New MRI Techniques for Nanoparticle Based Functional and Molecular Imaging

Although in clinical use for several decades, magnetic resonance imaging: MRI) is undergoing a transition from a qualitative anatomical imaging tool to a quantitative technique for evaluating myriad diseases. Furthermore, MRI has made great strides as a potential tool for molecular imaging of cellular and tissue biomarkers. Of the candidate contrast agents for molecular MRI, the excellent bio-compatibility and adaptability of perfluorocarbon nanoparticles: PFC NP) has established these agents as a potent targeted imaging agent and as a functional platform for non-invasive oxygen tension sensing. Direct readout and quantification of PFC NP can be achieved with fluorine: 19F) MRI because of the unique 19F signal emanating from the core PFC molecules. However, the signal is usually limited by the modest accumulated concentrations as well as several special NMR considerations for PFC NP, which renders 19F MRI technically challenging in terms of detection sensitivity, scan time, and image reconstruction. In the present dissertation, some of the pertinent NMR properties of PFC NP are investigated and new 19F MRI techniques developed to enhance their performance and expand the biomedical applications of 19F MRI with PFC NP. With the use of both theoretical and experimental methods, we evaluated J-coupling modulation, chemical shift and paramagnetic relaxation enhancement of PFC molecules in PFC NP. Our unique contribution to the technical improvement of 19F MRI of small animal involves:: 1) development of general strategies for RF 1H/19F coil design;: 2) design of novel MR pulse sequences for 19F T1 quantification; and: 3) optimization of imaging protocols for distinguishing and visualizing multiple PFC components: multi-chromatic 19F MRI). The first pre-clinical application of our novel 19F MRI techniques is blood vessel imaging and rapid blood oxygen tension measurement in vivo. Blood vessel anatomy and blood oxygen tension provide pivotal physiological information for routine diagnosis of cardiovascular disease. Using our novel Blood: flow)-Enhanced-Saturation-Recovery: BESR) sequence, we successfully visualized reduced flow caused by thrombosis in carotid arteries and jugular veins, and we quantified the oxygen tension in the cardiac ventricles of the mouse. The BESR sequence depicted the expected oxygenation difference between arterial and venous blood and accurately registered the response of blood oxygen tension to high oxygen concentration in 100% oxygen gas. This study demonstrated the potential application of PFC NP as a blood oxygen tension sensor and blood pool MR contrast agent for angiography. Another pre-clinical application investigated was functional kidney imaging with 19F MRI of circulating PFC NP. Conventional functional kidney imaging typically calls for the injection of small molecule contrast agents that may be nephrotoxic, which raises concerns for their clinical applications in patients with renal insufficiency. We demonstrated that our 19F MRI technique offers a promising alternative functional renal imaging approach that generates quantitative measurement of renal blood volume and intrarenal oxygenation. We successfully mapped the expected heterogeneous distribution of renal blood volume and confirmed the presence of an oxygenation gradient in healthy kidneys. We validated the diagnostic capability of 19F MRI in a mouse model of acute ischemia/reperfusion kidney injury. We also employed 19F MRI as a tool to test the therapeutic efficacy of a new nanoparticle-based drug, i. e. PPACK: D-phenylalanyl-L-prolyl-L-arginine chloromethyl ketone) PFC NP, which was postulated to inhibit microvascular coagulation during acute kidney injury. Based on our preliminary 19F MRI findings, we observed that PPACK PFC NP effectively reduced coagulation in our animal model, as evidenced by lesser accumulation of particles trapped by the clotting process. This finding suggests the potential for 19F MRI to be used as a drug monitoring tool as well in common medical emergencies such as acute kidney failure

Multiple resonant multiconductor transmission line resonator design using circulant block matrix algebra

