Structure formation as studied by EPR spectroscopy: From simple solutions to nanoparticles

In this thesis, three nitroxide based ionic systems were used to investigate structure and dynamics of their respective solutions in mixed solvents by means of electron paramagnetic resonance (EPR) and electron nuclear double resonance (ENDOR) spectroscopy at X- and W-band (9.5 and 94.5 GHz, respectively). rnFirst, the solvation of the inorganic radical Fremy’s salt (K2ON(SO3)2) in isotope substituted binary solvent mixtures (methanol/water) was investigated by means of high-field (W-band) pulse ENDOR spectroscopy and molecular dynamics (MD) simulations. From the analysis of orientation-selective 1H and 2H ENDOR spectra the principal components of the hyperfine coupling (hfc) tensor for chemically different protons (alcoholic methyl vs. exchangeable protons) were obtained. The methyl protons of the organic solvent approach with a mean distance of 3.5 Å perpendicular to the approximate plane spanned by ON(S)2 of the probe molecule. Exchangeable protons were found to be distributed isotropically, approaching closest to Fremy’s salt from the hydrogen-bonded network around the sulfonate groups. The distribution of exchangeable and methyl protons as found in MD simulations is in full agreement with the ENDOR results. The solvation was found to be similar for the studied solvent ratios between 1:2.3 and 2.3:1 and dominated by an interplay of H-bond (electrostatic) interactions and steric considerations with the NO group merely involved into H-bonds.rnFurther, the conformation of spin labeled poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) solutions in aqueous alcohol (methanol, ethanol, n-propanol, ethylene glycol, glycerol) mixtures in dependence of divalent sodium sulfate was investigated with double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy. The DEER data was analyzed using the worm-like chain model which suggests that in organic-water solvent mixtures the polymer backbones are preferentially solvated by the organic solvent. We found a less serve impact on conformational changes due to salt than usually predicted in polyelectrolyte theory which stresses the importance of a delicate balance of hydrophobic and electrostatic interactions, in particular in the presence of organic solvents.rnFinally, the structure and dynamics of miniemulsions and polymerdispersions prepared with anionic surfactants, that were partially replaced by a spin labeled fatty acid in presence and absence of a lanthanide beta-diketonate complex was characterized by CW EPR spectroscopy. Such miniemulsions form multilayers with the surfactant head group bound to the lanthanide ion. Beta-diketonates were formerly used as NMR shift reagents and nowadays find application as luminescent materials in OLEDs and LCDs and as contrast agent in MRT. The embedding of the complex into a polymer matrix results in an easy processable material. It was found that the structure formation takes place in miniemulsion and is preserved during polymerization. For surfactants with carboxyl-head group a higher order of the alkyl chains and less lateral diffusion is found than for sulfat-head groups, suggesting a more uniform and stronger coordination to the metal ion. The stability of these bilayers depends on the temperature and the used surfactant which should be considered for the used polymerization temperature if a maximum output of the structured regions is wished.

Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.rnDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau imrnRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Konstruktion und Inbetriebnahme eines kompakten 3-He-Polarisators

Im Jahr 1996 wurde die erste Aufnahme der menschlichen Lunge in einem Kernspintomographen unter Benutzung des hyperpolarisierten Edelgases ³He als Kontrastgas veröffentlicht. Es folgten zahlreiche medizinische Studien mit diesem neuen Lungenbildgebungsverfahren. Als Konsequenz aus dem steigenden Bedarf an hyperpolarisiertem ³He wurde am Institut für Physik der Universität Mainz ein ³He-Polarisator entwickelt, der die Versorgung dieser Studien mit polarisiertem Gas gewährleistet. Für den Fall jedoch, dass die Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem ³He in die medizinische Praxis übernommen wird, wären die Produktionskapazitäten der bestehenden Anlage nicht mehr ausreichend. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kompaktes System zum Polarisieren von ³He direkt am Einsatzort entwickelt, welches als eine Art Industrieprodukt in beliebiger Stückzahl nachgebaut werden kann. So steht nun ein kompakter, mobiler ³He Polarisator zur Verfügung, dessen Produktionsrate in der Größenordnung eines Standardliters (1 l, 1 bar, Raumtemperatur) pro Stunde bei einer Polarisation von > 60% liegt.

