Sodium (Na+) and potassium (K+) ions play key roles in the physiology and metabolism of living cells. Primary active transport, which is carried out by sodium/potassium pumps (Na+/K+-ATPase), maintains the ion concentration gradient between intra- and extracellular space. Changes in Na+ and K+ concentration (and distribution) might reflect ongoing pathological processes within a tissue what might be relevant for various types of cardiovascular and ocular disorders. Ultrahigh magnetic resonance imaging (UHF-MRI) provides new opportunities to non-invasively investigate changes in Na+ and K+ concentrations with spatial resolution and within total scan times that are reaching ranges acceptable for clinical applications. Despite an intrinsic to UHF-MRI gain in signal-to-noise ratio (SNR), nuclear magnetic resonance (NMR) signals of sodium (23Na) and potassium (39K) being detected remain very weak. The NMR sensitivity of 23Na is about 9%, while 39K is 0.05% the one of proton (1H). Therefore, radio frequency (RF) coils, which are used to capture these signals, should be optimized for a given anatomical structure in order to improve the SNR. The goal of this work is to develop two separate RF coils which would enable high-resolution in vivo 23Na MRI of the human eye and in vivo 39K MRI of the human heart at 7.0 Tesla. To achieve these goals, the six-channel transmit receive 23Na coil array and a four/two-channel 1H/39K coil array have been designed, built and tested. The performance of the developed RF coils has been evaluated using RF circuit, electromagnetic field (EMF) and specific absorption rate (SAR) simulations. Phantom as well as in vivo experiments involving several healthy volunteers have been conducted. The experiments have revealed that the developed six-channel transmit/receive coil array supports in vivo 23Na MRI of the human eye with nominal spatial resolution of (1.0 x 1.0 x 1.0) mm3 and within scan time of 10 minutes. This work also demonstrates that the proposed four/two-channel 1H/39K coil array enabled obtaining the world’s first in vivo 39K image of the human heart with nominal spatial resolution of (14.5 x 14.5 x 14.5) mm3 and within total scan time of 30 minutes. The results demonstrate that sodium content in the lens is distinguishable from sodium content in the aqueous and vitreous humor. There is strong evidence that sodium concentration in the compartments of the eye should change in diseases like cataract, glaucoma and ocular melanoma. The broad roles of this element in processes related to eye physiology suggest a range of questions for ophthalmological investigations. This work also shows that in vivo potassium MRI of the human heart is feasible. Previous reports, suggesting that potassium concentration is expected to alter in arrhythmia, ischemia or irreversible injury to miocytes, provides encouragement for future in vivo studies involving patients who suffer from various cardiovascular disorders.
Natrium- (Na+) und Kaliumionen (K+) spielen kritische Rollen in der Physiologie und dem Metabolismus lebender Zellen. Der primär-aktive Transport, der den Ionenkonzentrationsgradienten zwischen intra- und extrazellulärer Maxtrix aufrecht hält, wird von Natrium/Kaliumpumpen durchgeführt. Änderungen der Na+ - und K+-Konzentration und -Verteilung könne auf pathologische Prozesse in einem Gewebe zurückzuführen sein. Dies ist sehr relevant für eine Vielzahl von Krankheiten, einschließlich Herz-Kreislauf- und Augenerkrankungen. Ultrahohe Magnetresonanztomographie (UHF-MRT) bietet neue Möglichkeiten zur nicht-invasiven Untersuchung von Änderungen in Na+- und K+-Konzentrationen mit hoher räumlicher Auflösung, die innerhalb für klinische Anwendungen akzeptabler Gesamtabtastzeiten durchgeführt werden können. Trotz eines UHF-MRT-spezifischen Anstiegs des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) bleiben die nachgewiesenen kernmagnetischen Resonanzsignale (NMR) von Natrium (23Na) und Kalium (39K) sehr schwach. Die NMR-Empfindlichkeit von 23Na beträgt etwa 9%, während 39K - 0.05% des Protons (1H) beträgt. Daher sollten Hochfrequenzspulen (HF), die zur Erfassung dieser Signale verwendet werden, für eine bestimmte anatomische Struktur optimiert werden, um das SNR zu verbessern. Ziel dieser Arbeit ist es, zwei separate HF-Spulen zu entwickeln, die eine hochauflösende in vivo 23Na-MRT des menschlichen Auges und eine in vivo 39K-MRT des menschlichen Herzens bei 7.0 Tesla ermöglichen. Um diese Ziele zu erreichen, wurden das/ein 23Na-Spulenarray mit sechs Sende- und Empfangskanälen und ein 1H/39K-Spulenarray mit vier/zwei Kanälen entworfen, gebaut und getestet. Es wurden Experimente an Messphantomen sowie In-vivo-Testmessungen von mehreren gesunden Freiwilligen durchgeführt. Die Messungen haben gezeigt, dass das in dieser Arbeit entwickelte 6-Kanal-Sende- / Empfangsspulenarray in vivo 23Na MRT des menschlichen Auges mit einer nominalen räumlichen Auflösung von (1.0x1.0x1.0) mm3 innerhalb der Scanzeit von 10 Minuten ermöglicht. Diese Arbeit zeigt auch, dass es dank des 1H/39K -Spulenarray mit vier/zwei Kanälen gelang, das weltweit erste 39K -Bild des menschlichen Herzens in vivo mit einer nominalen räumlichen Auflösung von (14.5x14.5x14.5) mm3 und einer Gesamtabtastzeit von zu 30 Minuten aufzunehmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Natriumgehalt in der Linse vom Natriumgehalt im wässrigen und im Glaskörper unterscheidbar ist. Es gibt starke Hinweise darauf, dass sich die Natriumkonzentration in den Kompartimenten des Auges bei Erkrankungen wie Katarakt, Glaukom und okularem Melanom ändern sollte. Diese Arbeit zeigt auch, dass eine in vivo Kalium-MRT des menschlichen Herzens möglich ist. Frühere Berichte, aus denen hervorgeht, dass sich die Kaliumkonzentration voraussichtlich bei Arrhythmie, Ischämie oder irreversiblen Verletzungen der Miozyten ändert, ermutigen zukünftige In-vivo-Studien mit Patienten, die an verschiedenen Herz-Kreislauf-Erkrankungen leiden.