The purpose of this dissertation is to provide a theoretical model to design RF coils using multiconductor transmission line (MTL) structures for MRI applications. In this research, an MTL structure is represented as a multiport network using its port admittance matrix. Resonant conditions and closed-form solutions for different port resonant modes are calculated by solving the eigenvalue problem of port admittance matrix using block matrix algebra. A mathematical proof to show that the solution of the characteristic equation of the port admittance matrix is equivalent to solving the source side input impedance is presented. The proof is derived by writing the transmission chain parameter matrix of an MTL structure, and mathematically manipulating the chain parameter matrix to produce a solution to the characteristic equation of the port admittance matrix. A port admittance matrix can be formulated to take one of the forms depending on the type of MTL structure: a circulant matrix, or a circulant block matrix (CB), or a block circulant circulant block matrix (BCCB). A circulant matrix can be diagonalized by a simple Fourier matrix, and a BCCB matrix can be diagonalized by using matrices formed from Kronecker products of Fourier matrices. For a CB matrix, instead of diagonalizing to compute the eigenvalues, a powerful technique called “reduced dimension method� can be used. In the reduced dimension method, the eigenvalues of a circulant block matrix are computed as a set of the eigenvalues of matrices of reduced dimension. The required reduced dimension matrices are created using a combination of the polynomial representor of a circulant matrix and a permutation matrix. A detailed mathematical formulation of the reduced dimension method is presented in this thesis. With the application of the reduced dimension method for a 2n+1 MTL structure, the computation of eigenvalues for a 4n X 4n port admittance matrix is simplified to the computation of eigenvalues of 2n matrices of size 2 X 2. In addition to reduced computations, the model also facilitates analytical formulations for coil resonant conditions. To demonstrate the effectiveness of the proposed methods (2n port model and reduced dimension method), a two-step approach was adopted. First, a standard published RF coil was analyzed using the proposed models. The obtained resonant conditions are then compared with the published values and are verified by full-wave numerical simulations. Second, two new dual tuned coils, a surface coil design using the 2n port model, and a volume coil design using the reduced dimensions method are proposed, constructed, and bench tested. Their validation was carried out by employing 3D EM simulations as well as undertaking MR imaging on clinical scanners. Imaging experiments were conducted on phantoms, and the investigations indicate that the RF coils achieve good performance characteristics and a high signal-to-noise ratio in the regions of interest

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

MR-compatible Electrophysiology Recording System for Multimodal Imaging

Simultaneous acquisition of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and electrophysiological recordings is an emerging multimodal neuroimaging strategy for studying brain functions. However, the strong magnetic field generated during fMRI greatly degrades the electrophysiological signal quality during simultaneous acquisition. Here, I developed a low powered, miniaturized, system – “ECHO” which delivers a hardware and software solution to overcome the challenges presented by multimodal imaging. The device monitors fluctuations in electromagnetic field during fMRI and synchronizes amplification and sampling of electrophysiological signals to minimize effects of gradient and RF artifacts (electromagnetic artifacts). Furthermore, I introduced a concept of wirelessly transmitting recorded data through the MRI receiver coil. ECHO transmits the data at a frequency visible to the MRI receiver coil, after which the transmitted data is readily separable from the MRI image in the frequency domain. The MR-compatibility of the recorder was evaluated through a series of experiments with a phantom to study its effects on the MRI image quality. To further evaluate the effectiveness of ECHO, I recorded electrocardiogram and local field potential (evoked potential) in live rats during concurrent fMRI acquisition. In summary, ECHO offers a ‘plug and play’ solution to capture artifact-free electrophysiological data without the need of expensive amplifiers or synchronization hardware which require physical connection to the MRI scanner. This device is expected to make multimodal imaging more accessible and be applied for a broad range of fMRI studies in both the research and clinical fields

Manufacturing Methods for Magnetic Resonance Microscopy Tools with Application to Neuroscience

