Cartesian MR acquisitions due to the long reconstruction times. This negates the speed advantage of non-Cartesian acquisition methods. Through the development of the methods presented in this thesis, reconstruction times for accelerated non-Cartesian acquisitions using parallel imaging now approach those of Cartesian images. In this work, the reliability of such methods has been demonstrated. In addition, it has been shown that higher acceleration factors can be achieved with such techniques than possible with Cartesian imaging. These properties of the techniques presented here lead the way for an implementation of such methods on MR scanners, and thus also offer the possibility for their use in clinical routine. This will lead to shorter examination times for patients as well as more reliable diagnoses. / Neben dem Bildkontrast ist die Aufnahmegeschwindigkeit die entscheidende Größe für die klinische Anwendung der Magnetresonanz-Tomographie (MRT). Heutzutage arbeiten MR-Tomographen bereits häufig am Limit dessen, was technisch möglich und physiologisch noch vertretbar ist. Die parallele Bildgebung (parallele MRT, pMRT) ist ein Verfahren, welches es ermöglicht, die Aufnahmezeiten von MRT-Bildern signifikant zu verkürzen, ohne dabei das Kontrastverhalten der zu Grunde liegenden MR Sequenz zu verändern. Die beschleunigte Bildakquisition in der pMRT wird erzielt, ohne auf eine leistungsfähigere technische Ausstattung der MR-Tomographen angewiesen zu sein und ohne dabei die physiologischen Grenzwerte zu überschreiten. Wegen dieser Eigenschaften wird die pMRT heutzutage vielfach in der klinischen Routine eingesetzt. Dabei wächst die Zahl der klinischen MR Anwendungen, welche mittels paralleler Bildgebung beschleunigt werden. Neben dieser Entwicklung ist heutzutage aber auch eine zunehmende Kritik am Einsatz der parallelen Bildgebung bei bestimmten Applikationen festzustellen. Ein Hauptgrund dafür ist der intrinsische Verlust an Signal-Rausch-Verhältnis durch die beschleunigte Akquisition. Es gibt weitere Effekte, welche die Bildqualität vermindern können. Durch unvermeidbare Ungenauigkeiten bei den Verfahren der pMRT kann es zu lokalen und zu globalen Fehlern in den rekonstruierten Bildern kommen. Die lokalen Fehler sind als Rauschverstärkung sichtbar, wohingegen die globalen Fehler zu so genannten Faltungsartefakten im Bild führen. Das Auftreten und die Stärke dieser Störeffekte hängen von unterschiedlichen Parametern ab. Im Allgemeinen ist es nicht möglich alle Abhängigkeiten für jede Applikation gleichzeitig zu optimieren. Der Einsatz der parallelen Bildgebung kann zu massiven Bildartefakten führen, d.h. die parallele Bildgebung kann Fehler verstärken. Auf der anderen Seite gibt es Applikationen, wie zum Beispiel die abdominelle MR-Bildgebung oder die MR-Angiographie, bei denen die pMRT nicht zuverlässig funktioniert. Die Anwendung der pMRT verursacht also erst die Fehler. Ganz allgemein kann im klinischen Umfeld beobachtet werden, dass die anfängliche Euphorie gegenüber der parallelen Bildgebung einer gewissen Ernüchterung gewichen ist. Der Zuverlässigkeit der implementierten pMRT-Methoden gilt dabei die Hauptkritik. Des Weiteren ist es nicht gelungen, trotz großen technischen Fortschritts, die maximal zu erreichende Beschleunigung mittels paralleler Bildgebung signifikant zu erhöhen. Standard in der klinischen Routine ist immer noch ein Beschleunigungsfaktor von