Saccharide based nanocapsules - From monomer building blocks to improved capsules properties

In dieser Arbeit wurde der vielfältige Nutzen von Kohlenhydraten in Nanokapsel Systemen untersucht. Drei verschiedene Nanokapsel-Typen wurden durch Reaktion an der Grenzfläche von inversen Miniemulsionen hergestellt. Es wurde gezeigt, dass die Kohlenhydrate nach Modifizierung als Monomer an der Kapselbildung teilnehmen können, oder zur Erhöhung der Sensitivität eines verkapselten Kontrastmittels beitragen können. Im Folgenden werden die Ergebnisse der einzelnen Projekte zusammengefasst. Eine neuartige Grenzflächen-Synthese zur Herstellung von Nanokapseln wurde entwickelt und untersucht. Bei der Reaktion handelt es sich um eine Ruthenium katalysierte Olefin-Kreuzmetathese, welche für die Reaktion an der Grenzfläche angepasst wurde. Als wasserlösliches Macromonomer wurde Dextranacrylat synthetisiert. Der Reaktionspartner war ein öl-löslichen Phosphoester (Phenyldi(undec-10-en-1-yl)phosphat). Anhand von NMR-Spektren wurde gezeigt, dass die Kapselbildung auf Olefin Kreuzmetathese beruht. Im Vergleich zu konventionellen Estern haben Phosphorester eine weitere Möglichkeit zur chemischen Funktionalisierung. Dies wurde exemplarisch durch die Verwendung von fluoreszenzmarkierten Phosphoestern gezeigt. Die Markierung wurde verwendet, um die pH-induzierte Abbaubarkeit der Nanokapseln mittels Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie zu beobachten. Ziel des zweiten Projekts war es, Nanostrukturen zu entwickeln, um Infektionen mit Antibiotika-resistenten Bakterien lokal zu behandeln. Dazu wurden mit Dextranmethacrylat vernetzte Poly(acrylamid) basierte Nanogele synthetisiert und Zinknitrat zugesetzt. Die Synthese der Nanogele wurde erweitert, um durch Vernetzung freier Alkoholgruppen mit Toluoldiisocyanat eine Kapselschale zu erhalten. Die Schalenbildung spiegelte sich in einer geringeren Quellbarkeit der Gel- Schale-Hybride wieder. Die erhaltenen Gel-Schale-Hybride waren in der Lage das Wachstum von zwei Methicillin-resistenten Bakterienstämmen (S. aureus) zu unterdrücken und verzögern. Die synthetisierten Hybridstrukturen könnten in der Beschichtung von Wundauflagen Verwendung finden, um bakterielle Infektionen lokal und direkt nach Ausbruch zu behandeln. Ziel des dritten Projektes war es, die wichtigen Parameter in der Herstellung von Nanokapseln mit hoher Kontrastmittel Sensitivität zu identifizieren. Relaxivität/Signalsensitivität des Kontrastmittels ist von großer Bedeutung für die Bildgebung mittels MRI, dies kann durch die Begrenzung der Mobilität des Kontrastmittels erreicht werden. Aufgrund seiner hohen Komplexstabilität und seiner klinischen Bedeutung wurde das Kontrastmittel Gadobutrol für die Verkapselung verwendet. Das Kontrastmittel wurde in Polyharnstoff-Kapseln eingeschlossen, die durch einen inversen Miniemulsion-Prozess hergestellt wurden. Um die Viskosität im Inneren der Nanokapsel zu erhöhen, wurden zusätzlich Saccharose, Dextran und Polyacrylsäure verkapselt. In Gegenwart von Saccharose konnte die Relaxivität verdoppelt werden. Dies gründet sich vermutlich auf einem Second-sphere Effekt der Saccharose, einer auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhende Interaktion von Kontrastmittel und Saccharose.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Morphological and functional 3-Tesla magnetic resonance imaging of saphenous vein coronary artery bypass grafts

