1,721,348 research outputs found
Experimental realization of velocity selection by means of spin resonance of very cold neutrons (VCN)
Full text linkDas Prinzip der räumlichen Spinresonanz wurde zum ersten Mal von G. M. Drabkin 1963 vorgestellt. Bei dieser Methode, kann der Neutronenspin wellenlängenabhängig geflippt werden. Dieses Konzept wurde von G. Badurek et al. laufend weiterentwickelt und ist mittlerweile eine gut erforschte Methode, einen wellenlängenabhängigen Spinflip bei einem polarisierten Neutronenstrahl zu realisieren. An der Technischen Universität Wien wurden mehrere Resonator-Prototypen für kalte und thermische Neutronen entwickelt. Auf diesen Prototypen baut die Entwicklung eines Wanderwellen-Neutronenspinresonator für sehr kalte Neutronen auf. Im Zuge dieser Arbeit werden die Neuerungen, die für das Design eines Wanderwellen-Neutronenspinresonators für sehr kalte Neutronen notwendig sind, erarbeitet und umgesetzt. Dazu wurden Untersuchungen hinsichtlich des magnetischen Hintergrundes (unter anderem Einflüsse des Erdmagnetfeldes), der bei sehr kalten Neutronen nicht vernachlässigbar ist, durchgeführt. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurden geeignete Abschirmungen simuliert und umgesetzt. Weiters wurde die Transmission von sehr kalten Neutronen durch die Luft und den Resonator untersucht. Aufgrund von Berechnungen wurden Änderungen am experimentellen Aufbau nötig, wie die Entwicklung neuer Resonator-Spulen und die Verwendung einer Helium-Atmosphäre. Für den Resonator wurde auch eine elektronische Steuerung entwickelt. Mit dieser Steuerung kann ein individueller Strom für jede Resonator-Spule eingestellt und im Mikrosekunden-Bereich geschalten werden. Abschließend wurde der neue Experimentaufbau in Grenoble am Hochflussreaktor des ILL (Institut Laue-Langevin) erstmals an einem weißen VCN-Strahl getestet. Die vorab berechneten Einflüsse auf die Transmission der Neutronen konnten anhand der Messungen untersucht und die Funktionalität des Resonators überprüft werden.The principle of spatial spin resonance was presented for the first time by G.M. Drabkin in 1963. Using this method, a wavelength-selective neutron spin flip can be performed. This concept has been improved by G. Badurek et al. and is now a well known method to realize a wavelength- selective spin flip of a polarized neutron beam. At the Vienna University of Technology several resonator prototypes for cold and thermal neutrons have been developed. These prototypes serve as the starting point for the development of a traveling-wave neutron spin resonator for very cold neutrons. In the frame of these thesis the improvements, which are necessary to design a traveling-wave neutron spin resonator for very cold neutrons, will be developed and implemented. Careful studies of the magnetic background (e.g. Earth's magnetic field) were performed since it may influence the very cold neutrons significantly. Based on these results, a magnetic shielding is simulated and implemented. Furthermore, the transmission of the very cold neutrons (VCN) through the air and the resonator is analyzed. The calculations show that modifications on the experimental setup are required, e.g. the development of new resonator coils and the use of a helium atmosphere. An electronic controller for the resonator is developed as well. With this controller a distinct current can be set for each coil and switched within microseconds. Finally, the new setup is tested, using a white VCN-beam, at the high-flux reactor of the Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble. By these measurements both the computed influences on the transmission of the neutrons and the functionality of the resonator could be confirmed
Acceleration of magnetic resonance spectroscopic imaging sequences via parallel imaging and spatio-spectral encoding
Full text linkWie von Bogner et al. gezeigt wurde, bietet das Messen des "free induction decays" (FID) statt eines Echos, gemeinsam mit der hohen Feldstärke von 7T, genug Signal zu Rauschverhältnis (SNR), um hohe Auflösungen von 3.4x3.4 mm² in der Magnetresonanzspektroskopie (MRSI) zu ermöglichen. Gleichzeitig ist die Punktverteilungsfunktion gut genug lokalisiert, um das Verschmieren von extrakranialem Lipidsignal über das Gehirnbild zu verhindern. Mit kleineren Auflösungen wäre das nicht gegeben, da es wegen dem Messen des FIDs nicht möglich ist, das Signal durch Methoden wie "point resolved spectroscopy" räumlich einzuschränken, und weil die kurzen Echozeiten stärkere Lipidsignale verursachen. Leider ist die Messzeit bei solch hohen Auflösungen 30 Minuten pro Schicht. Daher war das erste Ziel meiner Arbeit eine Spulenkombinationsmethode für MRSI