dc.contributor.author
Döpfert, Jörg
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:45:17Z
dc.date.available
2015-06-15T08:43:03.344Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1554
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5756
dc.description.abstract
NMR detection of hyperpolarized, reversibly bound xenon using chemical
exchange saturation transfer (Hyper-CEST) is a relatively new technique with
great potential for the detection of dilute molecular targets, e.g. in the
context of chemical sensing or molecular imaging. However, the first
implementations of Hyper-CEST imaging and spectroscopy (before 2011) were
still limited by relatively long acquisition times and the need for a highly
consistent xenon delivery to the object (or subject) of interest. In this
thesis, we present various tools to tackle these issues from a signal encoding
perspective: (1) Multi-echo single-shot MRI readouts for Hyper-CEST to make
efficient use of the available hyperpolarized magnetization and to accelerate
the measurement process, (2) principal component analysis based data post-
processing and sub-sampled data acquisition to increase the signal-to-noise
ratio of spectral Hyper-CEST image series, (3) gradient encoding of the
saturation frequencies to strongly accelerate in vitro CEST spectroscopy
(ultrafast CEST), and (4) shared magnetization after single hyperpolarization
with CEST (smashCEST) to enable both Hyper-CEST imaging and spectroscopy also
under conditions where the number of xenon deliveries has to be minimized due
to time or signal stability restrictions. Utilizing these tools, we
demonstrate new Hyper-CEST applications: For instance the monitoring of
dynamic processes such as enzymatic reactions or contrast agent diffusion, and
fast and sensitive spectral Hyper-CEST imaging to enable multiplexing of
different contrast agents. As some of these tools have additionally been
applied successfully in several other projects of our research group (e.g. the
first live-cell tracking with Hyper-CEST), we are convinced that they might
help to further extend the scope of molecular sensing applications using
hyperpolarized xenon, eventually also in the context of future in vivo
studies. Notably, many of the techniques presented in this thesis might also
be of use for conventional CEST NMR and MRI applications using thermally
polarized protons.
de
dc.description.abstract
NMR mit hyperpolarisiertem Xenon unter Ausnutzung von Sättigungstransfer durch
chemischen Austausch (Hyper-CEST) ist eine relativ neue und vielversprechende
Methode zum Nachweisen von molekularen Zielstrukturen in niedrigen
Konzentrationen mit Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Molekularbildgebung
oder der (bio-)chemischen Probenanalyse. In ersten Studien (vor 2011) war die
praktische Anwendbarkeit von Hyper-CEST zur Bildgebung und Spektroskopie
jedoch noch durch relativ lange Aufnahmezeiten und die Notwendigkeit einer
sehr stabilen Xenon-Anlieferung beschränkt. In der vorliegenden Arbeit werden
mehrere Methoden aus den Bereichen der Bild- und Signalverarbeitung und
-kodierung vorgestellt, um diese Einschränkungen zu reduzieren: (1) Multi-echo
single-shot MRI-Techniken für Hyper-CEST um die vorhandene, hyperpolarisierte
Magnetisierung optimal zu nutzen und um die Aufnahmedauer zu verkürzen, (2)
auf Hauptkomponentenanalyse basierende Bildverarbeitung sowie Unterabtastung
bei der Bildaufnahme um das Signal-Rausch-Verhältnis von spektralen Hyper-CEST
Bildserien zu erhöhen, (3) Gradientenkodierung der Sättigungsfrequenzen um die
in vitro CEST Spektroskopie stark zu beschleunigen (ultrafast CEST), und (4)
smashCEST (shared magnetization after single hyperpolarization – also
„geteilte Magnetisierung nach einer einzigen Hyperpolarisierung“ – für CEST)
um Hyper-CEST Spektroskopie und Bildgebung auch dann zu ermöglichen, wenn die
Anzahl an Xenon-Anlieferungen aus Zeit- oder Stabilitätsgründen minimiert
werden muss. Diese Methoden eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für Hyper-
CEST, z.B. die Beobachtung von dynamischen Prozessen wie etwa enzymatischen
Reaktionen oder der Diffusion von Kontrastmittelmolekülen mit hoher zeitlicher
Auflösung, oder auch die schnelle Aufnahme spektraler Bildserien, um
gleichzeitig mehrere verschiedene Kontrastmittel nachzuweisen
(„Multiplexing“). Einige dieser Techniken wurden weiterhin erfolgreich in
mehreren anderen Projekten unserer Arbeitsgruppe eingesetzt, wie
beispielsweise zum erstmaligen Nachverfolgen von lebendigen Zellen („live cell
tracking“) mittels Hyper-CEST Bildgebung. Sie könnten daher auch in Zukunft
dazu beitragen, die Anwendbarkeit von NMR mit hyperpolarisiertem Xenon weiter
auszuweiten, insbesondere im Hinblick auf kommende in vivo Studien. Es ist
außerdem darauf hinzuweisen, dass viele der hier vorgestellten Methoden auch
in konventionellen CEST-MR-Anwendungen mit thermisch polarisierten Protonen
von Nutzen sein könnten.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
hyperpolarization
dc.subject
contrast agents
dc.subject
molecular imaging
dc.subject
compressed sensing
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Fast and Sensitive NMR Encoding for Reversibly Bound Xenon
dc.contributor.firstReferee
Dr. Leif Schröder
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Joachim Heberle
dc.date.accepted
2015-05-06
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099476-3
dc.title.translated
Schnelle und sensitive NMR-Kodierung für reversibel gebundenes Xenon
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000099476
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000017218
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access