Literatursammlung: Einsatz von SPIO in der NMR

Heute möchte ich einiges an Literatur über den Einsatz von superparamagnetischem Eisenoxid (SPIO) in der NMR vorstellen. Das Hauptanwendungsgebiet liegt im medizinischen Bereich und theoretisch könnte SPIO bspw. irgendwann Gd-DTPA und verwandte Kontrastmittel in der kardiovaskulären MRT ablösen.

Der älteste Artikel zum Thema, den ich auf Anhieb gefunden habe, stammt aus dem Jahre 2001 und ist unter dem Titel Quantitative Analysis of SPIO and USPIO Uptake Rate by Macrophages: Effects of Particle Size, Concentration, and Labeling Time in Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine, Volume 9, p. 880 erschienen.

Die Zeitschrift NMR in Biomedicine hat im November 2004 die Ausgabe 7 von Volume 17 speziell dem Thema eisen-induzierter NMR in biologischem Gewebe gewidmet:
Special Issue: Iron-fortified MRI: effects and applications of iron-induced NMR relaxation in biological tissues

In derselben Zeitschrift ist im vergangenen Jahr ein Artikel erschienen, in dem die Kontrastmittel Gd-DTPA und SPIO bei einer Feldstärke von 3 Tesla verglichen werden:
Measuring SPIO and Gd contrast agent magnetization using 3 T MRI

Abschließend möchte ich noch den Artikel Scaling of transverse nuclear magnetic relaxation due to magnetic nanoparticle aggregation vorstellen, der im Oktober dieses Jahres in der Zeitschrift Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 322, Issue 20, erschienen ist.

Artikel des Tages: Visualization of Inert Gas Wash-Out During High- Frequency Oscillatory Ventilation Using Fluorine-19 MRI

Der heutige Artikel beschäftigt sich mit der Lungenbildgebung unter Anwendung von ¹⁹F als NMR-Sonde. Die Autoren sind Mitarbeiter des Uniklinikums Mainz bzw. der Universität Mainz.

Aus dem Abstract:

High-frequency oscillatory ventilation is looked upon as a lung-protective ventilation strategy. For a further clarification of the physical processes promoting gas transport, a visualization of gas flow and the distribution of ventilation are of considerable interest. Therefore, fluorine-19 magnetic resonance imaging of the imaging gas octafluorocyclobutane (C4F8) during high-frequency oscillatory ventilation was performed in five healthy pigs. For that, a mutually compatible ventilation-imaging system was set up and transverse images were acquired every 5 sec using FLASH sequences on a 1.5 T scanner. Despite a drop in signal-to-noise ratio after the onset of high-frequency oscillatory ventilation, for each pig, the four experiments could be analyzed. A mean wash-out time (t) at 5 Hz of 52.7 6 18 sec and 125.9 6 39 sec at 10 Hz, respectively, were found for regions of interest including the whole lung.
This is in agreement with the clinical findings, in that washout of respiratory gases is significantly prolonged for increased high-frequency oscillatory ventilation frequencies.
Our study could be a good starting-point for a further optimization of high-frequency oscillatory ventilation.

Erschienen ist der Artikel in der Zeitschrift Magnetic Resonance in Medicine, Volume 64, Issue 5, Seiten 1478-1483.

Artikel des Tages: A dynamic elastic model for segmentation and tracking of the heart in MR image sequences

Heute mal wieder ein Artikel zur Herzbildgebung.

Die Autoren Joël Schaerer, Christopher Casta, Jérôme Pousin und Patrick Clarysse fassen in ihrem Artikel den bisherigen Kenntnisstand zur Bildanalyse in der Herz-MRT zusammen und stellen eine neue Methodik für die Segmentierung und Bewegungsverfolgung bei Herzuntersuchungen vor. Dabei greifen sie die Methode der deformierbaren elastischen Vorlage (deformable elastic template) zurück, die sie um eine zeitliche Dimension erweitern. Dadurch soll das Modell robuster und eine gleichzeitige Auswertung aller zeitlichen Frames möglich werden.