Daten zu entwickeln, um das SNR noch weiter zu erhöhen, welches dann für eine Verkürzung der Messdauer benutzt werden kann. Eine Spulenkombinationsmethode, "MUSICAL", wurde entwickelt, welche konventionelle MR-Bilddaten als Kombinationsgewichte benutzt. Im Vergleich zu zwei Standardmethoden benötigt MUSICAL einerseits keine zusätzliche Referenzspule, und erhöht andererseits das SNR um 30 %. Um die MRSI-Akquisition zu beschleunigen, wurden zwei konzeptionell verschiedene Methoden getestet: Parallelbildgebung (PI), und Raum-Zeit-Kodierung (SSE). Eine neue PI Methode, (2+1)D-CAIPIRINHA, wurde entwickelt, welche in alle drei Raumrichtungen beschleunigt. Die Ergebnisse waren besser im Vergleich zu zwei Standard-Methoden, 2D-GRAPPA, und 2D-CAIPIRINHA. SSE bietet höhere Beschleunigungsfaktoren als PI, und kann deshalb sogar für 3D-MRSI benutzt werden. SSE wurde in Form von konzentrischen Kreisen in eine MRSI Sequenz implementiert. Eine Rekonstruktionspipeline wurde in BASH und MATLAB programmiert, um die MRSI Daten all dieser Methoden rekonstruieren zu können. Die Pipeline ist open-source und vollautomatisch, sodass der Benutzer keinerlei Eingaben nach dem Starten des Programms tätigen muss. Letztlich wurden die entwickelten Methoden dafür verwendet, Multiple Sklerose Patienten in einer klinischen Studie zu messen. Metabolische Änderungen waren in den Läsionen im Vergleich zu normal aussehender weißer Hirnsubstanz erkennbar, in Übereinstimmung zur Literatur, allerdings viel detailreicher.As was shown by Bogner et al., measuring the free induction decay (FID) instead of an echo, together with the high field strength of 7T provides enough signal to noise ratio (SNR) for measuring magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) at high resolutions of 3.4x3.4 mm². At the same time, the point spread function (PSF) is localized well enough to prevent extra-cranial lipid signals from spreading over the brain image. With lower resolutions, these lipids would be problematic, as measuring the FID prevents the possibility to spatially restrict the signal via methods like point resolved spectroscopy, and because the short echo times result in stronger lipid signals. Unfortunately, such high resolutions also require long measurement times of about 30 minutes for one slice. Thus, the first aim of my work was to implement a robust coil combination for MRSI data from array coils to further increase the SNR. This increased SNR can then be used to accelerate the measurement. A coil combination method termed "MUSICAL" was developed, which uses magnetic resonance imaging data as coil combination weights. MUSICAL does not need an additional reference coil, and the SNR was increased by 30 % in comparison to two state of the art coil combination methods. To accelerate the MRSI acquisition, two conceptually different approaches were tested: Parallel imaging (PI), and spatio-spectral encoding (SSE). A new PI method, (2+1)D-CAIPIRINHA, for accelerating in all three spatial dimensions was developed. This method yielded improved results in comparison to two standard PI methods, 2D-GRAPPA, and 2D-CAIPIRINHA. SSE offers potentially higher acceleration factors than PI, and can therefore be used to even measure 3D-MRSI. SSE was implemented into an MRSI sequence by measuring concentric circle trajectories. In order to reconstruct the MRSI data with all these methods, a reconstruction pipeline was programmed in BASH and MATLAB. This pipeline is open source and fully automatic, and does therefore not need any additional user input during runtime. Finally, the methods developed in the course of this thesis were applied by measuring multiple sclerosis patients in a clinical study. Metabolic changes were observed in the lesions in comparison to normal appearing white matter, mostly in accordance with literature, but with much higher spatial detail
Automatic venous vessel segmentation in high field, multi-echo susceptibility weighted imaging
Full text linkSusceptibility-Weighted Imaging (SWI) is a Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique that exploits both the magnitude and phase of the complex MRI signal to increase contrast for tissues of different susceptibilities. Deoxygenated blood in in venous vessels is more paramagnetic than the surrounding tissues, therefore veins can be depicted in SWI without the need for external contrast agents. Identifying and segmenting the venous vessels in whole-brain SWI scans facilitates the creation of three-dimensional models of the cerebral venous vasculature. However, manual segmentation of veins in whole brain SWI datasets is unfeasible due to the amount of manual labor required. To date automatic segmentation approaches