Parahydrogen induced polarization on a clinical MRI system : polarization transfer of two spin order

Abstract

Hyperpolarization techniques enhance the nuclear spin polarization and thus allow for new nuclear magnetic resonance applications like in vivo metabolic imaging. One of these techniques is Parahydrogen Induced Polarization (PHIP). It leads to a hyperpolarized 1H spin state which can be transferred to a heteronucleus like 13C by a radiofrequency (RF) pulse sequence. In this work, timing of such a sequence was analyzed and optimized for the molecule hydroxyethyl propionate. The pulse sequence was adapted for the work on a clinical magnetic resonance imaging (MRI) system which is usually equipped only with a single RF transmit channel. Optimal control theory optimizations were performed to achieve an optimized polarization transfer. A drawback of hyperpolarization is its limited lifetime due to relaxation processes. The lifetime can be increased by storing the hyperpolarization in a spin singlet state. The second part of this work therefore addresses the spin singlet state of the Cs-symmetric molecule dimethyl maleate which needs to be converted to the spin triplet state to be detectable. This conversion was realized on a clinical MRI system, both by field cycling and by two RF pulse sequences which were adapted and optimized for this purpose. Using multiple conversions enables the determination of the lifetime of the singlet state as well as the conversion efficiency of the RF pulse sequence. Both, the hyperpolarized 13C spin state and the converted singlet state were utilized for MR imaging. Careful choice of the echo time was shown to be crucial for both molecules.Hyperpolarisationsmethoden verstärken die Kernspinpolarisation und ermöglichen dadurch neue Anwendungen der Kernspinresonanz wie die Bildgebung von Stoffwechselprozessen. Eine dieser Methoden ist die Parawasserstoff Induzierte Polarisation (PHIP), welche einen hyperpolarisierten 1H-Zustand erzeugt. Diese Hyperpolarisation kann durch Sequenzen von Radiofrequenzpulsen auf einen Heterokern wie 13C übertragen werden. In dieser Arbeit wurde die Zeitabstimmung einer solchen Sequenz für das Molekül Hydroxyethylpropionat analysiert und optimiert. Die Pulssequenz wurde für einen klinischen Kernspintomographen angepasst, so dass sie mit einem einzigen Sendekanal verwendet werden kann. Optimierungssimulationen basierend auf der Theorie der optimalen Steuerung wurden durchgeführt, um den Polarisationstransfer zu verbessern. Ein Nachteil der Hyperpolarisation ist, dass sie aufgrund von Relaxationsprozessen nur eine eingeschränkte Lebensdauer hat. Diese kann erhöht werden, indem die Hyperpolarisation in einem Singulett-Zustand gespeichert wird. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich daher mit dem Singulett-Zustand des Cs-symmetrischen Moleküls Dimethylmaleat, welcher für Messungen in einen Triplett-Zustand überführt werden muss. Diese Konversion wurde in einem klinischen Kernspintomographen zum einen durch eine Magnetfeldvariation zum anderen durch zwei Pulsssequenzen realisiert. Mehrfach aufeinanderfolgende Konversion wurden verwendet, um die Lebensdauer des Singulett-Zustands und die Konversionseffizienz der Pulssequenz zu bestimmen. Beide Möglichkeiten, der hyperpolarisierte 13C-Zustand und der konvertierte Singulett-Zustand, wurden zur Bildgebung verwendet. Die Notwendigkeit einer sorgfältigen Wahl der Echozeit wurde für beide Moleküle gezeigt