Magnetresonanztomographie (MR) ist ein unverzichtbares nicht-invases und hochselektives bildgebendes Verfahren in der Medizin. MR Tomographie wird kommerziell in der klinischen Diagnostik und der Forschung für Gehirnkrankheit, z.B. Epilepsie, Alzheimer und Parkinson, angewandt. In den Neurowissenschaften haben sich Kleintiere als biologische Modelle für die grundlegenden Studien zur diesen Gehirnkrankheiten etabliert. MR Methoden sind ein wertvolles Werkzeug um die Morphologie und den Metabolismus von Kleintieren zu untersuchen. Die Modelle für die Untersuchung von Gehirnkrankheiten schließen Zellen/Zellkulturen und organotypische hippocampale Schnittkulturen (OHSC) mit ein. Obwohl die MR Mikroskopie für die Untersuchung von OHSC schon angewandt wurde fehlt eine effektive Plattform für umfangreiche longitudinale Studien an OHSC wie sie in den Neurowissenschaften üblich sind. Zwei Detektorkonzepte für die MR Mikroskopie inklusive ihrer Auslegung, der Herstellung und der Charakterisierung, werden in dieser Arbeit beschrieben. Beide Konzepte basieren auf Herstellungsmethoden welche hohe Fertigungsgenauigkeiten zulassen und in ihrem Herstellungsvolumen skalierbar sind. Hohle solenoide Mikrospulen welche für hochauflösende Untersuchung von Zell und Zellanhäufungen geeignet sind werden eingeführt. Die Herstellung basiert auf dem automatisierten wickeln von Mikrospulen, eine skalierbare und hochpräzise Fertigungsmethode der Mikrotechnologie. Zudem werde induktiv gekoppelte Ober ächenspulen eingeführt. Diese Oberflächenspulen fokussieren den magnetischen Fluss und werden deshalb Lenz Linsen genannt. Die Lenz Linsen werden mit kabelgebundenen und induktiv gekoppelten Spulen verglichen. Ihre Breitband-Fähigkeit machen sie zu einem idealen Kandidaten für die Nutzung in verschiedensten MR Tomographie Systemen. Die Lenz Linsen wurden für den Einsatz in einer MR kompatiblen Inkubationsplattform ausgelegt, welche in dieser Arbeit entwickelt wurde. Der MR Inkubator erweitert die Funktionalität eines MR Tomographen um neurologische Gewebe (z.B. OHSC) über mehrere Stunden andauernde MR Messungen am Leben zu erhalten. Der MR Inkubator erlaubt longitudinale Studien an OHSC und bietet damit eine Plattform für umfangreiche Studien in den Neurowissenschaften. Die Lenz Linsen wurden zusammen mit dem MR Inkubator für MR Mikroskopie Mes- sung von akuten/ xierten hippocampalen Schnitten und OHSC genutzt. Die Resultate dieser MR Mikoskopie Messungen zeigen dass in OHSC die grobe Zytoarchitektur sicht- bar ist, ohne dass die OHSC während der Messungen sterben. Somit ist das eingeführte System bereit für longitudinale Studien an OHSC, welche bereits für die Aufklärung der Epilepsieprogression begonnen wurden

Parallel transit methods for arterial spin labelling magnetic resonance imaging

Vessel selective arterial spin labelling (ASL) is a magnetic resonance imaging technique which permits the visualisation and assessment of the perfusion territory of a specific set of feeding arteries. It is of clinical importance in both acute and chronic cerebrovascular disease, and the mapping of blood supplied to tumours. Continuous ASL is capable of providing the highest signal-to-noise (SNR) ratio of the various ASL methods. However on clinical systems it suffers from high hardware demands, and the control of systematic errors decreases perfusion sensitivity. A separate labelling coil avoids these problems, enabling high labelling efficiency and subsequent high SNR, and vessel specificity can be localised to one carotid artery. However this relies on the careful and accurate positioning of the labelling coil over the common carotid arteries in the neck. It is proposed to combine parallel transmission (multiple transmit coils, each transmitting with different amplitudes and phases) to spatially tailor the labelling field, removing the reliance on coil location for optimal labelling efficiency, and enabling robust vessel selective labelling with a high degree of specificity. Presented is the application of parallel transmission methods to continuous ASL, requiring the development of an ASL labelling coil array, and a two channel transmitter system. Coil safety testing was performed using a novel MRI temperature mapping technique to accurately measure small temperature changes on the order of 0.1 ⁰C. A perfusion phantom with distinct vascular territories was constructed for sequence testing and development. Phantom and in-vivo testing of parallel transmit CASL using a 3D-GRASE acquisition showed an improvement of up to 35% in vessel specificity when compared with using a single labelling coil, whilst retaining the high labelling efficiency and associated SNR of separate coil CASL methods