Evaluation of a novel non-invasive tool for postoperative follow-up of patients postelective saphenous vein coronary artery bypass graft (CABG) was performed. Ten patients were included. Their bypass grafts supplied the right coronary artery (7), marginal branches (1), diagonal branches (2), and the circumflex artery (n=1). Each bypass was examined intraoperatively using Doppler flow measurement. Patients were examined with a 3-Tesla magnetic resonance imaging (MRI) scanner (MAGNETOM Verio, Siemens, Erlangen, Germany) within one week postsurgery using MR-angiography with an intravasal contrast agent and velocity encoded phase-contrast flow measurements. Intraoperative Doppler flow measurements revealed regular flow patterns in all vascular territories supplied. The median intraoperative flow rate was 50 ml/min with an inter-quartile range (IQR) of 42-70 ml/min. The clinical postoperative course was uneventful. MRI showed all grafts to be patent. The median postoperative flow rate was 50 ml/min (IQR: 32-65 ml/min). MRI flow rates agreed well with intraoperative Doppler flow measurements (mean difference: -2.8±20.1 ml/min). This initial study demonstrates that 3-Tesla MRI flow measurements correlated well with Doppler thus reconfirming the graft patency postCABG. Further refinement and broader application of this technique may facilitate follow-up postCABG potentially replacing empiric clinical judgment by reliable non-invasive imaging.

Dual-energy CT-cholangiography in potential donors for living-related liver transplantation: Improved biliary visualization by intravenous morphine co-medication

PURPOSE: To prospectively evaluate whether intravenous morphine co-medication improves bile duct visualization of dual-energy CT-cholangiography. MATERIALS AND METHODS: Forty potential donors for living-related liver transplantation underwent CT-cholangiography with infusion of a hepatobiliary contrast agent over 40min. Twenty minutes after the beginning of the contrast agent infusion, either normal saline (n=20 patients; control group [CG]) or morphine sulfate (n=20 patients; morphine group [MG]) was injected. Forty-five minutes after initiation of the contrast agent, a dual-energy CT acquisition of the liver was performed. Applying dual-energy post-processing, pure iodine images were generated. Primary study goals were determination of bile duct diameters and visualization scores (on a scale of 0 to 3: 0-not visualized; 3-excellent visualization). RESULTS: Bile duct visualization scores for second-order and third-order branch ducts were significantly higher in the MG compared to the CG (2.9±0.1 versus 2.6±0.2 [P<0.001] and 2.7±0.3 versus 2.1±0.6 [P<0.01], respectively). Bile duct diameters for the common duct and main ducts were significantly higher in the MG compared to the CG (5.9±1.3mm versus 4.9±1.3mm [P<0.05] and 3.7±1.3mm versus 2.6±0.5mm [P<0.01], respectively). CONCLUSION: Intravenous morphine co-medication significantly improved biliary visualization on dual-energy CT-cholangiography in potential donors for living-related liver transplantation.

A dedicated animal model for mechanical thrombectomy in acute stroke

BACKGROUND: Recent studies have focused on mechanical thrombectomy as a means to reduce the time required for revascularization and increase the revascularization rate in acute stroke. To date no systematic evaluation has been made of the different mechanical devices in this novel and fast-developing field of endovascular interventions. To facilitate such evaluations, we developed a specific in vivo model for mechanical thrombectomy that allows visualization of dislocation or fragmentation of the thrombus during angiographic manipulation. METHODS: Angiography and embolization with a preformed thrombus was performed in 8 swine. The thrombus was generated by mixing 25 IU bovine thrombin and 10 mL autologous blood. For visualization during angiography, 1 g barium sulfate was added. RESULTS: The preformed thrombus exhibited mechanical stability, reproducibility, and high radiographic absorption, providing excellent visibility during angiography. The setting allowed selective embolization of targeted vessels without thrombus fragmentation. Despite the application of barium sulfate no local or systemic reaction occurred. Histologic evaluation revealed no intimal damage caused by the thrombus or contrast agent washout. CONCLUSION: The model presented here allows selective and reliable thromboembolization of vessels that reproduce the anatomic and hemodynamic situation in acute cerebrovascular stroke. It permits visualization of the thrombus during angiography and intervention, providing unique insight into the behavior of both thrombus and device, which is potentially useful in the development and evaluation of mechanical clot retrieval in acute cerebrovascular stroke.

