Authors:	Agulles Pedros, Luis
Title:	Diffusion of laser polarized gases in MRI
Online publication date:	16-Jan-2008
Year of first publication:	2008
Language:	english
Abstract:	The use of Magnetic Resonance Imaging (MRI) as a diagnostic tool is increasingly employing functional contrast agents to study or contrast entire mechanisms. Contrast agents in MRI can be classified in two categories. One type of contrast agents alters the NMR signal of the protons in its surrounding, e.g. lowers the T1 relaxation time. The other type enhances the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) signal of specific nuclei. For hyperpolarized gases the NMR signal is improved up to several orders of magnitude. However, gases have a high diffusivity which strongly influences the NMR signal strength, hence the resolution and appearance of the images. The most interesting question in spatially resolved experiments is of course the achievable resolution and contrast by controlling the diffusivity of the gas. The influence of such diffusive processes scales with the diffusion coefficient, the strength of the magnetic field gradients and the timings used in the experiment. Diffusion may not only limit the MRI resolution, but also distort the line shape of MR images for samples, which contain boundaries or diffusion barriers within the sampled space. In addition, due to the large polarization in gaseous 3He and 129Xe, spin diffusion (different from particle diffusion) could play a role in MRI experiments. It is demonstrated that for low temperatures some corrections to the NMR measured diffusion coefficient have to be done, which depend on quantum exchange effects for indistinguishable particles. Physically, if these effects can not change the spin current, they can do it indirectly by modifying the velocity distribution of the different spin states separately, so that the subsequent collisions between atoms and therefore the diffusion coefficient can eventually be affected. A detailed study of the hyperpolarized gas diffusion coefficient is presented, demonstrating the absence of spin diffusion (different from particle diffusion) influence in MRI at clinical conditions. A novel procedure is proposed to control the diffusion coefficient of gases in MRI by admixture of inert buffer gases. The experimental measured diffusion agrees with theoretical simulations. Therefore, the molecular mass and concentration enter as additional parameters into the equations that describe structural contrast. This allows for setting a structural threshold up to which structures contribute to the image. For MRI of the lung this allows for images of very small structural elements (alveoli) only, or in the other extreme, all airways can be displayed with minimal signal loss due to diffusion. In der Kernspintomographie (MRI) werden zunehmend funktionelle Kontrastmittel als diagnostische Werkzeuge genutzt, um physiologische Vorgänge zu untersuchen und darzustellen. Diese Kontrastmittel können dabei grundsätzlich in zwei Klassen eingeteilt werden: Während der erste Typ das NMR-Signal (Nuclear Magnetic Resonance) der Protonen und seiner Umgebung verändert, z.B. durch Erniedrigung der T1-Relaxationszeit, erhöht der zweite Typ das NMR-Signal von spezifischen Kernen. Dazu gehören z.B. auch hyperpolarisierte (HP) Gase, in denen das NMR Signal um mehrere Größenordnungen gesteigert wird. Allerdings besitzen Gase eine hohe Diffusivität, welche sich auch stark auf das NMR-Signal und damit auch die Auflösung und den Kontrast von Bildern auswirkt. In ortsaufgelösten Experimenten ist deswegen die Frage nach bestmöglicher Auflösung und besten Kontrast in Abhängigkeit von der Diffusion von höchstem Interesse. Der Einfluss solcher diffusiver Prozesse steigt mit dem Diffusionskoeffizient, der Stärke des Magnetfelds und den Zeiten der verwendeten Pulssequenz. Die Diffusion kann dabei nicht nur die Auflösung des Bildes begrenzen, sondern auch die Linienform des NMR-Signals für Proben mit Diffusionsbarrieren verzerren. Außerdem könnte aufgrund der hohen Polarisation in gasförmigem HP 3He und 129Xe auch Spindiffusion (im Gegensatz zur Teilchendiffusion) eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen. Wie bereits gezeigt wurde, müssen für niedrige Temperaturen NMR-Messungen des Diffusionskoeffizienten um Quantenaustauscheffekte nicht unterscheidbarer Teilchen korrigiert werden. Selbst wenn diese Effekte nicht den Spinstrom direkt beeinflussen, kann die indirekte Modifikation der Geschwindigkeitsverteilung der verschiedenen Spinausrichtungen dazu führen, dass die Kollisionen der Spins und damit der Diffusionskoeffizient beeinflusst werden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung des Diffusionskoeffizienten von HP Gasen vorgestellt, welche den Einfluss von Spindiffusion unter klinischen Bedingungen ausschließt. Dafür wurde eine neue Methode zur Kontrolle des Diffusionskoeffizienten in Gasen entwickelt, welche auf der Beimischung von inerten Puffergasen basiert. Die gemessenen Diffusionskoeffizienten stimmen gut mit theoretischen Simulationen überein. Durch dieses Verfahren bestimmen die molekulare Masse und die Konzentration des Puffergases als zusätzliche Parameter den strukturellen Kontrast der Messmethode. Diese ermöglichen die Definition eines Strukturgrenzwertes, der vorgibt bis zu welcher Größe Strukturen noch zum Bild beitragen. In die Lungendildgebung erlaubt dies z.B. die ausschließliche Darstellung von kleinen Strukturen (Alveolen) oder die Gleichgewichtete Darstellung von allen Luftwegen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1704
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-14882
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen