In vivo localized 31P NMR spectroscopy at high magnetic field using gradient modulated adiabatic inversion pulses

Abstract

Die magnetische Kernspinresonanz (NMR, nuclear magnetic resonance) ist ein in der Physik und der Chemie etabliertes Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung verschiedener Materialien. Sie ermöglicht insbesondere die Untersuchung von organischen Substanzen und biologischem Gewebe. Zudem hat sich die auf der Kernspinresonanz basierende Kernspin- oder Magnetresonanztomografie (MRT) in den letzten beiden Jahrzehnten zu einem der wichtigsten diagnostischen Verfahren in der Medizin entwickelt, welches besonders durch die Fülle der verschiedenen Kontrastmöglichkeiten besticht.<br />Spezielles Interesse erregte die MR Spektroskopie (MRS), die es erlaubt, geringste Mengen verschiedener biologisch wichtiger Substanzen nichtinvasiv zu quantifizieren. Dabei ist die Protonenspektroskopie (1H-MRS) das am häufigsten angewandte Verfahren.<br />Vergleichbaren Erfolg in Forschungsanwendungen hatte nur die auf dem 31P-Isotop basierende Phosphor MRS. Die 31P-MRS erlaubt es alle für den Energiestoffwechsel relevanten Metaboliten zu detektieren.<br />Im Zuge dieser Arbeit wurden speziell für Hochfeld MR-Systeme notwendige adiabatische Gradienten modulierte Radiofrequenz (RF) Pulse mit hoher Bandbreite entwickelt und experiementell optimiert.<br />Relaxationsmechanismen und anderen für die Spektrenqualität ausschlaggebenden Messparametern (spektrale Auflösung, Signal-Rausch-Verhältnis, ...) wurden bei verschiedenen Feldstärken in vivo getestet und mit theoretischen Vorhersagen verglichen.<br />Eine neue lokalisierte Spektroskopie MR Sequenz basierend auf ISIS Lokalisierung mittels Gradienten modulierten adiabatischen Inversionspulsen wurde entwickelt, welche zuverlässige Resultate auch bei Hochfeld Systemen und Oberflächenspulen bietet.<br />Die neu entwickelte ISIS Sequenz wurde mit etablierten Standardmethoden sowohl in Phantomen als auch in Probanden vergleichen.<br />

Nuclear magnetic resonance (NMR) is an established technique for non-destructive analysis in physics and chemistry. It allows, in particular, the investigation of organic substances and tissue.<br />Moreover, in the last two decades magnetic resonance tomography, which is based on the nuclear magnetic resonance principle, has become one of the most important diagnostic methods in medicine, which convinces especially due to its ability to display various different contrasts.<br />Special interest has been attracted by MR spectroscopy (MRS), which allows the non-invasive quantification of even smallest amounts of different biologically important substances. Especially proton spectroscopy (1H-MRS) is the most frequently used method.<br />Similar success in research applications was only reached by phosphorus spectroscopy based on 31P isotopes. 31P-MRS allows the detection of all metabolites relevant for the energy metabolism.<br />In this thesis special adiabatic gradient modulated radio-frequency (RF)-pulses necessary for high field MR systems with high bandwidth were developed and experimentally optimized.<br />Relaxation mechanisms and other measurement parameters crucial for high spectral quality (spectral resolution, signal-to-noise ratio, ...) were tested at different field-strengths in vivo and compared with phantom measurements and theoretical predictions.<br />A new localized spectroscopy MR sequence based on ISIS localization using special gradient modulated adiabatic inversion pulses was designed, which provides reliable results even at high field-strengths and surface coils. The newly developed ISIS sequence is compared to established standard methods in phantoms as well as volunteers.<br />