of veins from ultra-high field SWI datasets have predominately been performed using only the magnitude images because of the non-local and orientation dependent properties of the phase. However, in recent years, dedicated algorithms have been established which aim to turn the complex phase information into maps of the local susceptibility, a process that is known as Quantitative Susceptibility Mapping (QSM). In this project, a new approach to automatic venous vessel segmentation was developed that uses information from magnitude images, phase images and the derived QSM images of a multi-echo T_ 2 -weighted gradient echo scan. A Random Forest (RF) classifier was used to segment veins based on a combination of appearance and shape features that are computed separately from magnitude images, phase images and QSM images. This supervised machine-learning approach also allowed us to investigate the importance of each feature for the segmentation task. This not only gives insight to the importance of magnitude, phase and QSM images for venous vessel segmentation, but because the features were computed from multiple echoes, the feature importance findings can also be used to suggest echo time settings for future data acquisition. The segmentation approach was tested on datasets of five different healthy subjects, two of which were partially annotated to serve as ground truth for training the RF and for quantitatively evaluating the segmentation performance. In all of the performance metrics used within our experiments, the RF approach yielded higher scores than either of those features used individually. Specifically, the RF approach outperformed the common vesselness filtering approach in all similarity measures that were computed against the manual annotations. Visual assessment of 3D renderings of the surface veins confirmed that the segmentations obtained by the RF approach did look very similar to renderings of the manual annotations. The results of the feature importance measurements indicate that most of the information that is needed for surface vein segmentation is already contained in the first echo, which potentially enables quicker data acquisition. Overall the developed RF segmentation approach enables the generation high-quality, patient-specific 3D models of the cerebral venous vasculature, which have the potential to aid neurosurgeons in presurgical planning by helping them to localize brain regions that need to be spared in order to minimize the risk of post-operative neurological deficits
Analyse des temporalen Informationsgehalts hochauflösender resting state-fMRI Daten mithilfe von Blind Source Separation-Algorithmen
Full text linkDie BOLD-fMRI-Datenanalyse ist eine herausfordernde Aufgabe - mitunter bedingt durch den starken Einfluss von Störgrößen. Diese Störgrößen sind teilweise physiologischen Ursprungs (darunter fallen beispielsweise der Herzrhythmus oder aber auch die Atmung). In der sogenannten "resting state" fMRI-Forschung wird farbiges Rauschen zu einem noch größerem Problem, da BOLD-Fluktuationen dort einen kleineren Signalanteil ausmachen, als die so genannte "BOLD response" in der "task-related" fMRI-Forschung. Das Ausmaß dieses Problems ist in der Forschung noch nicht lange bekannt. Physiologisch bedingtes Rauschen wird durch Aliasing-Effekte in das Signal zeitlich niedrig auflösender Scans gespiegelt (wenn das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem ignoriert wird). Mit dem Aufkommen von schnellen Multiband-Sequenzen ist es jedoch möglich geworden, solche Aliasing-Effekte zu vermeiden, sofern die Abtastfrequenz hoch genug eingestellt wird. Und nachdem lange Zeit angenommen wurde, dass "resting state" Netzwerke eine Bandbreite im Bereich von 0.01-0.1 Hz haben, schien es, als könnten zeitlich hochauflösende Scans durch die Anwendung einfacher Zeitfilter von physiologischem Rauschen befreit werden. Aktuelle Studien haben jedoch gezeigt, dass "resting state" Netzwerke auch in Frequenzbereichen >0.1 Hz identifiziert werden können. Die Anwendung von Zeitfiltern erwies sich daher als nachteilig, da diese relevante Signalanteile ebenso eliminiert, wie Rauschen. Ein neuer (auf einer sogenannten "Blind Source Separation"-Methode basierender) Ansatz zur Rauschentfernung wird im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Zeilich hochauflösende BOLD-fMRI-Daten werden in zeitlich unabhängige Komponenten zerlegt. Diese Zeitreihen werden im Frequenzbereich analysiert und Komponenten, die physiologischem Rauschen zugeordnet werden können, werden in die Datenrekonstruktion nicht miteinbezogen. Dieser neue Algorithmus wurde auf reale fMRI Daten angewandt (und parallel dazu wurden die selben Daten mit einem Bandpass-Filter gefiltert). Die bandgepassten Daten und die mittels dem neuen Algorithmus analysierten Daten wurden einer sogenannten "seed-based correlation"-Analyse unterzogen um festzustellen, ob bezüglich der funktionellen Konnektivität signifikante Unterschiede festgestellt werden können. