Vortrag im Rahmen des Seminars Moderne Anwendung der magnetischen Resonanz WS 2014/ Patricia Wenk 1

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Maria Kranz
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1 Vortrag im Rahmen des Seminars Moderne Anwendung der magnetischen Resonanz WS 2014/ Patricia Wenk 1

2 Einfürung MRI Overhauser DNP Motivation Setup Modellsystem/ Probe Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2

3 MRI - Magnetic Resonance Imaging Wichtiges Verfahren in medizinischer Diagnostik Detektion von Protonen Abbildung von wässrigen Regionen wie Gewebe/ Organe in Schnittbildern Feldgradienten-NMR 3D-Abbildung, räumliche und zeitliche Auflösung der Spindichte 3

wässrigen Regionen wie Gewebe/ Organe in Schnittbildern

4 Einführung von Feldgradienten mit zusätzlichen Magnetspulen Inhomogenes Magnetfeld rot. KS 4

5 Einführung von Feldgradienten mit zusätzlichen Magnetspulen Inhomogenes Magnetfeld rot. KS 4

6 Einführung eines Feldgradienten mit zusätzlichen Magnetspulen Inhomogenes Magnetfeld rot. KS 4

7 Einführung von Feldgradienten mit zusätzlichen Magnetspulen Inhomogenes Magnetfeld rot. KS Weitere in x- und y-koordinate 4

8 Auflösung abhängig von Spinrelaxation T1: sehr hohe Ortsauflösung T2: sehr hoher Gewebekontrast T1- und T2- gewichtete Bilderserien mit mindestens 2 Dimensionen Gabe von Kontrastmittel Reduktion Relaxationszeiten 5

T2- gewichtete Bilderserien mit mindestens 2

9 Dynamic Nuclear Polarization (DNP) zur Signalverbesserung Hyperpolarisation EPR-Übergang Polarisationstransfer Detektion NMR-Signal Flüssig-DNP: Overhauser Effekt Polarisationstransfer über Kreuzpolarisation/ -relaxation Festkörper-DNP: solid-, cross-effect, thermal mixing Verbotene Null- oder Doppelquantenübergänge 6

Effekt Polarisationstransfer über Kreuzpolarisation/ -relaxation

10 Kreuzrelaxation durch skalare oder Dipolare Kopplung Modulation Hyperfine- Wechselwirkung durch Rotation und Translation Bewegung des Elektron bestimmt Stärke der dipolaren Kopplung Zeitabhängig Polarisations-Agens Polarisationstransfer 7

Translation Bewegung des Elektron bestimmt Stärke der

11 Verbesserung des Kontrastes oder Verkürzung der Messzeit Bereits entwickelt: 1. Dissolution-DNP Lokale Trennung von Polarisation und Detektion Vorteil: Extrem hohe Verstärkung, großes Volumen Nachteil: Nur 13 C und nur 1 Schuss Klinische Studien 8

2. Para-Hydrogen Induced Polarization (PHIP) Polarisation entgegen Boltzmann Transfer über J-Kopplung auf Heterokerne Vorteil: technisch einfach umsetzbar Nachteil: Beschränkt auf bestimmte

12 2. Para-Hydrogen Induced Polarization (PHIP) Polarisation entgegen Boltzmann Transfer über J-Kopplung auf Heterokerne Vorteil: technisch einfach umsetzbar Nachteil: Beschränkt auf bestimmte Substanzen 3. Hyperpolarisation von Edelgasen Spinaustausch nach Kollision von Edelgasen mit optisch angeregten Alkali-Dampf Vorteil: Unreaktiv, lange Relaxationszeiten Nachteil: Anwendungen limitiert 9

13 Vorteile: Kontinuierlicher Fluss Hyperpolarisierter Probe niedrige Feldstärken Einzige Anwendungseinschränkung: Flüssige Probe Nachteile: Polarisationsverlust durch externe Polarisation Fluss durch Feldgradienten induziert Relaxationsverluste und verzerrt das Spektrum 10

Nachteile: Polarisationsverlust durch externe Polarisation Fluss

14 Vorteile: Kontinuierlicher Fluss Hyperpolarisierter Probe niedrige Feldstärken Einzige Anwendungseinschränkung: Flüssige Probe Nachteile: Polarisationsverlust durch externe Polarisation Fluss durch Feldgradienten induziert Relaxationsverluste und verzerrt das Spektrum Entwicklung eines neuartigen Aufbaus 10

Polarisationsverlust durch externe Polarisation Fluss durch Feldgradienten

15 Externe Mikrowellenquelle Cu-Wellenleiter 1.5 T MRI Magnet mit Radiofrequenz-Spule Gradienten-Spule Imaging-Spule Interner DNP-Resonator Probenraum mit Probe (hier: Maus) 11

