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Quantitative NMR imaging and its applications in vivo 1985

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QUANTITATIVE NMR IMAGING AND ITS APPLICATIONS J_N VI t>y WENDY ANNE STEWART B . S c , U n i v e r s i t y o f Dundee, 1982 A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE i n THE FACULTY OF GRADUATE STUDIES (Department of Chemistry) We accept t h i s t h e s i s as conforming t o the required standard. THE UNIVERSITY OF BRITISH NOVEMBER, 1985 (c) Wendy Anne Stewart, COLUMBIA 1985 I n p r e s e n t i n g t h i s t h e s i s i n p a r t i a l f u l f i l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r an a d v a n c e d d e g r e e a t t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , I a g r e e t h a t t h e L i b r a r y s h a l l make i t f r e e l y a v a i l a b l e f o r r e f e r e n c e a n d s t u d y . I f u r t h e r a g r e e t h a t p e r m i s s i o n f o r e x t e n s i v e c o p y i n g o f t h i s t h e s i s f o r s c h o l a r l y p u r p o s e s may be g r a n t e d by t h e h e a d o f my d e p a r t m e n t o r by h i s o r h e r r e p r e s e n t a t i v e s . I t i s u n d e r s t o o d t h a t c o p y i n g o r p u b l i c a t i o n o f t h i s t h e s i s f o r f i n a n c i a l g a i n s h a l l n o t be a l l o w e d w i t h o u t my w r i t t e n p e r m i s s i o n . D e p a r t m e n t o f CIM 4£j\\ The U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a 2075 Wesbrook P l a c e V a n c o u v e r , Canada V6T 1W5 Dat e \ I A ALU 1 Q \ ABSTRACT The problem o f q u a n t i f y i n g NMR parameters, measured a t a f i e l d s t r e n g t h o f 0.15 T e s l a u s i n g a whole body Imaging Instrument, and t h e i r p o t e n t i a l use j_n v i vo, have been i nvest i gated. The s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n times ( T j ) o f water doped with v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f paramagnetic s p e c i e s were determined using the i n v e r s i o n - r e c o v e r y method. I n t e n s i t y was measured d i r e c t l y from images as a f u n c t i o n o f t a u and Tj o b t a i n e d from a t h r e e parameter exponential f i t o f the data. The e f f e c t s o f v a r y i n g imaging c o n d i t i o n s on the values o f Tj o b t a i n e d , were a l s o examined. The r e s u l t s were compared with Tj values o b t a i n e d u s i n g a two-point computational method which i s a v a i l a b l e on many commercial imaging instruments. T h i s i n v o l v e s t a k i n g the r a t i o o f an i n v e r s i o n - r e c o v e r y image and a spin-echo image, which e l i m i n a t e s the dependence o f the images on the e q u i l i b r i u m magnetization and the repeat time. The s p i n - s p i n r e l a x a t i o n times (T£) were determined u s i n g the spin-echo method, of water doped with the same c o n c e n t r a t i o n s o f paramagnetic s p e c i e s used t o study T^. I n t e n s i t i e s were a g a i n obtained d i r e c t l y from images as a f u n c t i o n o f 2 t a u and obt a i n e d from a two parameter exponential f i t o f the da t a . The e f f e c t s o f d i f f u s i o n on the values o f 1^ o b t a i n e d were a l s o examined. The values were compared with those o b t a i n e d from i i a two-point computational method, which takes the r a t i o o f two spin-echo images with d i f f e r e n t t a u - t i m e s . The Tj and T 2 data were a l s o compared with l i t e r a t u r e values o b t a i n e d under c o n v e n t i o n a l s p e c t r o s c o p i c c o n d i t i o n s , with no magnetic f i e l d g r a d i e n t s p r e s e n t . The r e s u l t s o f these s t u d i e s , which compare f a v o u r a b l y with those in the l i t e r a t u r