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass dies sehr wohl der Fall ist. Mit Ausnahme der funktionellen Konnektivität, die speziell im Bezug auf das auditive resting state Netzwerk bestimmt wurde, scheinen diese signifikanten Unterschiede jedoch nicht in spezifischen Mustern aufzutreten. Andere explorative Ansätze (z.B. eine Clusteranalyse) könnten Teil zukünftiger Analysen zur Validierung dieses neuen Ansatzes sein und zum Vergleich des Selbigen mit ähnlichen Ansätzen dienen.BOLD-fMRI data analysis is challenging - in part due to the strong influences by non-white noise, some of which has physiological origins (e.g. cardiac activity or respiration). Noise becomes even more of a problem in resting state fMRI research, since BOLD fluctuations account for a smaller portion of signal than the BOLD response in specific task-related fMRI signals does. Researchers have not always been aware of the great extent of this problem. Physiological noise is aliased into scans of a low temporal resolution (i.e. if the Nyquist criterion is not satisfied). But with the advent of multiband sequences, which facilitate higher sampling rates, it became possible to circumvent aliasing of high frequency noise into the signal of interest, if only the sampling frequency was set high enough. Since resting state networks have commonly been assumed to have abandwidth lying in the range of 0.01-0.1 Hz, it seemed, as if scans of high temporal resolution could be freed from physiological noise by temporal ltering. Recent studies have, however, revealed that resting state networks could also be identified in frequency ranges >0.1 Hz. Hence, the application of temporal lters turned out to be disadvantageous, since it eliminates useful information just as well as noise. A novel approach to noise removal (based on blind source separation) is presented in this thesis. BOLD-fMRI data of high temporal resolution is decomposed into temporally independent components (time courses) and corresponding weights.The time courses are analysed in the frequency domain and components deemed to be related to physiological noise were excluded from subsequent data reconstruction. fMRI data have been processed with this new algorithm and have (in another processing pipeline) been band passed (as a reference). The band passed data and the data processed by means of the proposed algorithm have both been subjected to seed-based correlation analysis in order to determine whether signi ficant differences in functional connectivity could be observed. Results indicate that the different approaches did in fact lead to such signi cant differences. With the exception of the functional connectivity assessed for the auditory resting state network, the differences did however not appear to occur in specific patterns. Other exploratory approaches (e.g. cluster analysis) could be used in future analyses in order to further validate this new noise removal approach and to compare results to those of similar approaches (e.g. CORSICA, PESTICA)
Flexible coil arrays for magnetic resonance imaging – performance comparison of coaxial transmission line resonators and stranded wire elements
Full text linkMagnetic resonance imaging (MRI) is a non-ionizing medical imaging technique, based on the ability of certain atomic nuclei to interact with externally applied magnetic fields. Image quality is strongly determined by the receive sensitivity of the radiofrequency coils, used to pick up the MR signal emitted from the measured body region, among other factors like strength of the static magnetic field. Coil sensitivity can be greatly enhanced by proximity to the body, which can be achieved using flexible receive coils, enabling close form-fitting to arbitrary body shapes.In this thesis a comparative study between flexible receive-only stranded wire coils and coaxial coils for magnetic resonance imaging at 3T is presented. The focus lies on the development process of a 4-channel stranded wire coil array. Stranded wire coils (SWC) were chosen due to their similar behavior to standard copper loop coils (SC). Their resonance frequency is determined by the inductance determined by the conductor geometry and capacitors along the conductor. Coaxial coils (CC) are self-resonant transmission line resonators, which are tuned by their geometry and cable characteristics.Single channel coils and individual interfacing