Aus dem Abstract:

Strong prior models are a prerequisite for reliable spatio-temporal cardiac image analysis. While several cardiac models have been presented in the past, many of them are either too complex for their parameters to be estimated on the sole basis of MR Images, or overly simplified. In this paper, we present a novel dynamic model, based on the equation of dynamics for elastic materials and on Fourier filtering. The explicit use of dynamics allows us to enforce periodicity and temporal smoothness constraints. We propose an algorithm to solve the continuous dynamical problem associated to numerically adapting the model to the image sequence. Using a simple 1D example, we show how temporal filtering can help removing noise while ensuring the periodicity and smoothness of solutions. The proposed dynamic model is quantitatively evaluated on a database of 15 patients which shows its performance and limitations. Also, the ability of the model to capture cardiac motion is demonstrated on synthetic cardiac sequences. Moreover, existence, uniqueness of the solution and numerical convergence of the algorithm can be demonstrated.

Der Artikel erscheint in der Dezemberausgabe der Zeitschrift Medical Image Analysis (Volume 14, Issue 6, Seiten 738-749).

Artikel des Tages: Investigating the predictive value of whole-brain structural MR scans in autism: A pattern classification approach

Der heutige Artikel liegt mir aus persönlichen Gründen besonders am Herzen.

Die AutorInnen stellen in ihrer Veröffentlichung ein Schema zur Früherkennung von Autismus mittels Magnetresonanztomographie vor. In einer Studie wurden diagnostizierte Autisten und zwei Kontrollgruppen mit symptomatisch ähnlichen Störungen (ADHS) bzw. ohne Störungen auf strukturelle Veränderungen im Gehirn untersucht. Dabei ergab sich offenbar eine signifikante Korrelation zwischen den Veränderungen im Gehirn der autistischen Probanden und der Schwere der autistischen Symptomatik.

Erschienen ist der Artikel im Januar 2010 in Volume 49 der Zeitschrift NeuroImage, Issue 1, Seiten 44-56.

Fundstücke: Einsatz von Jod in der Festkörper-NMR

Der Einsatz von Spin-1/2-Kernen wie Wasserstoff (¹H) oder Fluor (¹⁹F) in der NMR ist gut bekannt, weniger bekannt ist möglicherweise, daß man auch mit sog. Quadrupolkernen NMR machen kann. Ein solcher Kern ist bspw. Jod, genauer gesagt ¹²⁷I mit einem Spin von 5/2. Bei einem Kern mit Spin 1/2 ergeben sich aus der Zeeman-Aufspaltung im Magnetfeld zwei Energieniveaus. Allgemein ist die Anzahl der Energieniveaus bei der Zeeman-Aufspaltung proportional zum Spin. Ein Kern mit Spin 3/2 spaltet in 4 Energieniveaus auf, ein Kern mit Spin 5/2 in 6 Niveaus usw., sodaß weitere Übergänge zwischen den einzelnen Niveaus möglich sind.
Man spricht dann z.T. eher von Nuclear Quadrupol Resonance (NQR).

Es gibt einige Webseiten, die über den Einsatz von Jod in der NMR informieren und Literatur auflisten. Vorstellen möchte ich die Seite von Pascal P. Man aus Paris, der eine Menge Infos zu dem Thema zusammengetragen hat und dieses auch einzeln nach NQR-Kernen (z.B. ²D oder ¹²⁷I) sortiert hat. Sein Informationsangebot ist meines Erachtens gegenüber den anderen Seiten herausragend und ich hoffe, daß er es noch lange pflegt.

Artikel des Tages: An electromagnetic reverse method of coil sensitivity mapping for parallel MRI – Theoretical framework

Es geht wieder weiter - mit einem Artikel über Algorithmen für parallele Bildgebung.