e , have shown t h a t i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n r e p r o d u c i b l e values o f T in the range 100-600 ms, with a c c e p t a b l e e r r o r s (±127.) under v a r i a b l e imaging c o n d i t i o n s . Reproducible values o f can be o b t a i n e d i n the range 40-200 ms, which have e r r o r s o f ±15% or l e s s . Above t h i s range the e f f e c t s o f d i f f u s i o n become important. Experimental a l l e r g i c e n c e p h a l o m y e l i t i s (EAE), an animal model f o r m u l t i p l e s c l e r o s i s , was induced in a Macaca f a s c i cu1ar i s monkey, and the development o f the d i s e a s e was f o l l o w e d u s i n g q u a n t i t a t i v e NMR imaging. T h i s technique has been shown t o be a powerful t o o l in the study o f EAE i n primates, s i n c e the p r o g r e s s i o n o f the d i s e a s e i s accompanied by changes in Tj and T 2• The i n d i c a t i o n s are t h a t these changes w i l l a l l o w d i s c r i m i n a t i o n between areas o f inflammation and o t h e r s which c o n t a i n demye1ination. i i i CONTENTS Page A b s t r a c t i i L i s t o f Tables v i L i s t o f F i g u r e s x L i s t o f A b b r e v i a t i o n s xv G l o s s a r y o f Terms x v i i Acknow 1 edgements xx I n t r o d u c t i o n 1 Chapter i 24 E v a l u a t i o n o f the Instrument 24 a. Magnetic F i e l d Inhomogeneity 24 b. S p a t i a l R e s o l u t i o n 28 c. A t t e n u a t i o n 30 d. Phasing and R e c o n s t r u c t i o n 32 Chapter 2 45 Q u a n t i t a t i o n o f NMR Parameters 45 a. S p i n - l a t t i c e R e l a x a t i o n ...45 ( i ) D e f i n i t i o n 45 ( i i ) Measurement o f Tj 48 ( i i i ) Computed T 52 ( i v ) E f f e c t s o f a Spin-echo Readout 54 (v) E f f e c t s o f Proton D e n s i t y 55 ( v i ) M u l t i e x p o n e n t i a l R e l a x a t i o n Behaviour...57 i v ( v i i ) D i s c u s s i o n 60 b. S p i n - s p i n R e l a x a t i o n 62 ( i ) D e f i n i t i o n 62 ( i i ) Measurement o f 1^ 63 ( i i i ) Computed T"2 67 ( i v ) E f f e c t s o f D i f f u s i o n 69 (vi ) D i s c u s s i o n 70 Chapter 3 72 A p p l i c a t i o n s o f Q u a n t i t a t i v e NMR Imaging 72 ( i ) Background 72 (i i ) Induct i on o f EAE and NMR Imaging P r o t o c o l 74 ( i i i ) Development o f EAE u s i n g NMR Imaging 76 ( i v ) Q u a n t i t a t i o n o f NMR Parameters 79 (v) D i s c u s s i o n 81 Co n c l u s i o n s 84 Future Work 86 References 88 Appendix I 93 v LIST OF TABLES Page Table 1: I n t e n s i t i e s from two spin-echo 32 images comparing manual and automatic s e t t i n g o f the a t t e n u a t i o n . I n t e n s i t i e s a re giv e n as the mean values from 2.6 cm 2 p l u s or minus standard d e v i a t i o n , a t the c e n t r e o f the v i a l s . Two values are g i v e n f o r each s o l u t i o n c o r r e s p o n d i n g t o two d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n the r e c e i v e r c o i 1 . Table I I : Tj values f o r v a r i o u s 51 c o n c e n t r a t i o n s o f CuS0 4 and MnCl 2 s o l u t i o n s o b t a i n e d a t 20 (± i)°C u s i n g the i n v e r s i o n - r e c o v e r y method. Two values are gi v e n f o r each c o n c e n t r a t i o n corresponding t o two d i f f e r e n t p o s i t i o n s In the rece1ver co i 1 . Table I I I : Computed Tj values f o r v a r i o u s 53 c o n c e n t r a t i o n s o f CuSO^ and MnCl£ vi s o l u t i o n s o b t a i n e d a t 20 (± 1 ) ° C . