Development of a 19 F/1 H coil for a 7 T human magnetic resonance Imaging system with first results of non-invasive temperature measurements

Abstract

Fluorinated substances have attracted increasing attention in recent decades due to their interesting properties and potential uses in various research projects. 19 F is an ecellent substance in magnetic resonance imaging (MRI) as it has a nuclear spin of 1 ⁄ 2, a theoretically similar MR sensitivity to protons and no natural occurence in the human body. Therefore, fluorinated substances may be ideal for the development of contrast agents. However, the construction of MRI coils is challenging due to the rather close Larmor frequencies of 1 H and 19 F, which in turn complicates the decoupling of double-tuned coils. To address this issue, an MRI coil was developed in the present work that allows 19 F imaging to be performed with a 7 T MRI scanner. Due to broadband characteristics of the 19 F coil, 1 H imaging was additionally enabled without the need for custom tuning of additional coil elements. First, simulations for the coil design were carried out, effects with different phantom types inside the developed four-element phased-array coil were discussed, and a coil was constructed which provided a homogeneous B + 1 field within the phantoms. The optimized simulated coil was finally built with 3D printing support and tested in the 7 T whole body MRI. Various fluorinated substances were measured in aqueous solution, mostly using trifluoroethanol (TFE) and heptafluorobutyric acid (HFBA). It was shown that both 19 F and 1 H imaging is possible with the constructed coil. Additionally, series of experiments were carried out to measure different concentrations. Here, concentrations as low as 700 μ M of TFE could be detected by imaging with a signal-to-noise ratio of 2.5. This concentra- tion in the used resolution corresponds to the detection of 5. 7 · 10 16 fluorine nuclei per voxel. In addition to the imaging experiments, spectroscopic investigations were also carried out at the 7 T MRI, which provided information about the structure as well as about intermolecular interactions or general changes in the environment of the nucleus under consideration. These results were confirmed by complementary measurements at a wide bore 7 T nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer (300 MHz proton frequency). Furthermore, the temperature-dependence of TFE and HFBA was determined using chemi- cal shift imaging sequences proving that spatial resolution of spectroscopic measurements is possible. The various fluorinated groups exhibit characteristic chemical shift differences when the temperature changes. Using HFBA with its three fluorinated groups, a method was developed that allows the temperature to be determined without an additional reference substance to be recorded. Concluding, this work was able to demonstrate that the developed 19 F MRI coil for 7 T MRI showed a quality high enough to allow 19 F/ 1 H imaging, spatially resolved spectroscopy and due to that temperature determination. It shows that further developments are promising for subsequent studies.

Fluorierte Substanzen haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer interessanten Eigen- schaften und potenziellen Verwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Forschungsprojekten zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In der Magnetresonanztomographie (MRT) ist 19 F eine ausgezeichnete Substanz, da es einen Kernspin von 1 ⁄ 2, eine theoretisch ähn- liche MR-Empfindlichkeit wie Protonen hat und kein natürliches Fluor-Hintergrundsignal im menschlichen Körper aufweist, was es ideal für die Entwicklung von Kontrastmit- teln erscheinen lässt. Der Bau von MRT-Spulen ist jedoch aufgrund der relativ nahen Larmor-Frequenzen von 1 H und 19 F, was eine Entkopplung der Elemente erschwert, eine Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wurde eine MRT-Spule entwickelt, die die Durchführung einer 19 F-Bildgebung mit einem 7 T-MRT ermöglicht. Aufgrund der Breitbandeigenschaften der 19 F-Spule wurde zusätzlich die 1 H-Bildgebung ermöglicht, ohne dass eine individuelle Abstimmung zusätzlicher Spulenelemente erforderlich war. Zunächst wurden Simulationen für das Spulendesign durchgeführt, Effekte mit verschiedenen Phantomtypen innerhalb der entwickelten 4-Element-Phased-Array-Spule diskutiert und schließlich eine Spule konstruiert, die ein homogenes B + 1 -Feld innerhalb der Phantome erzeugte. Die optimierte simulierte Spule wurde anschließend mit Unterstützung eines 3D-Drucks gebaut und im 7 T-Ganzkörper-MRT getestet. Es wurden verschiedene fluorierte Sub- stanzen, hauptsächlich Trifluorethanol (TFE) und Heptafluorbuttersäure (HFBA), in wäss- riger Lösung gemessen und die Möglichkeit von 19 F- als auch 1 H-Bildgebung nachgewiesen. Zusätzlich wurden Versuchsreihen zur Messung verschiedener Konzentrationen durchgeführt. Dabei konnten Konzentrationen von nur 700 μ M TFE durch Bildgebung mit einem Signal- Rausch-Verhältnis von 2,5 nachgewiesen werden. Diese Konzentration in der verwendeten Auflösung entspricht dem Nachweis von 5.7 · 1016 Fluor-Kernen pro Voxel. Zusätzlich zu den Bildgebungsexperimenten wurden auch spektroskopische Untersuchungen am 7 T-MRT durchgeführt, die Informationen über die Struktur sowie über intermoleku- lare Wechselwirkungen oder allgemeine Veränderungen in der Umgebung des betrachteten Kerns lieferten. Diese Ergebnisse wurden durch ergänzende Messungen an einem 7 T- Kernspinresonanz Spektrometer mit breiter Bohrung bestätigt. Darüber hinaus wurde die Temperaturabhängigkeit von TFE und HFBA mithilfe von Chemical-Shift-Imaging- Sequenzen, welche räumlich aufgelöste spektroskopische Messungen erlauben, untersucht. Unter Verwendung von HFBA mit ihren drei fluorierten Gruppen, welche bei Temperaturän- derung charakteristische Unterschiede in der chemischen Verschiebung aufweise, wurde eine Methode entwickelt, mit der die Temperatur ohne zusätzliche Referenzsubstanz bestimmt werden kann. Zusammenfassend konnte diese Arbeit die Möglichkeit der 19 F/ 1 H-Bildgebung, der orts- aufgelösten Spektroskopie und damit der Temperaturbestimmung mit der entwickelten MRT-Spule aufzeigen. Sie zeigt, dass weitere Entwicklungen für nachfolgende Studien vielversprechend sind.