Die Autoren Jin Jin, Feng Liu, Ewald Weber, Yu Li und Stuart Crozier von der University of Queensland in Brisbane (Australien) schreiben im Abstract:

In this paper, a novel sensitivity mapping method is proposed for the image domain parallel MRI (pMRI) technique. Instead of refining raw sensitivity maps by means of conventional image processing operations such as polynomial fitting, the presented method determines coil sensitivity profiles through an iterative optimization process. During the algorithm implementation the optimization cost function is defined as the difference between the raw sensitivity profile and the desired profile. The minimization is governed by the physics of low-frequency electromagnetic and reciprocity theories. The performance of the method was theoretically investigated and compared with that of a traditional polynomial fitting, against a range of system noise levels. It was found that, the new method produces high-fidelity sensitivity profiles with noise amplitudes, measured as root mean square deviation an order of magnitude less than that of the polynomial fitting method. Using the sensitivity profiles generated by our method, SENSE (sensitivity encoding) reconstructions produce significantly less image artefacts than conventional methods. The successful implementation of this method has far-reaching implications that accurate sensitivity mapping is not only important for parallel reconstruction, but also essential for its transmission analogy, such as Transmit SENSE.

Der Artikel ist im November 2010 bei der Zeitschrift Journal of Magnetic Resonance erschienen (Volume 207, Issue 1, Seiten 59-68).

Videos: Grundlagen von NMR und MRT

Obwohl inzwischen die November-Ausgaben vieler Publikationen erschienen sind, möchte ich heute statt eines Artikels die Videos von Paul Callaghan vorstellen.

Die Gesamtheit des Videokurses ist bei Youtube zu finden, ich stelle hier nur das erste Video ein.

Artikel des Tages: Measurement of Apparent Cell Radii Using a Multiple Wave Vector Diffusion Experiment

Mit dem heutigen Artikel möchte ich eine spezielle Form von Diffusions-NMR vorstellen, im Englischen als "Multiple Wave vector diffusion" bezeichnet.

Die Autoren sind Mitglieder des Fachbereiches Physik, Experimentalphysik 5 sowie der Medizinischen Klinik und Poliklinik I an der Universität Würzburg und des Forschungszentrums "Magnetic Resonance Bavaria" in Würzburg.

Im Abstract heißt es:

It had been previously shown that an idealized version of the two-wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin echo diffusion experiment can be used to determine the apparent radius of geometries with restricted diffusion. In the present work, the feasibility of the experiment was demonstrated in an NMR imaging experiment, in which the apparent radius of axons in white matter tissue was determined. Moreover, numerical simulations have been carried out to determine the reliability of the results. For small diffusion times, the radius is systematically underestimated. Larger gradient area, finite length gradient pulses, and a statistical distribution of radii within a voxel all have a minor influence on the estimated radius.

Erschienen ist der Artikel im April 2009 in der Zeitschrift Magnetic Resonance in Medicine (Volume 61, Issue 4, Seiten 1001–1006).

Artikel des Tages: High resolution lung airway cast segmentation with proper topology suitable for computational fluid dynamic simulations

Nach langer Abstinenz melde ich mich auch hier mal wieder, mit einem Artikel über MRT an der Lunge, der im Oktober 2010 in der Zeitschrift Computerized Medical Imaging and Graphics erschienen ist (Volume 34, Issue 7, Seiten 572-578).
Aus Zeitgründen nur mit Abstract:

Developing detailed lung airway models is an important step towards understanding the respiratory system. While modern imaging and airway casting approaches have dramatically improved the potential detail of such models, challenges have arisen in image processing as the demand for greater detail pushes the image processing approaches to their limits. Airway segmentations with proper topology have neither loops nor invalid voxel-to-voxel connections. Here we describe a new technique for segmenting airways with proper topology and apply the approach to an image volume generated by magnetic resonance imaging of a silicone cast created from an excised monkey lung.