The relative myocardial blood volume differentiates between hypertensive heart disease and athlete's heart in humans

AIMS: The adaptation of the myocardial microcirculation in humans to pathologic and physiologic stress has not been examined in vivo so far. We sought to test whether the relative blood volume (rBV) measured by myocardial contrast echocardiography (MCE) can differentiate between left ventricular (LV) hypertrophy (LVH) in hypertensive heart disease and athlete's heart. METHODS AND RESULTS: Four groups were investigated: hypertensive patients with LVH (n = 15), semi-professional triathletes with LVH (n = 15), professional football players (n = 15), and sedentary control individuals without cardiovascular disease (n = 15). MCE was performed at rest and during adenosine-induced hyperaemia. The rBV (mL mL(-1)), its exchange frequency (beta, min(-1)), and myocardial blood flow (mL min(-1) g(-1)) were derived from steady state and refill sequences of ultrasound contrast agent. Hypertensive patients had lower rBV (0.093 +/- 0.013 mL mL(-1)) than triathletes (0.141 +/- 0.012 mL mL(-1), P < 0.001), football players (0.129 +/- 0.014 mL mL(-1), P < 0.001), and sedentary individuals (0.126 +/- 0.018 mL mL(-1), P < 0.001). Conversely, the exchange frequency (beta) was significantly higher in hypertensive patients (11.3 +/- 3.8 min(-1)) than in triathletes (7.4 +/- 1.8 min(-1)), football players (7.7 +/- 2.3 min(-1)), and sedentary individuals (9.0+/-2.5 min(-1)). An rBV below 0.114 mL mL(-1) distinguished hypertensive patients and triathletes with a sensitivity of 93% and a specificity of 100%. CONCLUSION: Pathologic and physiologic LVH were differentiated non-invasively and accurately by rBV, a measure of vascularisation assessed by MCE.

Effect of multislice acquisition on T1 and T2 measurements of articular cartilage at 3T

PURPOSE: The aim of this study was to investigate the effect of magnetization transfer on multislice T(1) and T(2) measurements of articular cartilage. MATERIALS AND METHODS: A set of phantoms with different concentrations of collagen and contrast agent (Gd-DTPA(2-)) were used for the in vitro study. A total of 20 healthy knees were used for the in vivo study. T(1) and T(2) measurements were performed using fast-spin-echo inversion-recovery (FSE-IR) sequence and multi-spin-echo (MSE) sequence, respectively, in both in vitro and in vivo studies. We investigated the difference in T(1) and T(2) values between that measured by single-slice acquisition and that measured by multislice acquisition. RESULTS: Regarding T(1) measurement, a large drop of T(1) in all slices and also a large interslice variation in T(1) were observed when multislice acquisition was used. Regarding T(2) measurement, a substantial drop of T(2) in all slices was observed; however, there was no apparent interslice variation when multislice acquisition was used. CONCLUSION: This study demonstrated that the adaptation of multislice acquisition technique for T(1) measurement using FSE-IR methodology is difficult and its use for clinical evaluation is problematic. In contrast, multislice acquisition for T(2) measurement using MSE was clinically applicable if inaccuracies caused by multislice acquisition were taken into account. J. Magn. Reson. Imaging 2007;26:109-117. (c) 2007 Wiley-Liss, Inc.

Application and assessment of a robust elastic motion correction algorithm to dynamic MRI

The purpose of this study was to assess the performance of a new motion correction algorithm. Twenty-five dynamic MR mammography (MRM) data sets and 25 contrast-enhanced three-dimensional peripheral MR angiographic (MRA) data sets which were affected by patient motion of varying severeness were selected retrospectively from routine examinations. Anonymized data were registered by a new experimental elastic motion correction algorithm. The algorithm works by computing a similarity measure for the two volumes that takes into account expected signal changes due to the presence of a contrast agent while penalizing other signal changes caused by patient motion. A conjugate gradient method is used to find the best possible set of motion parameters that maximizes the similarity measures across the entire volume. Images before and after correction were visually evaluated and scored by experienced radiologists with respect to reduction of motion, improvement of image quality, disappearance of existing lesions or creation of artifactual lesions. It was found that the correction improves image quality (76% for MRM and 96% for MRA) and diagnosability (60% for MRM and 96% for MRA).