circuitries were constructed with rigid copper wire, flexible stranded wire, and flexible coaxial cables. Bench tests using a vector network analyzer were conducted to verify tuning, impedance matching and the efficiency of the active detuning network. Lower unloaded Q-factors were found for the coaxial coil, indicating higher coil losses. Nevertheless, all coils were clearly sample noise dominated. Bench measurements of the three coils showed robustness against bending in terms of frequency shifting, which was below 3 %. The MR measurements showed that the flexible SWC and CC only had slight signal-to-noise ratio (SNR) disadvantages against the rigid SC in a circular ROI on a flat phantom.A 4-channel stranded wire coil was constructed, tested, and compared to a 4-channel coaxial coil. Similar geometric and preamplifier decoupling was found between the arrays. The MR measurements of the 4-channel coils included gradient echo, flip angle and noise scans. Considering that different preamplifiers were used, similar SNR was found in the defined region of interest for the two arrays. Therefore, other criteria than SNR performance should be considered for the choice between the two coil designs. These include the mechanical robustness against bending, where the CC outperforms the SWC as no additional solder joints along the conductor are required
In vivo localized 31P NMR spectroscopy at high magnetic field using gradient modulated adiabatic inversion pulses
No full textDie 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.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.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.Im Zuge dieser Arbeit wurden speziell für Hochfeld MR-Systeme notwendige adiabatische Gradienten modulierte Radiofrequenz (RF) Pulse mit hoher Bandbreite entwickelt und experiementell optimiert.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.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.Die neu entwickelte ISIS Sequenz wurde mit etablierten Standardmethoden sowohl in Phantomen als auch in Probanden vergleichen.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.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.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.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.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.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.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 /
Improving MRSI spectral quality using high-resolution B0 inhomogeneity maps
Full text linkIn der Magnetresonanz-Spektroskopiebildgebung (MRSI) führen Inhomogenitäten im statischen Magnetfeld (B0) zu einer Verschlechterung der spektralen Qualität. Das Ziel dieser Diplomarbeit war es deshalb eine Nachverarbeitungsmethode zu implementieren, welche die spektrale Qualität durch zusätzlich akquirierte hochaufgelöste B0 Bilder verbessert. Hierfür wurden zwei Methoden implementiert. Die erste Methode basiert auf einer B0 Korrektur mittels überdiskretisierter MRSI (odMRSI) Rekonstruktion, in welcher die MRSI Datensätze im k-Raum durch Zerofilling interpoliert werden, sodass sie der Auflösung der B0 Inhomogenitätsbilder entsprechen. Nach der B0 Korrektur werden die Subvoxel der interpolierten MRSI Daten gemittelt, sodass die ursprüngliche Auflösung wieder erreicht wird. Die zweite Methode, genannt Spectral Resolution Amelioration by Deconvolution (SPREAD), schlägt vor, dass die Profile der spektralen Resonanzen in jedem Voxel durch eine zusätzliche B0 Map abgeschätzt werden und die im orginalen MRSI Datensat gemessenen spektralen Resonanzlinien simuliert werden können. Dann kann eine spektrale Entfaltung in der Time Domain durchgeführt werden zwischen den gemessenen MRSI Daten und den Simulierten Profilen der Resonanzen. odMRSI Rekonstruktion erhöht hauptsächlich das Signal-zu-Rausch (SNR) Verhältnis durch Entkoppelung des spektralen Rauschens zwischen den Subspektren wähend des Interpolationsschrittes. SPREAD erhöht die spektrale Auflösung durch Reduktion der spektralen Linienbreite, welche durch B0 Inhomogenitäten verursacht wird. Beide Methoden wurden zuerst in Simulationen validiert und dann auf Phantom und in vivo Daten angewendet. Eine wesentliche Verbesserung der spektralen Qualität wäre deshalb ein wertvoller Teil der bereits etablierten Nachbearbeitungspipeline. Letztendlich, kann ein höheres SNR in eine Reduktion der Messzeit, höhere spektrale Auflösung oder für eine zuverlässigere Detektierung von niedrig konzentrierten Metaboliten umgewandelt werden. Unsere Ergebnisse validieren frühere Ergebnisse die eine Verbesserung der spektralen Eigenschaften (höheres SNR) durch odMRSI beobachtet haben. odMRSI Rekonstruktion war