English Title: Signal-enhanced multi-spectral in vivo 31P magnetic resonance imaging

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Abstract

Bei der klinischen Magnetresonanztomographie (MRT) wird das Signal von Wasserstoff (1H) detektiert. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Bildgebungsverfahren für die Phosphor (31P)-MRT mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung entwickelt, um nichtinvasiv Informationen über den menschlichen Energiestoffwechsel zu gewinnen. Dabei wurde insbesondere auf die geringe In-vivo-Sensitivität und die große spektrale Bandbreite der 31P-Metaboliten-Resonanzen eingegangen. Zur Separation der einzelnen 31P-Metaboliten wurden die frequenzselektive Anregung (FreqSel) und das Multipunkt-Dixon-Verfahren (MP-Dixon) analysiert. FreqSel sollte bei 31P-Messungen eingesetzt werden, bei denen nur ein Metabolit von Interesse ist. Bei der Untersuchung einer größeren spektralen Breite lieferte dagegen MP-Dixon ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Die Signalintensität konnte mithilfe von bSSFP-Sequenzen in Kombination mit dem Kern-Overhauser-Effekt um bis zu (82 ± 13)% bei einer Magnetfeldstärke von B0 = 3T und (37 ± 9)% bei 7T gesteigert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der höheren Magnetfeldstärke das SNR bereits um einen Faktor von 2,5 erhöht ist. Weiterhin wurde die iterative Rekonstruktion von 31P-Daten unter Anwendung von A-priori-Informationen charakterisiert. Mithilfe einer aus morphologischen 1H-Bildern erstellten Trägerregion konnten Partialvolumeneffekte und Gibbs-Ringing-Artefakte in 31P-Bildern reduziert werden. Iterativ rekonstruierte Bilder repräsentieren somit die Verteilung der 31P-Metaboliten realistischer als konventionell rekonstruierte Bilder. Mit diesen Techniken ist die 31P-MRT bei einer isotropen Auflösung von (1cm)^3 in klinisch realisierbaren Messzeiten von 10min in vivo bei 7T möglich.

Translation of abstract (English)

Clinical magnetic resonance imaging (MRI) employs the hydrogen (1H) signal of tissue water protons. The aim of this work was to develop various methods for phosphorus (31P) MRI in order to observe noninvasively with high spatial and spectral resolution the energy metabolism in human brain and muscle tissue. Principally, the low in vivo sensitivity and the broad spectral range of 31P-metabolite resonances were investigated. Frequency-selective excitation (FreqSel) and the multipoint-Dixon method (MP-Dixon) were analyzed to differentiate 31P-metabolites. FreqSel should be preferred for measurements where a single metabolite resonance was considered. MP-Dixon performed better in terms of signal-to-noise ratio (SNR) if a larger spectral width is of interest. The signal intensity was increased by bSSFP sequences in combination with the nuclear Overhauser effect up to (82 ± 13)% at magnetic field strengths of B0 = 3T and (37 ± 9)% at 7T. For the higher field strength the SNR was enhanced by a factor of 2.5. Furthermore, the iterative reconstruction of 31P data applying morphological a priori information was evaluated. By means of a 1H support region, partial volume effects and Gibbs ringing artifacts could be reduced in 31P images. Thus, iteratively reconstructed images represent the 31P-metabolite distributions more realistically than conventionally reconstructed images. The conclusion is that 31P-MRI is possible in vivo in clinically feasible acquisition times of 10min with an isotropic resolution of (1cm)^3 at 7T.