zwei, obwohl sich die Anzahl der unabhängigen Empfangskanäle eines MR Systems (eine Grundvoraussetzung für die Verwendung der pMRT) in den letzten Jahren um einen Faktor 3-6 erhöht hat. In dieser Arbeit wurde erstmalig gezeigt, dass es eine elegante Möglichkeit gibt, diese Probleme zu adressieren. Die Idee besteht darin, Synergieeffekte zu nutzen, die aus einer Kombination von so genannten nicht-kartesischen Abtastverfahren mit der parallelen Bildgebung entstehen. Die nicht-kartesischen Aufnahmeverfahren haben gegenüber den herkömmlichen kartesischen Verfahren einige Vorteile. Sie sind in der Regel schneller und weniger empfindlich für physiologisches Rauschen als kartesische Aufnahmeverfahren. Außerdem sind sie sehr robust gegenüber Faltungsartefakten, selbst bei starker Unterabtastung der k Raumdaten. Trotz der eben beschriebenen Vorteile finden nicht-kartesische Aufnahmeverfahren kaum Verwendung in der klinischen Routine. Ein Grund hierfür sind die komplexen Rekonstruktionsverfahren, die an Stelle der schnellen Fourier-Transformation angewendet werden müssen, um ein MR-Bild aus nicht-kartesischen Daten zu erzeugen. Ein weiterer Grund liegt darin, dass kartesische MR-Aufnahmen mittlerweile routinemäßig mit paralleler Bildgebung beschleunigt werden, wohingegen dies bei nicht-kartesischen MR-Aufnahmen wegen der langen Rekonstruktionszeiten nicht praktikabel ist. Dadurch wird der oben erwähnte Geschwindigkeitsvorteil der nicht-kartesischen Verfahren irrelevant. Durch die Entwicklung der in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden konnten erstmals Rekonstruktionszeiten in der nicht-kartesischen Bildgebung erzielt werden, die vergleichbar sind mit denen in der kartesischen Bildgebung. In der vorliegenden Arbeit konnte die höhere Zuverlässigkeit dieser neuen Verfahren demonstriert werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass höhere Beschleunigungsfaktoren erzielt werden können als dies mit kartesischen Verfahren bisher möglich war. Diese Eigenschaften der vorgestellten Methoden bahnen den Weg für eine Implementierung solcher Verfahren an MR Geräten und damit deren Anwendung in der klinischen Routine. Letztendlich wird dies zu kürzeren Untersuchungszeiten der Patienten und zuverlässigeren Diagnosen führen.

In der Arbeit geht es um die Ausmessung von knochenverankerten Hörgeräten, sogenannten BAHAs und um die Messung eines künstlichen Mastoids. Unter anderem wurden die Geräte auf Resonanzen und Nichtlinearitäten untersucht sowie die wirkenden Kräfte der BAHAs. Ein einfacher Versuchsaufbau für Impulsmessung und Vibrationsmessung wurde eigens hierfür erstellt. Das künstliche Mastoid Tu-1000 zeigte einwandfreie Funktionsweise in den Frequenzen 125 Hz bis 6 kHz, die BAHAs Cordelle 2 und Compact wurden miteinander in den Frequenzen 125 Hz bis 8 kHZ verglichen und die filigranen Kräfte ausgemessen, mit denen die BAHAs arbeiten. / Two bone anchored hearing aids (BAHAs) and an artificial mastoid were measured. Amongst other things the devices were checked for resonance frequencies and non-linearities. An individual test set-up was created and vibration analysis and pulse measurement was applied. The artificial mastoid Tu-1000 worked correctly in the tested frequencies from 125 Hz to 6 kHz. Furthermore the two BAHAs Cordelle 2 and Compact were measured and compared with each other. It could be demonstrated that the hearing devices work with very small forces.