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n , c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i 1 . T a b l e I V : T j v a l u e s f o r v a r i o u s 55 c o n c e n t r a t i o n s o f M n C ^ s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s p i n - e c h o r e a d o u t w i t h T = 20 m s . C o m p u t e d T j v a l u e s w i t h t h e same r e a d o u t a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n , c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e ' r e c e i v e r c o i 1 . T a b l e V a : T j v a l u e s f o r v a r i o u s 56 c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l ^ s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s l i c e t h i c k n e s s o f 20 mm. C o m p u t e d T j v a l u e s a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . v i 1 T a b l e V b : T v a l u e s f o r v a r i o u s 57 c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± 1 ) °C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s l i c e t h i c k n e s s o f 5 mm. C o m p u t e d T j v a l u e s a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . T a b l e V I : T^ v a l u e s f o r v a r i o u s 66 c o n c e n t r a t i o n s o f CuS0 4 a n d M n C l 2 s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e s p i n - e c h o m e t h o d . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i 1 . T a b l e V I I : C o m p u t e d T 2 v a l u e s f o r v a r i o u s 68 c o n c e n t r a t i o n s o f C u S O ^ a n d M n C I 2 s o l u t i o n s , o b t a i n e d a t 20 (± 1 ) ° C . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i 1 . v i 1 i T a b l e V I I I : C o m p u t e d T 2 v a l u e s f o r v a r i o u s 6 9 c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n s , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f - [ - t i m e s . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i I . T a b l e I X : T j v a l u e s a s a f u n c t i o n o f t i m e 79 a f t e r i n d u c t i o n o f E A E , f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l , a n d t h e 1es i o n . T a b l e X : T 2 v a l u e s a s a f u n c t i o n o f t i m e 8 0 a f t e r i n d u c t i o n o f E A E , f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l a n d t h e 1es i o n . T a b l e X I : T j v a i u e s f r o m f i v e d i f f e r e n t 81 s l i c e i m a g e s i m m e d i a t e l y p r i o r t o d e a t h f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l , a n d t h e l e s i o n . i x L I S T OF F I G U R E S P a g e F i g u r e 1: S i n g l e p r o j e c t i o n s f o r b a c k p r o j e c t i o n 4 i mag i n g . a . A p p l i c a t i o n o f g r a d i e n t G ^ b . A p p l i c a t i o n o f g r a d i e n t G y c . A p p l i c a t i o n o f G p l u s G F i g u r e 2 : Two d i m e n s i o n a l F o u r i e r t r a n s f o r m p u l s e 5 a n d g r a d i e n t s e q u e n c e . F i g u r e 3 : S l i c e s e l e c t i o n i n i m a g i n g . 7 F i g u r e 4 : S e l e c t i v e r a d i o f r e q u e n c y p u l s e i n t h e 8 t i m e d o m a i n a n d i t s F o u r i e r t r a n s f o r m . F i g u r e 5 : V e c t o r d i a g r a m s d e m o n s t r a t i n g 11 t h e e f f e c t s o f a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e s e q u e n c e o n a s p i n - s y s t e m . F i g u r e 6 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u , t h e 12 i n t e r - p u l s e d e l a y , f o r a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e s e q u e n c e . F i g u r e 7 : S p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . S c h e m a t i c 13 d i a g r a m s s h o w i n g f o r m a t i o n o f t h e e c h o . F i g u r e 8 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s 2 t a u f o r a 15 s p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . F i g u r e 9 : S a g i t t a l i m a g e o f a human h e a d o b t a i n e d 17 u s i n g a s p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . x F i g u r e 1 0 : F o u r i e r t r a n s f o r m o f a s i n g l e p r o j e c t i o n 20 i n b a c k p r o j e c t i o n i m a g i n g . F i g u r