Artikel des Tages: Fast-Spin-Echo Imaging of Inner Fields-of-View With 2D-Selective RF Excitations

Der heutige Artikel des Tages Fast-Spin-Echo Imaging of Inner Fields-of-View With
2D-Selective RF Excitations stammt von Jürgen Finsterbusch (Department of Systems Neuroscience, University Medical Center Hamburg-Eppendorf) und ist als Technical Note im Journal of Magnetic Resonance Imaging, Ausgabe 31, Teil 6 (Juni 2010) erschienen (Seiten 1530-1537).

Das Ziel der Untersuchung wird im Abstract wie folgt beschrieben:

To demonstrate the feasibility of two-dimensional selective radio frequency (2DRF) excitations for fast-spin-echo imaging of inner fields-of-view (FOVs) in order to shorten acquisitions times, decrease RF energy deposition, and reduce image blurring.

Artikel des Tages: Twenty-five Pitfalls in the Analysis of Diffusion MRI Data

Ich bleibe beim Thema Diffusions-MRT.

Die Autoren Derek K. Jones (Cardiff University Brain Research Imaging Centre CUBRIC, School of
Psychology, Cardiff) und Mara Cercignani (Neuroimaging Laboratory, Santa Lucia Foundation, IRCCS, Rom) schreiben im Abstract ihres im August 2010 in der Zeitschrift NMR in Biomedicine (Volume 23, Issue 7, Seiten 803–820) erschienenen Artikels:

Die Gewinnung zuverlässiger Daten und das Ziehen sinnvoller und robuster Rückschlüsse aus der Diffusions-MRT kann herausfordernd wirken und ist mit vielen Fallstricken behaftet. Der Prozeß der Quantifizierung der Diffusionsindizes und die anschließenden Vergleiche dieser Indizes bei Gruppen von Proben und/oder der Korrelierung der Indizes mit anderen Parametern beginnt bei der Aufnahme der Rohdaten, gefolgt von einer langen Abfolge bildverarbeitender Schritte. Jeder dieser Schritte reagiert empfindlich auf Störungsquellen, was nicht nur die Genauigkeit und Präzision der Daten begrenzt, sondern auch zu erheblichen Fehlern führen kann.

Sie setzten sich zum Ziel, im Artikel alle Verarbeitungsschritte genau zu beleuchten und die jeweiligen Fallstricke zu untersuchen. Einige davon sollten Experten auf diesem Gebiet bekannt sein, sind es aber möglicherweise nicht bei den Anwendern der Diffusions-MRT. Ihnen soll dieser Artikel helfen.

Das PDF kann über diesen Link heruntergeladen werden.

Artikel des Tages: diverses über Diffusionsgewichtete Bildgebung

Ich war in den letzten Tagen nachlässig und mir gehen die deutschen Fachbegriffe aus. ;)

Aus dem ersten Grund stelle ich heute (und in den folgenden Tagen) gleich zwei Artikel vor.

Steady-state diffusion-weighted imaging: theory, acquisition and analysis

Die Autorinnen Jennifer A. McNab und Karla L. Miller vom Centre for Functional MRI of the Brain (FMRIB) der Universität Oxford schreiben im Abstract:

Steady-state diffusion-weighted imaging (DWI) has long been recognized to offer potential benefits over conventional spin-echo methods. This family of pulse sequences is highly efficient and compatible with three-dimensional acquisitions, which could enable high-resolution, low-distortion images. However, the same properties that lead to its efficiency make steady-state imaging highly susceptible to motion and create a complicated signal with dependence on T₁, T₂ and flip angle. Recent developments in gradient hardware, motion-mitigation techniques and signal analysis offer potential solutions to these problems, reviving interest in steady-state DWI. This review offers a description of steady-state DWI signal formation and provides an overview of the current methods for steady-state DWI acquisition
and analysis.

Erschienen ist der Artikel in der Zeitschrift NMR in Biomedicine, Ausgabe 23, Seiten 781-793 (August 2010).