robust gegen Einflüsse durch niedriges SNR und kann ebenso auf Frequenzshiftmaps, welche aus den MRSI Daten selbst gewonnen werden, basieren. Das heisst, dass odMRSI ohne zusätzliche Messzeit angewendet werden kann. Allerdings konnte diese Verbesserung in der spektralen Qualität nicht in bessere Metabolitenkarten , welche durch spektrale Quantifizierung gewonnen werden, umgewandelt werden. Stattdessen lässt dies darauf schliessen, dass die Verbesserung der spektralen Eigenschaften lediglich 'kosmetisch' sind. Im Gegensatz dazu war SPREAD in der Lage die spektralen Eigenschaften nur dann zu verbessern, wenn bereits ein hohes SNR vorhanden war, was in der klinischen Realität kaum der Fall ist. Basierend darauf können wir rückschliessen, dass sowohl SPREAD als auch odMRSI Rekonstruktion nicht in der Lage sind in einem (klinischen) In vivo Setting Metbolitenkarten von höherer Qualität zu liefern.In Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI) inhomogeneities of the static magnetic field (B0) cause degradation of spectral quality. The aim of the thesis is to implement post processing methods to improve spectral quality by using additionally acquired high resolution B0 maps. For this purpose two methods were implemented. The first method suggests B0 correction in Overdiscrete MRSI (odMRSI) reconstruction in which the MRSI dataset is interpolated by k-space zero filling to match the resolution of the B0 inhomogeneity map. After the B0 correction the subvoxels of the interpolated MRSI data are averaged to reach the initial resolution. The second method, called Spectral Resolution Amelioration by Deconvolution (SPREAD), suggests to estimate lineshape profiles of each voxel from the B0 inhomogeneities map and to simulate the acquisition of the lineshape profiles at the resolution of the original MRSI dataset. Then spectral deconvolution in time domain is performed between the measured MRSI data and the simulated lineshape profiles. odMRSI reconstruction mainly increases the signal-to-noise ratio (SNR) by decorrelating the spectral noise between subspectra in the interpolation step. SPREAD increases spectral Resolution by reduction of linebroadening caused by B0 inhomogeneities. Both methods were first validated in simulations and then applied on phantom and in-vivo data. If the outputs of the two methods improve spectral quality significantly they can be used as valuable part of the established postprocessing pipeline. Ultimately, increased SNR can be traded for reduced acquisition time, higher spatial resolutions or to detect low abundant metabolites more confidently. Our results validated a previous report that odMRSI improved the spectral properties (higher SNR). odMRSI reconstruction was robust against influences from low SNR and can be even based on the shifts maps obtained from MRSI data themselves. This means that the odMRSI can be applied with no additional acquisition time. However, this spectral quality improvement was not translated into better metabolic maps as obtained via spectral quantification. Rather this suggests that the improvement of the spectral properties is just 'cosmetic' . In contrast, SPREAD was capable to improve spectral properties only in a situation with high SNR, which is not present in clinical reality. Based on this we conclude that both SPREAD and odMRSI reconstruction are both not able to provide metabolic maps of improved quality in a (clinical) in vivo Setting
Parameter selective MR-micro-imaging of biomaterials with short T2-times using UTE pulse sequences
Full text linkDie direkte Visualisierung von Substanzen mit kurzen T2-Zeiten (z.B. Plastik, Zähne) ist mit Standard Magnetresonanz (MR)-Bildgebung kaum möglich, da das Messsignal innerhalb der Detektionszeit größtenteils zerfallen ist. Das Absorptionsspektrum solcher Substanzen ist wesentlich breiter als das von Materialen mit langer T2-Zeit, was sich in einer hohen Empfindlichkeit gegenüber off-resonanter Anregung niederschlägt.In dieser Arbeit wurde eine MR-Pulssequenz entwickelt, die auf einer existierenden Sequenz für ultrakurze Detektionszeiten (Ultra-short echo time, UTE) basiert, und mit einem off-resonanten Magnetisierungstransfer (MT) Sättigungspuls kombiniert.UTE-Pulssequenzen sind noch im Erprobungsstadium, aber die Kombination mit MT-Wichtung ist neu und verspricht einen neuartigen Bildkontrast in der Visualisierung von Hartsubstanzen.Die Implementierung wurde an einem speziellen MR-Mikrogradientensystem realisiert, welches Teil eines Hochfeld-MR-Scanners ist. Verschiedene Teststrukturen (Phantome) und biomedizinische Proben (Sehnen, Bänder etc.) wurden unter Verwendung einer 3-dim. UTE-Sequenz mit radialer k-Raum-Abtastung untersucht.Durch