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Diffusionseffekte in volumenselektiver NMR auf kleinen Längenskalen

Gädke, Achim :
Diffusionseffekte in volumenselektiver NMR auf kleinen Längenskalen.
Institut für Festkörperphysik
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Diffusionseffekte in volumenselektiver NMR auf kleinen Längenskalen
Language: German
Abstract:

In dieser Dissertation wird das Zusammenspiel zwischen Diffusions und Relaxationseffekten in ortsaufgelösten NMR Experimenten auf kurzen Längenskalen erforscht. Dies ist in Hinblick sowohl auf die konventionelle wie auch die mechanisch detektierte Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) für die (Sub-)Mikrometer-Auflösung in biologischen Zellen entscheidend. Aktuelle Veröffentlichungen zur Untersuchung von sehr dünnen angeregten Schichten zeigen eine scheinbare Relaxation in der Schicht, die um Größenordnungen schneller ist, als die longitudinale Relaxation es ermöglicht. Allerdings wurden diese Experimente an völlig relaxierten Proben durchgeführt, während hingegen MRT und besonders die mechanisch detektierte NMR typischerweise periodisch mit einer Periodendauer viel kleiner als T1 ablaufen. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die weitere Erforschung des Zusammenspiels zwischen Diffusion und longitudinaler Relaxation unter periodischen NMR-Anregungen. Dies ist in gewisser Weise der umgekehrte Effekt vom DESIRE-Ansatz (Diffusive Enhancement of SIgnal and REsolution), welcher 1992 von Paul Lauterbur vorgeschlagen wurde. Die Experimente an periodisch angeregten dünnen Schichten wurden an einem speziellen supraleitenden statischen Feldgradienten-Magneten mit einem Gradienten von 180 T/m durchgeführt. Um eine flache Schichtgeometrie zu gewährleisten, musste eine geeignete Position im Feld des Magneten gefunden werden: Diese Bedingungen sind bei 3,8 T und 73 T/m erfüllt. An diesem Ort konnten Schichten mit Dicken bis hinunter zu 3,2 µm angeregt werden. Die Detektion des NMR Signals erfolgte durch FIDs anstatt Echos, da die Anregungsbandbreite dieser dünnen Schichten hinreichend klein ist, um FIDs zu beobachten, die normalerweise in starken statischen Feldgradienten schwer zu beobachten sind. Ein Simulations-Werkzeugkasten wurde entwickelt, der basierend auf der kompletten Bloch-Torrey-Gleichung die Anregung und die Bildung der NMR-Signale unter diesen ungewöhnlichen Umständen des gemeinsamen Wirkens von Diffusion und Relaxation berechnet. Sowohl die Experimente wie die Simulationen zeigen, dass die Diffusions-Effekte zu einem stark verstärkten NMR-Signal auch unter periodischer Anregung führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Diffusions-Barrieren innerhalb der Sättigungs-Gedächtnis-Länge sqrt{2DT_1} das NMR-Signal stark beeinflussen. Während dieser Arbeit wurde die Spektrometersteuerungs-Software DAMARIS entwickelt, die als "Open-Source-Software" zur Konstruktion von speziellen Forschungs-NMR-Systemen zur Verfügung steht. DAMARIS ist in mehreren Forschungsgruppen an der TU Darmstadt und anderen Universitäten im Einsatz.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis, the interplay between diffusion and relaxation effects in spatially selective NMR experiments at short length scales is explored. This is especially relevant in the context of both conventional and mechanically detected MRI at (sub)micron resolution in biological specimens. Recent results on selectively excited very thin slices showed an in-slice-magnetization recovery orders of magnitude faster than the longitudinal relaxation time T1. However, those experiments were run on fully relaxed samples while MRI and especially mechanically detected NMR experiments are typically run in a periodic fashion with repetition times far below T1. The main purpose of this work therefore was to extend the study of the interplay between diffusion and longitudinal relaxation to periodic excitations. In some way, this is inverse phenomenon to the DESIRE (Diffusive Enhancement of SIgnal and REsolution) approach, proposed 1992 by Lauterbur. Experiments on periodically excited thin slices were carried out at a dedicated static field gradient cryomagnet with magnetic field gradients up to 180 T/m. In order to obtain plane slices, an appropriate isosurface of the gradient magnet had to be identified. It was found at a field of 3.8 T with a gradient of 73 T/m. In this field, slices down to a thickness of 3.2 µm could be excited. The detection of the NMR signal was done using FIDs instead of echoes as the excitation bandwidth of those thin slices is sufficiently small to observe FIDs which are usually considered to be elusive to detection in such strong static field gradients. A simulation toolbox based on the full Bloch-Torrey-equation was developed to describe the excitation and the formation of NMR signals under those unusual conditions as well as the interplay of diffusion and magnetization recovery. Both the experiments and the simulations indicate that diffusion effects lead to a strongly enhanced magnetization modulation signal also under periodic excitation. Furthermore, the influence of diffusion barriers within a saturation memory length sqrt{2DT_1} could be demonstrated as a major factor for the obtained magnetization modulation. In the course of the work, the spectrometer control software platform DAMARIS was developed, which is now available as an open source software for the construction of dedicated research NRM systems and is used by several research groups at TU Darmstadt and other universities.English
Uncontrolled Keywords: NMR Kernspin Resonanz Diffusion Stray-Field-Imaging Tomographie MRI
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
NMR Kernspin Resonanz Diffusion Stray-Field-Imaging Tomographie MRIGerman
NMR Nuclear Magnetic Resonance Diffusion Stray-Field-Imaging Tomography NRIEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 05 Mar 2009 14:15
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13166
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Fujara, Prof. Franz and Vogel, Prof. Michael and Nestle, Dr. Nikolaus
Refereed: 21 January 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1316
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