e 1 1 : F o u r i e r t r a n s f o r m o f a s i n g l e p r o j e c t i o n 21 i n b a c k p r o j e c t i o n i m a g i n g s h o w i n g p h a s e e r r o r s . F i g u r e 1 2 : D i a g r a m o f p a r a l l e l t u b e p h a n t o m f o r 25 s t u d y i n g m a g n e t i c f i e l d i n h o m o g e n e i t y . F i g u r e 1 3 : F r e e I n d u c t i o n D e c a y ( F I D ) p u l s e a n d 26 g r a d i e n t s e q u e n c e . F i g u r e 1 4 : F I D i m a g e o f p a r a l l e l t u b e p h a n t o m 26 i n t h e x z p l a n e . F i g u r e 1 5 : P l o t o f i n t e n s i t y a s a f u n c t i o n 27 o f d i s t a n c e a l o n g t h e x - d i r e c t i o n . F i g u r e 1 6 : I n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e a n d g r a d i e n t 28 s e q u e n c e . F i g u r e 1 7 : I n v e r s i o n - r e c o v e r y image o f c a p i l l a r y 29 t u b e p h a n t o m . F i g u r e 1 8 : D i a g r a m o f r e s o l u t i o n p h a n t o m . 29 F i g u r e 1 9 : S p i n - e c h o i m a g e o f r e s o l u t i o n p h a n t o m . 30 F i g u r e 2 0 : P h a n t o m u s e d f o r s t u d y i n g a t t e n u a t i o n 31 a n d i n T j a n d T 2 m e a s u r e m e n t s . F i g u r e 2 1 : a . P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u f o r 34 • 4 . 9 6 mM a n d O 0 . 9 9 mM CuSC> 4 . b . P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u f o r 34 • 4 . 9 6 mM a n d O 0 . 9 9 mM C u S 0 4 ? w i t h m a g n i t u d e r e c o n s t r u c t i o n . x i F i g u r e 2 2 : P h a n t o m u s e d f o r s t u d y i n g i n t e n s i t y 35 a m b i g u i t i e s A = 4 . 9 6 mM C u S 0 4 B = 0 . 9 9 mM CuSC- 4 F i g u r e 2 3 : I n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e s d e m o n s t r a t i n g 37 i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s . a . X - 50 ms b . X = 100 ms c . X = 150 ms d . X = 2 5 0 ms e . X = 300 ms f . X = 400 ms g . X = 500 ms h . X = 6 0 0 ms i . X 1000 ms F i g u r e 2 4 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u s h o w i n g 38 f l u c t u a t i o n s i n s i g n a l s i g n . • 4 . 9 6 mM C u S 0 4 O 0 . 9 9 mM C u S 0 4 F i g u r e 2 5 : a . I n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e o f p h a n t o m 42 u s e d t o d e m o n s t r a t e i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s a t x = 200 m s . b . T h e same i m a g e i n a . a f t e r 42 m a g n i t u d e r e c o n s t r u c t i o n . F i g u r e 2 6 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u s h o w i n g 59 m u 1 t i e x p o n e n t i a 1 r e l a x a t i o n b e h a v i o u r . O 2 . 5 4 mM C u S 0 4 & 0 . 9 9 mM C u S 0 4 X 2 . 5 4 mM CuSCK + 0 . 9 9 C u S O . 4 4 F i g u r e 2 7 : a . P l o t o f s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n r a t e 60 v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r C u 5 0 4 s o 1 u t i o n s . x i i O IR d a t a A C o m p u t e d d a t a b . P l o t o f s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n r a t e 60 v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r M n C ^ s o l u t i o n s . O IR d a t a A C o m p u t e d d a t a F i g u r e 2 8 : a . P l o t o f s p i n - s p i n r e l a x a t i o n r a t e 71 v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r C u S O , 4 s o 1 u t i o n s . O SE d a t a A C o m p u t e d d a t a b . P l o t o f s p i n - s p i n r e l a x a t i o n r a t e 71 v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r M n C l 2 s o l u t i o n s O SE d a t a A C o m p u t e d d a t a F i g u r e 2 9 : D i a g r a m o f n e r v e c e l l . 