einen frei konfigurierbaren, vorgeschalteten Sättigungspuls kann ein MT-Kontrast erreicht werden. Die tatsächliche Sequenz-Leistungsfähigkeit wird durch eine Reihe von Qualitätskontrollmessungen eruiert, darunter Messungen bezüglich Bildunschärfe, Auflösungsvermögen, Kantenanhebungsartefakten und MT-Kontrast-Fähigkeiten.Durch ihre kurzen Detektionszeiten (TEmin =70 µs), erlaubt die UTE-Sequenz die Visualisierung von Substanzen, die für konventionelle Pulssequenzen "unsichtbar" sind. Allerdings zeigt sich auch eine große Empfindlichkeit gegenüber imperfekter Gradientenleistung. Insbesondere zeitliche Ungenauigkeiten im Schaltverhalten äußern sich in Bildartefakten in Form von Kantenanhebungen, die aus Frequenzverschiebungen des Profilsignals resultieren. Diese konnten durch den Einsatz von Korrekturwerten während der Bildrekonstruktion minimiert werden. Durch Vergleichsmessungen mit Standardsequenzen konnte eine plausible Wirksamkeit des MT-Kontrastes in der UTE-Sequenz nachgewiesen werden.Außerdem werden erste vorläufige Ergebnisse präsentiert, die einige neue Perspektiven und mögliche Anwendungen demonstrieren sollen.Die Kombination der UTE-Sequenz mit MT-Wichtung bietet einen zusätzlichen Kontrastmechanismus innerhalb von Geweben und Materialen mit sehr kurzen T2-Zeiten. Allerdings ist das räumliche Auflösungsvermögen gegenüber Standardsequenzen stark eingeschränkt.Außerdem weist der UTE-Bildgebungsteil spezifische Bildartefakte auf, die auf zeitliche Verzögerungen im Gradientenschaltverhalten zurückzuführen sind.Du to a rapid decay of the magnetic resonance (MR) signal within the detection time frame, the direct visualisation of short-T2 materials (e.g. plastics, tendons, ligaments, dental tissues) is barely achievable. There absorption line shapes are much broader than long-T2 materials resulting in a great sensitivity to off-resonance excitations.Within this thesis, a new MR-pulse sequence, based on an existing sequence using ultra-short detection times (UTE), was developed in combination with magnetisation transfer (MT) contrast featuring high-power off-resonant saturation pulses. UTE-pulse-sequences are still in an experimental stage, but the new combination with MT-weighting promise a novel image contrast visualising solid materials.The implementation was done on a specific microimaging system installed at a high-field human MR scanner. Various phantoms and biomedical samples containing short-T2 tissues (tendons, ligaments etc.) were investigated using a 3-dimensional UTE sequence with radial k-space sampling.MT-contrast could be achieved by a preceding, fully adjustable saturation pulse. In order to evaluate the sequence performance, quality control measurements were performed regarding image blurring, edge enhancement, spatial resolution and MT-contrast capabilities.With its short detection time (Temin =70 µs), the UTE sequence allows the visualisation of materials remaining "invisible" by conventional MR-imaging. However, it also showed a distinct liability to imperfect gradient performance. In particular switching delays lead to edge enhancement artefacts, which are due to signal frequency shifting. This limitation could be minimised by correction terms during image reconstruction. The plausible effectiveness of MT-contrast along with the UTE sequence was verified by comparing the MT-weighted images of standard sequences to the MT-weighing in UTE-sequences.Moreover, first preliminary results are presented in order to demonstrate some perspectives and future applications.The combination of UTE imaging and MT pulse technique provides an additional contrast within tissues with very short T2s, but the spatial resolution is highly limited compared to standard sequences. Moreover, the currently available UTE imaging part exhibits specific artefacts caused by an imperfect gradient timing performance.<br /
Absolute Quantifizierung von Lebermetaboliten mittels lokalisierter 31P-MR-Spektroskopie bei 7 T
Full text linkStoffwechselstörungen der Leber äußern sich durch Konzentrationsänderung intrazellulärer Metaboliten. Eine Analyse der Verteilung von Stoffwechselprodukten trägt zum besseren Verständnis von Lebererkrankungen auf molekularer Basis bei und könnte die Therapie verbessern. Mittels des 7 T-MR-Ganzkörpertomographen des AKHWien wird in dieser Arbeit eine nichtinvasive Möglichkeit vorgestellt, die Konzentration von Stoffwechselprodukten der Leber wie Phosphorverbindungen lokal zu bestimmen. Dazu werden gesunde Probanden untersucht und die Verteilung bestimmter Stoffwechselprodukte wird unter Zuhilfenahme eines Phantoms bekannter Konzentration analysiert. Für weitere Studien könnten diese Daten dann als Vergleichsgrundlage