Assessment of the optimal temporal window for intravenous CT cholangiography

The optimal temporal window of intravenous (IV) computed tomography (CT) cholangiography was prospectively determined. Fifteen volunteers (eight women, seven men; mean age, 38 years) underwent dynamic CT cholangiography. Two unenhanced images were acquired at the porta hepatis. Starting 5 min after initiation of IV contrast infusion (20 ml iodipamide meglumine 52%), 15 pairs of images at 5-min intervals were obtained. Attenuation of the extrahepatic bile duct (EBD) and the liver parenchyma was measured. Two readers graded visualization of the higher-order biliary branches. The first biliary opacification in the EBD occurred between 15 and 25 min (mean, 22.3 min +/- 3.2) after initiation of the contrast agent. Biliary attenuation plateaued between the 35- and the 75-min time points. Maximum hepatic parenchymal enhancement was 18.5 HU +/- 2.7. Twelve subjects demonstrated poor or non-visualization of higher-order biliary branches; three showed good or excellent visualization. Body weight and both biliary attenuation and visualization of the higher-order biliary branches correlated significantly (P<0.05). For peak enhancement of the biliary tree, CT cholangiography should be performed no earlier than 35 min after initiation of IV infusion. For a fixed contrast dose, superior visualization of the biliary system is achieved in subjects with lower body weight.

Two-step postmortem angiography with a modified heart-lung machine: preliminary results

OBJECTIVE: The purpose of this study was to adapt and improve a minimally invasive two-step postmortem angiographic technique for use on human cadavers. Detailed mapping of the entire vascular system is almost impossible with conventional autopsy tools. The technique described should be valuable in the diagnosis of vascular abnormalities. MATERIALS AND METHODS: Postmortem perfusion with an oily liquid is established with a circulation machine. An oily contrast agent is introduced as a bolus injection, and radiographic imaging is performed. In this pilot study, the upper or lower extremities of four human cadavers were perfused. In two cases, the vascular system of a lower extremity was visualized with anterograde perfusion of the arteries. In the other two cases, in which the suspected cause of death was drug intoxication, the veins of an upper extremity were visualized with retrograde perfusion of the venous system. RESULTS: In each case, the vascular system was visualized up to the level of the small supplying and draining vessels. In three of the four cases, vascular abnormalities were found. In one instance, a venous injection mark engendered by the self-administration of drugs was rendered visible by exudation of the contrast agent. In the other two cases, occlusion of the arteries and veins was apparent. CONCLUSION: The method described is readily applicable to human cadavers. After establishment of postmortem perfusion with paraffin oil and injection of the oily contrast agent, the vascular system can be investigated in detail and vascular abnormalities rendered visible.

Simulation in training: one-year experience using an efficiency index to assess interventional radiology fellow training status

PURPOSE: To compare objective fellow and expert efficiency indices for an interventional radiology renal artery stenosis skill set with the use of a high-fidelity simulator. MATERIALS AND METHODS: The Mentice VIST simulator was used for three different renal artery stenosis simulations of varying difficulty, which were used to grade performance. Fellows' indices at three intervals throughout 1 year were compared to expert baseline performance. Seventy-four simulated procedures were performed, 63 of which were captured as audiovisual recordings. Three levels of fellow experience were analyzed: 1, 6, and 12 months of dedicated interventional radiology fellowship. The recordings were compiled on a computer workstation and analyzed. Distinct measurable events in the procedures were identified with task analysis, and data regarding efficiency were extracted. Total scores were calculated as the product of procedure time, fluoroscopy time, tools, and contrast agent volume. The lowest scores, which reflected efficient use of tools, radiation, and time, were considered to indicate proficiency. Subjective analysis of participants' procedural errors was not included in this analysis. RESULTS: Fellows' mean scores diminished from 1 month to 12 months (42,960 at 1 month, 18,726 at 6 months, and 9,636 at 12 months). The experts' mean score was 4,660. In addition, the range of variance in score diminished with increasing experience (from a range of 5,940-120,156 at 1 month to 2,436-85,272 at 6 months and 2,160-32,400 at 12 months). Expert scores ranged from 1,450 to 10,800. CONCLUSIONS: Objective efficiency indices for simulated procedures can demonstrate scores directly comparable to the level of clinical experience.