Magnetic field distribution and relaxation effects in the presence of interstitial and intracellular contrast agents for magnetic resonance imaging

Abstract

The purpose of this work was to achieve a profound and systematic understanding of magnetic susceptibility and relaxation effects of interstitial and intracellular contrast agents in Magnetic Resonance Imaging (MRI). The emphasis was on the investigation of relaxation and field inhomogeneity effects due to magnetically labeled cells and to exploit these effects to develop MR techniques for cell detection.

In vitro measurements of longitudinal (R1) and transversal relaxation rates (R2, R2*) of extracellular contrast agents in human blood plasma and cells labeled with intracellular contrast agents were conducted. For the latter experiments, proper preparation techniques of labeled cells in agar gel suspensions were developed and evaluated. Magnetic field inhomogeneity effects of magnetic dipoles, magnetic material and labeled cells were studied by means of a three-dimensional numerical model simulating magnetostatics. This model was developed in order to study both microscopic as well as macroscopic magnetic field distortions related to paramagnetic and superparamagnetic contrast media, and magnetically labeled cells. In further experiments, the inhomogeneous spectral broadening due to labeled cells was exploited to achieve selective imaging of labeled cells by means of an alternative ‘positive contrast’.

This work contributes to the better understanding of relaxation and magnetic susceptibility effects in MRI induced by extracellular or interstitial contrast agents and by cells labeled with iron oxide nanoparticles. The relaxation effects and magnetic field distortions were studied systematically for distances smaller than the MRI voxel size (i.e., the microscopic scale) as well as for distances larger than the imaging voxel (i.e., the macroscopic scale). It was demonstrated, that signal dephasing effects and Larmor frequency shifts can be exploited to generate various kinds of image contrast in presence of interstitial and intracellular contrast agents.

Das Anliegen dieser Arbeit war ein systematisches Verständnis der Einflüsse der magnetischen Suszeptibilität und der Relaxivität interstitialer und intrazellulärer Kontrastmittel in der MRT. Schwerpunkte lagen auf der Untersuchung der Relaxations- und Feldstörungseffekte in Gegenwart markierter Zellen und darauf basierender methodischer Ansätze zu deren Nachweis.

In vitro Messungen longitudinaler (R1) und transversaler Relaxationsraten (R2, R2*) verschiedener extrazellulärer Kontrastmittel in menschlichem Blutplasma und magnetisch markierter Zellen wurden durchgeführt. Um Relaxations- und Feldstörungseffekte verschiedener Konzentrationen markierter Zellen von anderen Einflussfaktoren isoliert untersuchen zu können, wurden geeignete Präparationen magnetisch markierter Zellen in Gelsuspensionen hergestellt. Magnetfeldinhomogenitäten durch magnetische Dipole, magnetischen Materials und magnetisch markierte Zellen wurden in einem dreidimensionalen numerischen Modell der Magnetostatik studiert. Dieses wurde etabliert, um mikroskopische als auch makroskopische Feldstörungseffekte durch paramagnetische und superparamagnetische Kontrastmittel als auch durch magnetisch markierte Zellen zu untersuchen. Weitere Experimente nutzten die spektrale Verbreiterung der Wasserresonanz bei Anwesenheit markierter Zellen zur selektiven Abbildung der Zellen mittels ‚positivem Kontrast’.

Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Einflüsse der magnetischen Suszeptibilität und der Relaxation in der MRT durch extrazelluläre oder interstitiale Kontrastmittel und mit Eisenoxidpartikeln markierten Zellen bei. Relaxationseffekte und Magnetfeldstörungen wurden systematisch innerhalb der Bildelemente (mikroskopische Größenordnung) und auf der Ebene der Bildelemente und darüber (makroskopische Größenordnung) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die durch paramagnetische/superparamagnetische Kontrastmittel bedingte verstärkte Signaldephasierung und die Verschiebungen der Resonanzfrequenzen zur Erzeugung von Bildkontrasten ausgenutzt werden können.