16 1 Konische Verbindung 2+5 Kupfer Bolzen Ag-Beschichtung GHz 3 Hohler Zylinder (ID = 9mm) Kupfer Ag-Beschichtung 4 Kapillare Radiale Schlitze erlauben NMR- Detektion Iris Wellenleiter 12

17 Synthesizer (Dw =10-7 /h) Frequenzbereich GHz P max = 2 W Detektion via Mikrowellenreflektion (Zirkulator) an einer Diode Übertragung per Wellenleiter 3m, Verlust >3dB 13

18 1.5 T, 63.6 MHz rf-spule Einfache Magnetspule um die Fluss-Kapillare gewickelt DNP Detektion: Sattelspulen links und rechts vom Resonator Imaging Spule: transversal zum Resonator zentral im Magneten 800 nl Probe nur 1H-Detektion 14

19 Pulsexperimente: Spoiled Gradient Recalled Echo (SGRE) Spin Echo (SE) Repetitionszeit (TR): ms RF-Puls Flip Winkel(FA): optimaler Kontrast und höchste Sensitivität Bildauflösung: 0.1 mm/pixel ( 80 Hz) Messzeit: s /Bild 15

Winkel(FA): 45-90 optimaler Kontrast und höchste

20 1) Vene Kapillare Innerer Durchmesser = 0.15 mm Moderater Fluss Hagen-Poiseulle-Profil Spin-Echo-Pulsexperiment 2) Zelle Plexiglas-Platten Dicke Hohlraum = 0.4 mm 2D Strömungsprofil Gefüllt mit nicht-polarisierter Probe gleiches Probenvolumen überall Spin Gradient Recalled Echo- Pulsexperiment 16

Zelle Plexiglas-Platten Dicke Hohlraum = 0.

21 4-hydroxy-2,2,6,6,-tetramethylpiperidin (TEMPOL) aq c = 24 mm Externe Standard Injektionspumpe Probenfluss in den Magneten Nach Polarisation: Probenfluss durch Kapillare Flussraten von 12 zu 30mL /h 17

22 Thermale vs Overhauser Polarisation statisch =-98 TEMPO, P=2W Frequenzshift; thermale Abhängigkeit W 18

23 DNP-Enhancement: Flussvariation Reduziert: Hagen-Poiseuille- Fluss; Optimale Polarisierungszeit ~T1 relaxation Relaxation nach Verlassen der cavity 19

24 DNP-Enhancement Flussvariation 1)schneller Fluss und kurze Transportzeiten maximalen Output und minimalen Reklaxationsverlust 2)langsamer Fluss für guten Polarisationstransfer 20

25 Mit Mikrowelle, 1 Scan Ohne Mikrowelle, 8 Scans Konstanter Fluss Intensität mittig am Höchsten 21

26 12 ml/h 20 ml/h 30 ml/h Klares Strömungsprofil Gleichbleibende Intensitätsverteilung bei konstantem Fluss Erhöhter Fluss größeres Strömungsprofil Mittlerer Fluss zeigt höchstes Enhancement Auffällig: Polarisation nicht zu Beginn am höchsten Dephasierung 22

27 Spin-Echo-Pulsexperiment Gezielte Dephasierung durch Gradientenfelder Unterdrückung des Signals schneller Strömung Verstärkung des Signals langsamer Strömung 23

28 Möglichkeit der Hyperpolarisation innerhalb des MRI- Magneten schnelles Schalten der Feldgradienten stört nicht Detektion direkt nach Hyperpolarisation Realxationsverluste gering Enhancement von -98 für Protonen im statischen Bild Enhancement von ~12 für Protonen im dynamischen Bild Gesamtpolarisation erhöht 24

29 Schwachpunkt: kleines Polarisationsvolumen Vergrößerung/ Verwendung paralleler Resonatoren Höhere Mikrowellenleistung Radikale erhöhen Relaxationsverluste Immobilisierung der Radikale; Trennen von der Probe im Resonator Radikale nach Hyperpolarisation entfernen Detektion von 13 C, 15 N mit größeren Relaxationszeiten 25

J.G. Krummenacker et al., J Magn Res, Vol 215, 2012, pp. 94-99 M.H.

30 J.G. Krummenacker et al., J Magn Res, Vol 215, 2012, pp M.H. Levitt, Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance, 2nd Edition J.G. Krummenacker, Dissertation DNP for MRI: An In-bore Approach,Mai 2012, Goethe-Universität, Frankfurt 26

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