NMR Based Diffusion Pore Imaging: A novel imaging concept
Final Report Abstract
Die Diffusionsporenbildgebung (DPI, engl. „diffusion pore imaging“) ist ein Magnetresonanzverfahren, das 2011 in einer eigenen Vorarbeit theoretisch vorgestellt wurde. Mit diesem Verfahren kann prinzipiell ein Bild der mittleren Poren- bzw. Zellenform in einem Gewebevolumen gemessen werden. Ziel des Antrages waren eine weitergehende Analyse dieser Technik und vor allem eine erste technische Umsetzung um die Machbarkeit aufzuzeigen. Die theoretische Analyse zeigte, dass es zwei prinzipielle Klassen an DPI-Verfahren gibt. Einerseits die Klasse der Lang-Kurz-DPI-Verfahren, welche die 2011 vorgestellte Technik beinhaltet. Andererseits existiert die Klasse der DDE-DPI-Verfahren (engl. „double diffusion encoding“). Die DDE-DPI leidet unter der Nichtlinearität des Mittelungsprozesses über die Porenformen. Verfahren zur „Entfaltung“ dieser Nichtlinearität zu finden, erwies sich als schwierig, aber es konnten eine Reihe an Näherungsformeln und porenformspezifischen Effekten beschrieben und deren Ursachen mathematisch aufgezeigt werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die DDE-DPI-Verfahren unter bestimmten Voraussetzungen auch für diffundierende Teilchen im Extrazellulärraum angepasst werden können. Das daraus resultierende Verfahren wurde Diffusions-Gitter-Bildgebung getauft und in Simulationen verifiziert. Die experimentelle Demonstration der Anwendbarkeit der DPI gelang mittels hyperpolarisiertem Xenon-Gas, das in wohldefinierten Poren diffundierte. Dazu wurde ein klinischer Ganzkörpertomograph verwendet. Der ursprüngliche Plan einer zweiten Verifikation mittels Kapillaren und diffundierendem Wasser als Medium wurde in Anbetracht der Tatsache, dass eine Erstpublikation aufgrund der Arbeiten der Gruppe aus Wellington nicht mehr möglich war, aufgegeben. Stattdessen wurden in Kooperation mit der Wellingtoner Gruppe weiterführende Diffusionsexperimente, unter anderem mit DDE-Gradientenprofilen, durchgeführt. Hier wurde beispielsweise gezeigt, dass flusskompensierte Gradientenprofile die in der Zeit linearen Terme der Kurzzeitentwicklung des effektiven Diffusionskoeffizienten auf null setzen können und die daraus ableitbaren Vorteile wurden aufgezeigt. Bei Anwendung der DDE-Gradientenprofile fiel auf, dass eine starke Abhängigkeit der gemessenen In-vivo-Bilder am Ganzkörpertomographen von Wirbelströmen vorhanden war. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Wirbelstromkompensation in die DDE-Sequenz eingebaut, welche auf doppelt refokussierender Diffusionwichtung basierte. In-vivo-Experimente zeigten die dadurch erreichte verbesserte Bildqualität auf.
Publications
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Diffusion pore imaging by hyperpolarized xenon-129 nuclear magnetic resonance. Phys Rev Lett. 2013. 111:028101
Kuder TA, Bachert P, Windschuh J, Laun FB
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Diffusion pore imaging with generalized temporal gradient profiles. Magn Reson Imaging. 2013. 31:1236-1244
Laun FB, Kuder TA
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Eddy current compensated double diffusion encoded (DDE) MRI Magn Reson Med. 2015
Müller L, Wetscherek A, Kuder TA, Laun FB
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Effects of pore-size and shape distributions on diffusion pore imaging by nuclear magnetic resonance. Phys Rev E. 2015. 92:022706
Kuder TA, Laun FB
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Symmetry of the gradient profile as second experimental dimension in the short-time expansion of the apparent diffusion coefficient as measured with NMR diffusometry. J Magn Reson. 2015. 259:10-19
Laun FB, Kuder TA, Zong F, Hertel S, Galvosas P
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NMR-based diffusion lattice imaging. Phys Rev E, 2016. 93: 032401
Laun FB, Müller L, Kuder TA