dienen, um Patienten mit Stoffwechselstörungen der Leber genauer zu diagnostizieren.Metabolic dysfunctions of the liver manifest as change in concentration of intracellular metabolites. An analysis of the distribution of metabolic products contributes to the understanding of liver disorders on molecular basis and could improve the therapy. By means of the 7 T wholebody MRI system of the Medical University of Vienna this thesis presents a non-invasive way to determine the local concentration of metabolites of the liver such as phosphorus compounds. Therefore healthy volunteers are examined and the distribution of certain metabolites is analyzed with the help of a phantom of known concentration. For further studies, these data could then serve as basis of comparison in order to diagnose patients with metabolic dysfunctions of the liver more precisely
Advancement of a travelling-wave neutron spin resonator
Full text linkDie Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung eines Wanderwellen- Neutronenspinresonators zur Erzeugung nahezu beliebig geformter wellenlängenselektierter, polarisierter Neutronenpulse. Das zugrunde liegende Prinzip dafürr, die magnetische Neutronenspinresonanz in räumlich periodischen Magnetfeldern, wurde bereits in den 1960er Jahren von Drabkin et al. vorgestellt. Mittlerweile handelt es sich bei diesem Konzept um eine gut verstandene Methode, einen wellenlängenabhängigen Spinflip von polarisierten, thermischen und kalten Neutronenstrahlen zu erzielen. Basierend auf den Arbeiten von G. M. Drabkin und G. Badurek, wurden am Atominstitut der Technischen Universität stetig neue Prototypen zur magnetischen Spinresonanz entwickelt. ImRahmen dieser Arbeit werden Rechnungen und Simulationen zur Transmission und Polarisation von sehr kalten Neutronen (VCNs) durch den vorhergehenden Resonator Prototypen durchgeführt. Basierend auf diesen Ergebnissen wird zu diesem Zweck ein neuer Prototyp eines magnetischenWanderwellenresonators speziell für sehr kalte Neutronen (VCNs) entwickelt. Das neue Design erfüllt die gleichen Anforderungen (wie beim Vorgängermodell) an die Homogenität der erzeugten Magnetfelder. Dies wird mittels Simulationen im CST EM Studio erreicht. Des weiteren erfolgt die technische Umsetzung des neuen Prototypen, sowie die für die experimentelle Untersuchung notwendigen Komponenten des Messaufbaus. Dazu zählen die für den Einsatz am VCN-Strahl notwendige Magnetfeldabschirmung, sowie ein geeigneter Breitbandspinflipper. Der entwickelte Wanderwellenresonator wird anschließend am sehr kalten, weißen Neutronenstrahl des Hochfluss-Forschungsreaktors am ILL (Institut Laue-Langevin) in Betrieb genommen.Der neu designte Wanderwellenresonator wird erstmals an einem weißen Neutronenstrahl getestet. Die Messergebnisse bestätigen nicht nur die Funktionalität des Resonators, sondern zeigen auch ganz deutlich den Einfluss von Luft, Helium und Aluminium auf die Neutronentransmissionsrate.This work deals with the development of a traveling-wave-mode neutron spin resonator to produce almost any shape of wavelength selected, polarized neutron pulses. The basic principle for the magnetic neutron spin resonance in spatially periodic magnetic fields, was already presented by Drabkin et al. in the 1960s. Meanwhile, this concept is a well-understood method to achieve a wavelength-dependent spin flip of polarized thermal and cold neutron beams. Based on theworks ofG.M.Drabkin andG. Badurek, constantly new prototypes for magnetic resonance were developed at the Atomic Institute of the Technical University. In this work, calculations and simulations for the transmission and polarization of very cold neutrons (VCNs) by the previous resonator prototype are carried out. Based on these results, a new prototype of a magnetic Wanderwellenresonators especially for very cold neutrons (VCNs) is developed for this purpose. The new designmeets the same requirements (as in the previous model) to the homogeneity of the generated magnetic fields. This is achieved by means of simulations in CST EMStudio. Furthermore, the technical implementation of the new prototype, and the necessary components for the experiment will be investigated. This includes a magnetic shield and a suitable broadband spin flipper. The developed traveling-wave-mode neutron spin resonator is then put into operation at a very cold, white neutron beam of the high flux research reactor at the ILL (Institut Laue-Langevin). The newly designed traveling-wave-mode resonator is first tested on a white neutron beam. The results not only confirm the functionality of the resonator, but also clearly show the influence of air, helium and aluminumon the neutron transmission rate
- …
