Analysis of nickel concentration profiles around the roots of the hyperaccumulator plant Berkheya coddii using MRI and numerical simulations

Investigations of soil-root interactions are hampered by the difficult experimental accessibility of the rhizosphere. Here we show the potential of Magnetic Resonance Imaging (MRI) as a non-destructive measurement technique in combination with numerical modelling to study the dynamics of the spatial distribution of dissolved nickel (Ni2+) around the roots of the nickel hyperaccumulator plant Berkheya coddii. Special rhizoboxes were used in which a root monolayer had been grown, separated from an adjacent inert glass bead packing by a nylon membrane. After applying a Ni2+ solution of 10mgl−1, the rhizobox was imaged repeatedly using MRI. The obtained temporal sequence of 2-dimensional Ni2+ maps in the vicinity of the roots showed that Ni2+ concentrations increased towards the root plane, revealing an accumulation pattern. Numerical modelling supported the Ni2+ distributions to result from advective water flow towards the root plane, driven by transpiration, and diffusion of Ni2+ tending to eliminate the concentration gradient. With the model, we could study how the accumulation pattern of Ni2+ in the root zone transforms into a depletion pattern depending on transpiration rate, solute uptake rate, and Ni2+ concentration in solutio

Adaptive receiver arrays for magnetic resonance imaging

In den letzten zwanzig Jahren hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT) zu einer der wichtigsten und vielseitigsten klinischen Untersuchungsmethoden entwickelt, da sich mit ihrer Hilfe nichtinvasiv unterschiedliche Arten von Informationen aus dem Inneren des menschlichen Körpers mit hoher räumlicher Auflösung und ausgezeichnetem Weichteilkontrast gewinnen lassen. Das zugrunde liegende Prinzip ist die elektromagnetische Anregung von Atomkernen. Die so entstehende oszillierende Magnetisierung erzeugt Signale im Bereich von Radiofrequenzen (RF), die beispielweise mit Hilfe von elektrisch leitenden Schleifen, sogenannten Spulen, empfangen werden können. Seit den 90er Jahren werden Arrays solcher Empfangsspulen für die MRT benutzt. Ursprünglich wurden sie eingeführt, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des empfangenen Signals zu steigern. Später wurden die Vorteile der Mehrkanal- Detektion durch Entwicklung der parallelen Bildgebung dazu genutzt, die Untersuchungszeit zu verkürzen. Neuere theoretische und experimentelle Arbeiten zeigen, dass zur optimalen Nutzung der Array- Detektion das Objekt von einer großen Zahl von kleinen Oberflächenspulen abgedeckt werden sollte. Ein optimales Ergebnis in Hinblick auf SNR mit einfacher Handhabung des Spulenarrays zu kombinieren wird jedoch umso schwieriger je grösser die Anzahl der Empfangsspulen ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Möglichkeiten zu untersuchen, diesen Herausforderungen zu begegnen. Dabei steht die Idee im Mittelpunkt, Empfangsspulenarrays für die MRT so zu konstruieren, dass sie sich durch Änderung der Grösse und Form der Spulenelemente und der Position der Spulenelemente relativ zueinander geometrisch an das Objekt anpassen können. Dadurch können die Spulen unabhängig von Form und Grösse des Objektes so nah wie möglich an der Oberfläche platziert und damit die Sensitivität gesteigert werden. Der zugrunde liegende Mechanismus muss sich einfach bedienen lassen und bequem für den Patienten sein. Geometrische Anpassungsfähigkeit führt aber auch im Zusammenhang mit der Elektronik, insbesondere in Bezug auf die Abstimmung der einzelnen Spulen, die Impedanzanpassung sowie die Rauscheigenschaften der Signalverstärkung zu einer Reihe von Herausforderungen. Zunächst wird eine neue Methode zur Charakterisierung der RFVorverstärker insbesondere im Hinblick auf deren Rauscheigenschaften vorgestellt. Die Impedanz am Eingang des Vorverstärkers kann sich bedingt durch unterschiedliche Beladung des Spulenarrays, Kopplung zwischen den Spulenelementen und verstärkte Wechselwirkungen zwischen Spulen und Objekt signifikant ändern. Da die Rauschzahl geeigneter Vorverstärker stark von der Impedanz am Eingang und der Messfrequenz abhängt, muss sie für verschiedene komplexe Impedanzen gemessen werden. Der Frequenzbereich reicht dabei von 42 MHz für klinische Niederfeldgeräte (1.0 T) bis zu 298 MHz für Forschungssysteme mit einer Feldstärke von 7.0 T. Dieser Frequenzbereich stellt eine der größten Herausforderungen dar, da Geräte für die Messung von Rauschzahlen wie beispielsweise Impedanz-Tuner für Frequenzen unterhalb von 500 MHz kommerziell nicht erhältlich sind. Dies liegt daran, dass solche Tuner in der Regel auf Transmission-Line-Technologie beruhen und damit nur schwer bei niedrigeren Frequenzen zu realisieren sind. Daher wurde eine andere Lösung entwickelt, die eine Halbleiterrauschquelle mit Netzwerken aus Widerständen, Kondensatoren und Spulen kombiniert. Dadurch entstehen