Nuclear magnetic resonance (NMR) imaging is a well-established imaging technique. If the achieved spatial resolution is below 100 um, it is usually denoted as magnetic resonance microscopy (MRM). The spatial resolution limit is on the order of a few um. As a downside, high resolution imaging is usually time-consuming and technological requirements are very sumptuous. Furthermore, miniaturization of the radiofrequency (RF) coil leading to a so-called microcoil is necessary; it also brings along detrimental effects. Therefore, there is a high potential for optimizing present MRM methods. Hence it is the aim of this work to improve and further develop present methods in MRM with focus on the RF coil and to apply those methods on new biological applications. All experiments were conducted on a Bruker 17.6 T system with a maximum gradient strength of 1 T/m and four RF receiver channels. Minimizing the RF coil dimensions, leads to increased artefacts due to differences in magnetic susceptibility of the coil wire and surrounding air. Susceptibility matching by immersing the coil in FC-43 is the most common approach that fulfills the requirements of most applications. However, hardly any alternatives are known for cases where usage of FC-43 is not feasible due to its specific disadvantages. Two alternative substances (bromotricholoromethane and Fomblin Y25) were presented and their usability was checked by susceptibility determination and demonstration experiments after shimming under practical conditions. In a typical MRM microcoil experiment, the sample volume is significantly smaller than the maximum volume usable for imaging. This mismatch has been optimized in order to increase the experiment efficiency by increasing the number of probe coils and samples used. A four-channel probehead consisting of four individual solenoid coils suited for cellular imaging of Xenopus laevis oocytes was designed, allowing simultaneous acquisition from four samples. All coils were well isolated and allowed quantitative image acquisition with the same spatial resolution as in single coil operation. This method has also been applied in other studies for increased efficiency: using X. laevis oocytes as a single cell model, the effect of chemical fixation on intracellular NMR relaxation times T1 and T2 and on diffusion was studied for the first time. Significant reduction of relaxation times was found in all cell compartments; after reimmersion in buffer, values return close to the initial values, but there were small but statistically significant differences due to residual formaldehyde. Embryos of the same species have been studied morphologically in different developmental stages. Wild type embryos were compared to embryos that had experienced variations in protein levels of chromosomal proteins HMGN and H1A. Significant differences were found between wild type and HMGN-modified embryos, while no difference was observed between wild type and H1-modified embryos. These results were concordant with results obtained from light microscopy and histology. The technique of molecular imaging was also performed on X. laevis embryos. Commercially available antibodies coupled to ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) dextrane coated particles (MACS) served as a specific probe detectable by MRM, the aim being the detection of tissue specific contrast variations. Initially, the relaxivity of MACS was studied and compared to Resovist and VSOP particles. The iron concentration was determined quantitatively by using a general theoretical approach and results were compared to values obtained from mass spectroscopy. After incubation with MACS antibodies, intraembryonal relaxation times were determined in different regions of the embryo. These values allowed determination of local iron oxide particle concentrations, and specific binding could be distinguished from unspecific binding. Although applications in this work were focused on X. laevis oocytes and embryos, 3D-imaging on a beewolf head was also carried out in order to visualize the postpharyngeal gland. Additionally, an isolated beewolf antenna was imaged with a spatial resolution of (8 um)^3 for depiction of the antennal glands by using a microcoil that was specially designed for this sample. The experiments carried out in this work show that commercially available MRM systems can be significantly optimized by using small sample-adapted RF coils and by parallel operation of multiple coils, by which the sample throughput and thus time-efficiency is increased. With this optimized setup, practical use was demonstrated in a number of new biological applications. / Bildgebung mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) ist eine etablierte Methode. Liegt die erreichte Ortsauflösung unter 100 um, wird sie allgemein als Magnetresonanz-Mikroskopie (MRM) bezeichnet. Die Untergrenze der Auflösung liegt in der Größenordnung weniger um. Da höchstaufgelöste Bildgebung meist sehr zeitintensiv ist, kostspielige Anforderungen an die zugrunde liegende Technologie setzt und zudem durch die notwendige Verkleinerung der Hochfrequenz (HF)-Spule auf sogenannte microcoils und Erhöhung der Bildauflösung auch nachteilige Effekte zunehmen, besteht viel Optimierungsbedarf bei bestehenden MRM-Methoden. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Verbesserung und Weiterentwicklung bestehender Methoden der MRM mit besonderem Augenmerk auf die HF-Spule und ihre Anwendung auf neue biologische Fragestellungen. Alle Experimente wurden an einem Bruker 17.6T System mit einer maximalen Gradientenstärke von 1T/m und vier HF-Empfangskanälen durchgeführt. Die Miniaturisierung der HF-Spule führt zu Bildverzerrungen aufgrund des Unterschieds in magnetischer Suszeptibilität zwischen Luft und Spulendraht. Der übliche Ansatz der Suszeptibilitätsanpassung mit FC-43 ist für die meisten Anwendungen ausreichend, jedoch gibt es kaum bekannte Alternativen für den Fall, dass die Nachteile von FC-43 eine Verwendung verhindern. Es wurden zwei neue Substanzen (Bromtrichlormethan sowie Fomblin Y25) vorgestellt und ihre Verwendbarkeit mittels Suszeptibilitätsmessung und experimentellen Shim-Ergebnissen im praktischen Einsatz geprüft. Bei üblichen MRM-Experimenten mit ’microcoils’ ist das Probenvolumen deutlich kleiner als das maximal für Bildgebung zur Verfügung stehende Volumen. Dieses Ungleichgewicht wurde ausgenutzt, um die Effizienz von Mikroskopie-Experimenten durch parallelen Einsatz mehrerer ’microcoils’ zu erhöhen. Ein Probenkopf mit vier entkoppelten Solenoidspulen wurde für zelluläre Bildgebung an Xenopus laevis (Krallenfrosch)-Oozyten konstruiert. Ohne Auflösungsverlust konnten damit vier Proben zeitgleich quantitativ untersucht werden. Diese Methode wurde auch in weiteren Studien zur Steigerung der Effizienz eingesetzt: Am Modell einzelner Zellen (X. laevis-Oozyten) wurde die Auswirkung chemischer Fixierung auf NMR-Relaxationszeiten (T1, T2) sowie Diffusion erstmals intrazellulär untersucht. Es konnten erhebliche Verkürzungen der Relaxationszeiten in allen Zellkompartimenten festgestellt werden, die nach Spülung mit Pufferlösung bis auf geringe, statistisch signifikante Abweichungen bedingt durch verbleibendes Formaldehyd auf die Ausgangswerte der nichtfixierten Zelle zurückkehrten. In einem weiteren Projekt wurden Embryonen derselben Spezies in verschiedenen Entwicklungsstadien morphologisch untersucht. Wildtyp-Embryonen wurden mit Embryonen verglichen, deren natürlicher Gehalt an chromosomalen Proteinen HMGN und H1A verändert wurden. Signifikante Unterschiede zwischen Wildtyp und HMGN-veränderten Embryonen konnten festgestellt werden, während sich kein Unterschied zu H1A-veränderten Embryonen zeigte. Lichtmikroskopie und Histologie lieferten damit übereinstimmende Ergebnisse. Ebenfalls an Xenopus-Embryonen wurde die Technik der molekularen Bildgebung eingesetzt. Ziel war es, mit kommerziell erhältlichen Antikörpern, die an superparamagnetische Eisenoxidpartikel mit einer Größe von wenigen nm (USPIO) mit Dextranhülle gekoppelt sind (MACS), gewebespezifische Kontraständerungen zu erhalten. Zunächst wurde die Relaxivität von MACS untersucht und mit Resovist- sowie VSOP-Partikeln verglichen. Anschließend wurde die Eisenkonzentration quantitativ unter Zuhilfenahme eines allgemeinen theoretischen Modells bestimmt und mit Ergebnissen verglichen, die massenspektroskopisch gewonnen wurden. Nach Inkubation mit MACS wurden Relaxationszeiten intraembryonal in verschiedenen Regionen gemessen. Daraus wurden Konzentrationen von Eisenoxid-Partikeln berechnet; zusätzlich konnte zwischen spezifischer und unspezifischer Bindung differenziert werden. Obwohl der Anwendungsschwerpunkt dieser Arbeit auf der Bildgebung an X. laevis- Oozyten und Embryonen lag, wurde auch Bildgebung am Kopf eines Bienenwolfs zur 3D-Darstellung der Postpharyngealdrüse durchgeführt. Zusätzlich wurde mit einer speziell auf das Untersuchungsobjekt angepassten ’microcoil’ eine isolierte Bienenwolfantenne mit einer Auflösung von (8 um)^3 untersucht; Ziel war die Darstellung der Antennaldrüsen. Die durchgeführten Projekte zeigen, dass bei kommerziell erhältlichen MRM-Systemen deutliches Optimierungspotential existiert: zum einen durch verkleinerte und probenangepasste HF-Spulen, zum anderen durch die Parallelisierung mehrerer Spulen, wodurch der Probendurchsatz und damit die Zeiteffizienz gesteigert werden kann. Mit diesem optimierten Aufbau konnte anschließend die Nutzbarkeit der MRM bei neuen biologischen Anwendungen gezeigt werden.