72 F i g u r e 3 0 : D i a g r a m s h o w i n g t h e p o s i t i o n o f t h e 76 m o n k e y i n t h e i n s t r u m e n t a n d t h e s l i c e s b e i n g o b t a i n e d . F i g u r e 3 1 : T r a n s v e r s e SE i m a g e o f t h e m o n k e y ' s 77 b r a i n , s h o w i n g t h e a b n o r m a l a r e a i n t h e l e f t h e m i s p h e r e . ( R i g h t s i d e o f i m a g e ) . x i i i F i g u r e 3 2 : S e r i e s o f t h r e e s p i n - e c h o i m a g e s 78 o b t a i n e d f r o m t h e m o n k e y ' s b r a i n . a . 1 6 . 2 5 d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n b . 1 6 . 7 5 d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n c . 1 8 . 4 2 d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n The l i g h t a r e a s a r e a b n o r m a l . x i v L I S T OF A B B R E V I A T I O N S a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d r a d i o f r e q u e n c y f i e l d B o h r m a g n e t o n c e n t i m e t r e c o m p u t e d t o m o g r a p h y c o p p e r ( I I ) s u l p h a t e d e c i b e l s , m e a s u r e o f a t t e n u a t i o n d e g r e e s c e l c i u s s t a t i c m a g n e t i c f i e l d i n h o m o g e n e i t y r a d i o f r e q u e n c y f i e l d i n h o m o g e n e i t y g r a d i e n t n o n - 1 i n e a r i t y d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t e x p e r i m e n t a l a l l e r g i c e n c e p h a l o m y e l i t i s f r e e i n d u c t i o n d e c a y m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t a l o n g t h e x - d i r e c t i o n m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t a l o n g t h e y - d i r e c t i o n m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t a l o n g t h e z - d i r e c t i o n g r e y m a t t e r o f t h e b r a i n gamma, g y r o m a g n e t i c r a t i o h e r t z n u c l e a r s p i n i n t e n s i t y i n a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y image i n t e n s i t y i n a s p i n - e c h o image x v IR i n v e r s i o n - r e c o v e r y mM m i l l i m o 1 a r mm m i l l i m e t e r M n C l 2 m a n g a n e s e ( I I ) c h l o r i d e MS m u l t i p l e s c l e r o s i s M Q e q u i 1 i b r i um m a g n e t i z a t i o n M y , m a g n e t i z a t i o n i n t h e x y p l a n e M ^ m a g n e t i z a t i o n a l o n g t h e z - d i r e c t i o n v n u , L a r m o r p r e c e s s i o n f r e q u e n c y i n h e r t z NMR n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e u o m e g a , L a r m o r p r e c e s s i o n f r e q u e n c y i n r a d i a n s p e r s e c 3 1 P p h o s p h o r o u s - 31 % p e r c e n t PET p o s i t r o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y RF r a d i o f r e q u e n c y p r h o , s p i n d e n s i t y S e l e c t r o n s p i n T t a u , t h e i n t e r p u l s e d e l a y T. c o r r e l a t i o n t i m e c T j s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t i m e T^ s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e TR r e p e a t t i m e , t h e t i m e b e t w e e n s u c c e s s i v e r e a p p l i c a t i o n o f a p u l s e s e q u e n c e 2 D F T t w o d i m e n s i o n a l F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n WM w h i t e m a t t e r o f t h e b r a i n x v i GLOSSARY OF TERMS C e n t r a l n e r v o u s s y s t e m : T h i s c o n s i s t s o f t h e b r a i n a n d s p i n a l c o r d . C e r e b r a l h e m i s p h e r e : E i t h e r o f t h e p a i r o f s t r u c t u r e s c o n s t i t u t i n g t h e m a i n p o r t i o n o f t h e b r a i n , o c c u p y i n g t h e u p p e r p a r t o f t h e c r a n i a l c a v i t y . D e m y e 1 i n a t i o n : D e s t r u c t i o n o r r e m o v a l o f t h e m y e l i n s h e a t h o f a n e r v e o r n e r v e s . E n c e p h a l o m y e l i t i s : I n f l a m m a t i o n i n v o l v i n g b o t h t h e b r a i n a n d s p i n a l c o r d . „ G r o s s p a t h o l o g y : D i s e a s e d t i s s u e s v i s i b l e t o t h e n a k e d e y e . H