Schaltungen variabler Impedanz und verstellbarer effektiver Rauschtemperatur. Die daraus resultierende Methode der Rauschzahlmessung wird sowohl durch die Übereinstimmung mit einem theoretischen Modell als auch durch MRT-basierte SNRMessungen überprüft. Als erster Schritt auf dem Weg zu anpassungsfähigen Empfangsspulenarrays wird der Bau eines mechanisch verstellbaren Arrays für MRT des Handgelenks bei 3.0 T beschrieben. Es kann sich Handgelenken unterschiedlicher Größe anpassen, indem der Abstand zwischen dem Handgelenk und den konisch angeordneten Elementen des Arrays verändert werden kann. Verschiedene Maßnahmen im Bereich des elektronischen Designs dieser Detektoren stellen sicher, dass trotz Veränderungen in der Beladung der Spulenelemente und der Kopplung untereinander, die sich aus der geometrischen Variabilität ergeben, gute Ergebnisse in robuster Art und Weise erzielt werden können. Mit Hilfe von SNR-Messungen in Abhängigkeit von der Impedanzanpassung, Messung unterschiedlich grosser Phantome sowie in-vivo Messungen von unterschiedlich großen Handgelenken werden die Vorteile dieses Ansatzes aufgezeigt. Das SNR von MRT-Experimenten skaliert etwa proportional zur Stärke des Hauptmagnetfeldes. Daher verspricht der Übergang von 3.0 T zu 7.0 T einen erheblichen Gewinn an Sensitivität, insbesondere für die Bildgebung des Handgelenks, das eine große Anzahl von kleinen, aber klinisch relevante Strukturen in einem kleinen Volumen vereint. Allerdings ist diese Vorhersage ist nicht einfach zu überprüfen. Eine der häufigsten Schwierigkeiten beim Vergleich von MRT bei verschiedenen Feldstärken ist die Tatsache, dass selten vergleichbare Spulenarrays auf beiden Systemen vorhanden sind. Um diesem Problem zu begegnen und die Vorteile der klinischen 7.0 T-Bildgebung des Handgelenkes im Vergleich zu 3.0 T zu untersuchen, wurde ein mechanisch verstellbares Spulenarray für MRT bei 7.0 T gebaut. Es ist geometrisch identisch mit der zuvor erwähnten Version für 3.0 T, jedoch im Bereich der Elektronik auf die grössere Resonanzfrequenz von 298 MHz bei 7.0 T angepasst. Die Handgelenke von 10 gesunden Probanden wurden nacheinander mit beiden Systemen gemessen und qualitativ von zwei unabhängigen Radiologen beurteilt. Die quantitative SNR-Analyse ergab ein bis zu 2-fach erhöhtes SNR bei 7.0 T im Vergleich zu 3.0 T. Allerdings hängt der SNR-Gewinn stark von der untersuchten Struktur und der Art des Gewebes ab. Die ultimative Lösung in Bezug auf die Anpassungsfähigkeit ist ein Spulenarray, dessen Elemente ihre Größe, Form und Anordnung durch Dehnung ändern und somit automatisch so nahe wie möglich an der Oberfläche des Objektes platziert werden. Das grundlegende Problem dieses Ansatzes, dehnbare elektrische Leiter mit genügend hoher Leitfähigkeit zu finden, wird durch die Verwendung metallischer Geflechte gelöst. Für einzelne Spulenelemente sowie für ein Spulenarray aus vier Elementen werden verschiedene Leitermaterialien sowie der Einfluss der Dehnung auf das SNR untersucht. Schliesslich wird die erfolgreiche Implementierung eines aus acht Spulenelementen bestehenden dehnbaren Arrays gezeigt. Dabei wurden zum ersten Mal Bilder bei verschiedenen Beugungswinkeln des Knies aufgenommen. Hierbei handelt es sich um eine vielversprechende orthopädische Anwendung, die sich mit den derzeitigen, starren Spulenarrays nicht realisieren lässt

Noise figure characterization of preamplifiers at NMR frequencies

A method for characterizing the noise figure of preamplifiers at NMR frequencies is presented. The noise figure of preamplifiers as used for NMR and MRI detection varies with source impedance and with the operating frequency. Therefore, to characterize a preamplifier's noise behavior, it is necessary to perform noise measurements at the targeted frequency while varying the source impedance with high accuracy. At high radiofrequencies, such impedance variation is typically achieved with transmission-line tuners, which however are not available for the relatively low range of typical NMR frequencies. To solve this issue, this work describes an alternative approach that relies on lumped-element circuits for impedance manipulation. It is shown that, using a fixed-impedance noise source and suitable ENR correction, this approach permits noise figure characterization for NMR and MRI purposes. The method is demonstrated for two preamplifiers, a generic BF998 MOSFET module and an MRI-dedicated, integrated preamplifier, which were both studied at 128MHz, i.e., at the Larmor frequency of protons at 3 Tesla. Variations in noise figure of 0.01dB or less over repeated measurements reflect high precision even for small noise figures in the order of 0.4dB. For validation, large sets of measured noise figure values are shown to be consistent with the general noise-parameter model of linear two-ports. Finally, the measured noise characteristics of the superior preamplifier are illustrated by SNR measurements in MRI data