Diffusion-Weighted MRI for Monitoring Tumor Response to Photodynamic Therapy

Diesen Artikel haben zwei in den USA forschende Mediziner aus China verfaßt:
Hesheng Wang vom Emory Center for Systems Imaging am Department of Radiology der Emory University in Atlanta, Georgia, und Baowei Fei vom Department of Biomedical Engineering der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio.
Bereits im Abstract führen sie genau in die verwendeten Methoden ein und geben eine Schlußfolgerung ab:

Purpose:
To examine diffusion-weighted MRI (DW-MRI) for assessing the early tumor response to photodynamic therapy (PDT).

Materials and Methods:
Subcutaneous tumor xenografts of human prostate cancer cells (CWR22) were initiated in athymic nude mice. A second-generation photosensitizer, Pc 4, was delivered to each animal by a tail vein injection 48 h before laser illumination. A dedicated high-field (9.4 Tesla) small animal MR scanner was used to acquire diffusion-weighted MR images pre-PDT and 24 h after the treatment. DW-MRI and apparent diffusion coefficients (ADC) were analyzed for 24 treated and 5 control mice with photosensitizer only or laser light only. Tumor size, prostate specific antigen (PSA) level, and tumor histology were obtained at different time points to examine the treatment effect.

Results:
Treated mice showed significant tumor size shrinkage and decrease of PSA level within 7 days after the treatment. The average ADC of the 24 treated tumors increased 24 h after PDT (P < 0.001) comparing with pre-PDT. The average ADC was 0.511 ± 0.119 × 10⁻³ mm²/s pre-PDT and 0.754 ± 0.181 × 10−3 mm²/s 24 h after the PDT. There is no significant difference in ADC values pre-PDT and 24 h after PDT in the control tumors (P = 0.20).

Conclusion:
The change of tumor ADC values measured by DW-MRI may provide a noninvasive imaging marker for monitoring tumor response to Pc 4-PDT as early as 24 h.

Dieser Artikel ist in der Ausgabe 08/2010 des Journal of Magnetic Resonance Imaging erschienen (Volume 32, Issue 2, Seiten 409–417).

Artikel des Tages: Frequency-swept pulse sequences for 19F heteronuclear spin decoupling in solid-state NMR

Der Artikel des Tages befaßt sich heute mit einem Thema aus der Festkörper-NMR.

C. Vinod Chandran, P.K. Madhu, Philip Wormald und Thomas Bräuniger vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, dem Department of Chemical Sciences des Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai und der School of Chemistry der University of St. Andrews vergleichen in ihrem Paper verschiedene Pulssequenzen zur Entkopplung von Spins bei ¹⁹F und greifen dabei auch auf umfangreiche Simulationen zurück. Sie kommen zu dem Schluß, daß sich die Mechanismen bei ¹H und ¹⁹F vergleichen lassen.

Erschienen ist der Artikel im Oktober 2010 im Journal of Magnetic Resonance, Volume 206, Issue 2, Seiten 255-263.

Artikel des Tages: Feasibility of FAIR Imaging for Evaluating Tumor Perfusion

Forscher verschiedener südkoreanischer Universitäten und Forschungszentren stellen in diesem im September 2010 im Journal of Magnetic Resonance Imaging erschienenen Artikel die Frage, inwieweit sich FAIR (flow-sensitive alternating inversion recovery) zur Messung der Tumorperfusion mit Blut eignet. An Kleintiermodellen werden FAIR und DCE-MRI (dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging) verglichen.
Die Forscher kommen zu dem Schluß, daß FAIR sich gut zur Perfusionsmessung an Tumoren eignet.

Abstract

Artikel des Tages: Primer on Gadolinium Chemistry

Ich bleibe weiter bei den Grundlagen der MRT und stelle einen kürzlich erschienen Artikel über die Chemie von Gadolinium und gadoliniumhaltigen Kontrastmitteln vor.
Erschienen ist er 2009 im Journal of Magnetic Resonance Imaging, Ausgabe 30, S. 1240–1248.
Die Autoren sind promovierte Naturwissenschaftler und arbeiten an der University of Texas sowie am Massachusetts General Hospital und am Beth Israel Deaconness Medical Center in Boston.