Medical robots for MRI guided diagnosis and therapy

Magnetic Resonance Imaging (MRI) provides the capability of imaging tissue with fine resolution and superior soft tissue contrast, when compared with conventional ultrasound and CT imaging, which makes it an important tool for clinicians to perform more accurate diagnosis and image guided therapy. Medical robotic devices combining the high resolution anatomical images with real-time navigation, are ideal for precise and repeatable interventions. Despite these advantages, the MR environment imposes constraints on mechatronic devices operating within it. This thesis presents a study on the design and development of robotic systems for particular MR interventions, in which the issue of testing the MR compatibility of mechatronic components, actuation control, kinematics and workspace analysis, and mechanical and electrical design of the robot have been investigated. Two types of robotic systems have therefore been developed and evaluated along the above aspects. (i) A device for MR guided transrectal prostate biopsy: The system was designed from components which are proven to be MR compatible, actuated by pneumatic motors and ultrasonic motors, and tracked by optical position sensors and ducial markers. Clinical trials have been performed with the device on three patients, and the results reported have demonstrated its capability to perform needle positioning under MR guidance, with a procedure time of around 40mins and with no compromised image quality, which achieved our system speci cations. (ii) Limb positioning devices to facilitate the magic angle effect for diagnosis of tendinous injuries: Two systems were designed particularly for lower and upper limb positioning, which are actuated and tracked by the similar methods as the first device. A group of volunteers were recruited to conduct tests to verify the functionality of the systems. The results demonstrate the clear enhancement of the image quality with an increase in signal intensity up to 24 times in the tendon tissue caused by the magic angle effect, showing the feasibility of the proposed devices to be applied in clinical diagnosis

A Specialized Multi-Transmit Head Coil for High Resolution fMRI of the Human Visual Cortex at 7T

PURPOSE: To design, construct and validate radiofrequency (RF) transmit and receive phased array coils for high-resolution visual cortex imaging at 7 Tesla. METHODS: A 4 channel transmit and 16 channel receive array was constructed on a conformal polycarbonate former. Transmit field efficiency and homogeneity were simulated and validated, along with the Specific Absorption Rate, using [Image: see text] mapping techniques and electromagnetic simulations. Receiver signal-to-noise ratio (SNR), temporal SNR (tSNR) across EPI time series, g-factors for accelerated imaging and noise correlations were evaluated and compared with a commercial 32 channel whole head coil. The performance of the coil was further evaluated with human subjects through functional MRI (fMRI) studies at standard and submillimeter resolutions of upto 0.8mm isotropic. RESULTS: The transmit and receive sections were characterized using bench tests and showed good interelement decoupling, preamplifier decoupling and sample loading. SNR for the 16 channel coil was ∼ 1.5 times that of the commercial coil in the human occipital lobe, and showed better g-factor values for accelerated imaging. fMRI tests conducted showed better response to Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) activation, at resolutions of 1.2mm and 0.8mm isotropic. CONCLUSION: The 4 channel phased array transmit coil provides homogeneous excitation across the visual cortex, which, in combination with the dual row 16 channel receive array, makes for a valuable research tool for high resolution anatomical and functional imaging of the visual cortex at 7T

Approaches Toward Combining Positron Emission Tomography with Magnetic Resonance Imaging

Positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI) provide complementary information, and there has been a great deal of research effort to combine these two modalities. A major engineering hurdle is that photomultiplier tubes (PMT), used in conventional PET detectors, are sensitive to magnetic field. This thesis explores the design considerations of different ways of combining small animal PMT-based PET systems with MRI through experimentation, modelling and Monte Carlo simulation. A proof-of-principle hybrid PET and field-cycled MRI system was built and the first multimodality images are shown. A Siemens Inveon PET was exposed to magnetic fields of different strengths and the performance is characterized as a function of field magnitude. The results of this experiment established external magnetic field limits and design studies are shown for wide range of approaches to combining the PET system with various configurations of field-cycled MRI and superconducting MRI systems. A sophisticated Monte Carlo PET simulation workflow based on the GATE toolkit was developed to model the Siemens Inveon PET. Simulated PET data were converted to the raw Siemens list-mode format and were processed and reconstructed using the same processing chain as the data measured on the actual scanner. A general GATE add-on was developed to rapidly generate attenuation correction sinograms using the precise detector geometry and attenuation coefficients built into the emission simulation. Emission simulations and the attenuation correction add-on were validated against measured data. Simulations were performed to study the impact of radiofrequency coil components on PET image quality and to test the suitability of various MR-compatible materials for a dual-modality animal bed