Stretchable coil arrays: Application to knee imaging under varying flexion angles

To fit high-density receiver arrays for MRI closely around individual target anatomies, there is a need to provide a high degree of geometric adjustability with ease of handling and patient comfort. In this work, this is accomplished by the construction of a coil array that is stretchable such that it automatically conforms to a given anatomy's shape and size. Stretchability is implemented by creating the coil conductors from braided wire mounted on an elastic textile substrate. The signal-to-noise ratio yield of such coils is measured by MRI experiments at 3 T, and the signal-to-noise ratio effect of coil stretching is investigated with and without adjustment of the matching between each coil and the respective preamplifier. Four-channel and eight-channel arrays of stretchable receiver coils are evaluated in phantoms as well as for in vivo imaging of the human knee. Exploiting stretchability, it is demonstrated that the knee can be imaged under varying flexion angles up to 60° while maintaining closely coupled array detection, high signal-to-noise ratio, and uniform coverage of the entire joint. Magn Reson Med, 2011. © 2011 Wiley Periodicals, Inc

Do dynamic and static kinematics methods produce the same results?

MR-based methods provide low risk, non-invasive assessment of joint kinematics, however these methods often use static positions or require many identical cycles of movement. Study objectives were to develop a new 3D knee kinematic method requiring only a few cycles of motion (based on ultrafast gradient echo with water suppression), demonstrate the use of a novel 8-channel stretchable knee coil, and compare the results from this dynamic method to a 3D sequential static method, repeated using both a standard sequence and the new fast sequence.Ten normal volunteers were imaged using the three kinematic methods (dynamic, static standard, static fast). Results showed that the two sets of static results were in agreement, indicating the sequences (standard and fast) may be used interchangeably. Dynamic kinematic results were significantly different from both static results in eight of 11 kinematic parameters: patellar flexion, patellar tilt, patellar proximal translation, patellar lateral translation, patellar anterior translation, tibial abduction, tibial internal rotation, tibial anterior translation. Three-dimensional MR kinematics measured from dynamic knee motion are often different from those measured in a static knee at several positions, indicating that dynamic-based kinematics provides information that is not obtainable from static scans.Applied Science, Faculty ofMedicine, Faculty ofNon UBCMechanical Engineering, Department ofOrthopaedic Surgery, Department ofReviewedFacultyGraduateOthe

Direct MR arthrography of cadaveric wrists: Comparison between MR imaging at 3.0T and 7.0T and gross pathologic inspection

PURPOSE: To prospectively evaluate the diagnostic accuracy of magnetic resonance (MR) arthrography for the detection of articular cartilage abnormalities at 3.0T and 7.0T in cadaveric wrists. MATERIALS AND METHODS: MR imaging (MRI) was performed in nine cadaveric wrists (four right wrists, five left; mean age, 81.0 ± 9.8 years) after the intraarticular administration of gadoterate-meglumine. A 3.0T and 7.0T MR system, mechanically identical custom-built 8-channel wrist coil arrays and a similar standard MRI protocol, were used. MR images were evaluated for visibility of articular cartilage surfaces, presence of cartilage lesions, and confidence of diagnosis by two independent radiologists. Open pathologic inspection served as reference standard. Sensitivity, specificity, negative predictive values (NPV) and positive predictive values (PPV), and accuracy (ACC) were calculated. Wilcoxon signed rank test was used to assess differences in the diagnostic performance. RESULTS: Visibility of articular cartilage surfaces was significantly better at 3.0T than at 7.0T (P < 0.001). Mean sensitivity, specificity, NPV, PPV, ACC for both readers were 63%, 90%, 85%, 76%, 82% at 3.0T, respectively, and 52%, 91%, 82%, 75%, 79% at 7.0T. The difference between 3.0T and 7.0T was not significant for reader 1 (P = 0.51), but was significant for reader 2 (P = 0.01). The level of confidence was significantly higher at 3.0T than at 7.0T for both readers (P = 0.004; P = 0.03). CONCLUSION: MR arthrography of the wrist at 7.0T is still limited by the lack of commercially available radiofrequency coils and limited experience in sequence optimization, resulting in a significantly lower visibility of anatomy, lower diagnostic accuracy, and level of confidence in judging cartilage lesions compared to 3.0T. J. Magn. Reson. Imaging 2011;. © 2011 Wiley-Liss, Inc