Abstract

Artikel des Tages: "Theory of gradient coil design methods for magnetic resonance imaging"

Der heutige Artikel des Tages ist ein schöner und ausführlicher Grundlagenartikel.
Erschienen ist er in Concepts in Magnetic Resonance Part A, Volume 36A, Issue 4, S. 223–242 im Juli 2010.
Die junge Autorin S.S. Hidalgo-Tobon arbeitet in ihrem Heimatland am Departamento de Ingenieria Electrica der Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa, hat aber auch mehrere Jahre im Ausland verbracht und forscht seit mehreren Jahren auf dem Gebiet der MRT.

Der Abstract zum Artikel ist hier zu finden.

Artikel des Tages: Phys. Rev. Lett. 105, 137002

Titel:
Abhängigkeit der Ladungsträger-Konzentration des Pseudogap-Grundzustandes bei supraleitendem Bi₂Sr_2-xLa_xCu_O6+δ, nachgewiesen durch ^63,65Cu-Kernspinresonanz in sehr hohen Magnetfeldern
(Carrier-Concentration Dependence of the Pseudogap Ground State of Superconducting Bi₂Sr_2-xLa_xCu_O6+δ Revealed by ^63,65Cu-Nuclear Magnetic Resonance in Very High Magnetic Fields)

Autoren:
Shinji Kawasaki, Chengtian Lin, Philip L. Kuhns, Arneil P. Reyes, Guo-qing Zheng

Abstract:
Wir berichten über die Ergebnisse der Knight-Verschiebung bei ^63,65Cu-NMR-Messungen, die mit einlagigem Kupferoxid Bi₂Sr_2-xLa_xCu_O6+δ bei sehr hohen Magnetfeldstärken bis zu 44 Tesla durchgeführt wurden.
Das Magnetfeld unterdrückt die Supraleitung komplett und der Pseudogap-Grundzustand zeigt sich. Die Knight-Verschiebung bei ⁶³Cu-NMR zeigt, daß im Grenzbereich T->0 eine endliche Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau verbleibt, die darauf hinweist, daß der Pseudogap-Zustand ein metallischer Zustand mit einem endlichen Volumen der Fermi-Oberfläche ist. Die verbleibende Zustandsdichte im Pseudogap-Grundzustand nimmt mit sinkender Dotierung (zunehmendem x) ab, bleibt aber selbst nahe der magnetisch geordneten Phase mit x≥0.8 sehr hoch, was die Vermutung nahelegt, daß die Zustandsdichte gegen Null hin abfällt, wenn sie sich der Mott-Isolator-Phase nähert.
We report the results of the Knight shift by ^63,65Cu-NMR measurements on single-layered copper-oxide Bi₂Sr_2-xLa_xCu_O6+δ conducted under very high magnetic fields up to 44 T. The magnetic field suppresses superconductivity completely, and the pseudogap ground state is revealed. The ⁶³Cu-NMR Knight shift shows that there remains a finite density of states at the Fermi level in the zero-temperature limit, which indicates that the pseudogap ground state is a metallic state with a finite volume of Fermi surface. The residual density of states in the pseudogap ground state decreases with decreasing doping (increasing x) but remains quite large even at the vicinity of the magnetically ordered phase of x≥0.8, which suggests that the density of states plunges to zero upon approaching the Mott insulating phase.


Der gesamte Artikel ist in Englisch hier zu finden.

Freie Plätze bei Kursen der ESMRMB

Bei den folgenden Kursen sind noch Plätze frei:

Small animal MR imaging and spectroscopy, 13.-15. Oktober in Eindhoven

Clinical MR Spectroscopy, 4.-6. November in Wien

Die gesamte Kursübersicht für das zweite Halbjahr 2010 ist hier zu finden.