Die Magnetresonanztomographie (MRT) zählt zu den wichtigsten nicht-invasiven medizinischen Verfahren in der bildgebenden Diagnostik. Sie hat die Besonderheit eines hohen Weichgewebekontrastes. Neben der in der Klinik hauptsächlich verwendeten Wasserstoffkern (1H) MRT, kommt es durch die stete Weiterentwicklung von Hardware und Software, sowie der Verwendung höherer Magnetfeldstärken (≥ 7.0 Tesla (T)), zu einem immer größeren Interesse an der X-Kern MRT. Bei der X- Kern MRT handelt es sich um alle für die MRT verwendbaren Atomkerne; ausgenommen Wasserstoff. Hierzu zählt unter anderem die Natrium (23Na) MRT. Durch die geringere Konzentration der Natriumatome im Vergleich zu Wasserstoffatomen im Organismus und ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften stellt die 23Na Bildgebung eine Herausforderung dar. Das kardiorenale Syndrom (KRS) beschreibt die Interaktion zwischen Fehlfunktionen des Herzens und der Nieren und deren gegenseitiger Beeinflussung. Für ein besseres Verständnis von KRS und einer möglichst frühzeitigen Diagnose und daraus resultierenden Therapieansätzen kann die 23Na MRT einen wertvollen Beitrag leisten. Natriumionen weisen eine essentielle Rolle in der Homöostase und bei der Signalweiterleitung in Nerven- und Muskelzellen auf. Eine Änderung in der Natriumkonzentration im jeweiligen Organ könnte ein frühzeitiges Indiz für eine angehende Fehlfunktion sein. Das Ziel dieser Arbeit war die Konstruktion, Implementierung, Validierung und Anwendung von speziell für die kardiorenale 23Na MR Bildgebung ausgelegten hochfrequenten (HF) Sende- und Empfangsspulen für die translationale Forschung einschließlich präklinischer und klinischer Studien. Hierbei wurde besonderes Merkmal auf die Homogenität des Anregungsprofils gelegt, um eine Quantifizierung der Natriumkonzentration zu ermöglichen. Die präklinische Spule wurde für den Gebrauch bei einer Magnetfeldstärke von 9.4 T optimiert und gehört zu der Klasse der Volumenspulen. Sie erzielt eine Homogenität mit einer Abweichung von 2% über den zu untersuchenden Bereich. Die Tauglichkeit für in vivo 23Na MR wurde in Kleinnagern demonstriert. Es konnte deutlich der unterschiedliche Natriumgehalt in beiden Organen dargestellt werden. Für die klinische Anwendung bei einer Magnetfeldstärke von 7.0T wurde ein Oberflächenspulendesign entwickelt. Mit diesem Design konnten in klinisch nutzbarer Untersuchungszeit Natriumbilder der Niere und des Herzes mit einer ausreichende Eindringtiefe und Homogenität in unter 19 min und einer Auflösung von (5x5x5) mm3 erzielt werden. Die in vivo 23Na MR Bilder zeigen die wesentlichen Strukturen von Herz und Niere auf. Zusammenfassend bildet diese Arbeit einen wichtigen Baustein für die translationale Forschung für ein besseres Verständnis, Diagnose und Therapie des kardiorenalen Syndroms mittels 23Na MRT. Die mit der entwickelten Hardware erzielten Ergebnisse zeigen einen neuen Einblick in die Physiologie des Herzens und der Niere in Bezug auf der Natriumverteilung.
Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most important non-invasive techniques for medical imaging diagnostics, providing an excellent soft tissue contrast. In addition to proton (1H) MRI, which is the mainstay of clinical imaging applications, there is an increased interest in X-nuclei MRI, due to the progressing development of hardware and software, as well as the use of higher magnetic field strengths (≥ 7.0 Tesla (T)). X-nuclei MRI refers to all nuclei that can be used for MRI that are not hydrogen. This includes sodium (23Na) MRI. The lower abundance of sodium in the body compared to protons and its physical properties makes 23Na MRI challenging. Cardiorenal syndrome (CRS) defines the interaction between heart and kidney disorders whereby the dysfunction of one organ induces a dysfunction of the other organ. The broad role of sodium in renal and cardiac physiology suggests a wide range of questions for further in vivo cardiorenal investigations that could be addressed by 23Na MRI. Recognizing this opportunity 23Na MRI holds the potential to advance the understanding and early detection of CRS and subsequent therapy. Sodium ions play a major role in the homeostasis and are necessary for signal transduction in nerve and muscle cells. Changes in the sodium concentration in one of these organs might be early evidence of an ongoing dysfunction. The goal of this work was the construction, implementation, evaluation and application of transmit/receive radiofrequency (RF) coils specifically designed for cardiorenal 23Na MRI for translational research including preclinical and clinical studies. The focus was on the homogeneity of the excitation profile to facilitate and ensure quantification of the tissue sodium concentration. The preclinical RF coil was tailored for the application at a magnetic field strength of 9.4 T. To meet this goal a volume RF coil was developed. This configuration achieved a signal uniformity of 2% within the area of interest. Its feasibility for in vivo 23Na MRI of the heart and kidney was demonstrated in small rodents and clearly showed the different sodium distribution in both organs. For the clinical application a magnetic field strength of 7.0 T was used. For this purpose, a multi-channel surface RF coil design was developed. This configuration enables a sufficient penetration depth and homogeneity for sodium MRI of the heart and kidney and supported the acquisition of sodium images with a spatial resolution of (5x5x5) mm3 in clinically acceptable scans time of 19 minutes. The in vivo 23Na MR images clearly showed the main compartments of the heart and kidney. In summary, this work provides a technical foundation for translational research for a better understanding, diagnosis and therapy of cardiorenal syndrome. The results obtained with the developed hardware provide new insight into the physiology of the heart and kidney in relation to sodium distribution.