a e m o r r h a g i c n e c r o s i s : D e a t h o f t i s s u e , u s u a l l y a s i n d i v i d u a l c e l l s , g r o u p s o f c e l l s o r i n s m a l l l o c a l i z e d a r e a s , d u e t o r u p t u r i n g o f b l o o d v e s s e l s . H i s t o l o g y : T h a t d e p a r t m e n t o f a n a t o m y , w h i c h d e a l s w i t h t h e m i n u t e s t r u c t u r e , c o m p o s i t i o n a n d f u n c t i o n o f t h e t i s s u e s . H i s t o p a t h o l o g y : t h e h i s t o l o g y o f d i s e a s e d t i s s u e . I n f l a m m a t i o n : A l o c a l i z e d p r o t e c t i v e r e s p o n s e e l i c i t e d b y i n j u r y o r d e s t r u c t i o n o f t i s s u e , w h i c h s e r v e s t o d e s t r o y , d i l u t e , o r w a l l o f f b o t h t h e i n j u r i o u s a g e n t a n d t h e i n j u r e d t i s s u e . H i s t o l o g i c a l l y , i t i n v o l v e s a c o m p l e x s e r i e s o f e v e n t s w h i c h i n c l u d e d i l a t i o n o f a r t e r i o l e s , c a p i l l a r i e s a n d v e n u l e s , w i t h i n c r e a s e d p e r m e a b i l i t y a n d b l o o d f l o w . I n t r a d e r m a l : W i t h i n t h e d e r m i s , w h i c h i s t h e o u t e r l a y e r o f s k i n d e e p t o t h e e p i d e r m i s , c o n s i s t i n g o f a d e n s e b e d o f v a s c u l a r c o n n e c t i v e t i s s u e . K e t a m i n e h y d r o c h l o r i d e : C h e m i c a l name ( ± ) - 2 - o - c h l o r o p h e n y l - 2 - m e t h y 1 a m i n o c y c 1 o h e x a n o n e h y d r o c h l o r i d e . A n o n - b a r b i t u r a t e , r a p i d a c t i n g g e n e r a l a n a e s t h e t i c w h i c h c a n be a d m i n i s t e r e d i n t r a v e n o u s l y o r i n t r a m u s c u l a r l y . M y c o b a c t e r i um t u b e r c u 1 o s i s : S p e c i e s o f m i c r o - o r g a n i s m w h i c h c a u s e s t u b e r c u l o s i s . T h e d i s e a s e i s c h a r a c t e r i z e d b y t h e f o r m a t i o n o f t u b e r c l e s a n d c a s e o u s n e c r o s i s i n t h e t i s s u e s . M y e l i n : T h e l i p i d s u b s t a n c e f o r m i n g a s h e a t h a r o u n d c e r t a i n n e r v e f i b e r s . N e u r o n : A n y o f t h e c o n d u c t i n g c e l l s o f t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m . A t y p i c a l n e u r o n c o n s i s t s o f a c e l l b o d y , c o n t a i n i n g t h e n u c l e u s a n d t h e s u r r o u n d i n g c y t o p l a s m ; s e v e r a l s h o r t r a d i a t i n g p r o c e s s e s known a s d e n d r i t e s , a n d o n e l o n g p r o c e s s ( a x o n ) w h i c h t e r m i n a t e s i n t w i g - l i k e b r a n c h e s , a n d may h a v e b r a n c h e s a l o n g i t s c o u r s e . R o m p u n : C h e m i c a l name , 2 - ( 2 , 6 - d i m e t h y l p h e n y l a m i n o ) - 4 H - 5 , 6 - d i h y d r o - 1 , 3 - t h i a z i n e . P o t e n t s e d a t i v e , h y p n o t i c . C a n be a d m i n i s t e r e d i n t r a v e n o u s l y o r i n t r a m u s c u l a r l y . x v i i i S y n a p s e : The a n a t o m i c a l r e l a t i o n o f o n e n e r v e c e l l t o a n o t h e r ; t h e r e g i o n o f j u n c t i o n b e t w e e n p r o c e s s e s o f t w o a d j a c e n t n e u r o n s , f o r m i n g t h e p l a c e w h e r e a n e r v o u s i m p u l s e i s t r a n s m i t t e d f r o m o n e n e u r o n t o a n o t h e r . x i x ACKNOWLEDGEMENTS I w o u l d l i k e t o t h a n k P r o f e s s o r L . D . H a l l f o r h i s s u p p o r t a n d e n c o u r a g e m e n t t h r o u g h o u t t h i s w o r k . I w o u l d a l s o l i k e t o e x p r e s s my a p p r e c i a t i o n t o D r . D . W . P a t y , f o r h i s s u p p o r t a n d e n t h u s i a s m t h r o u g h o u t o u r c o l l a b o r a t i v e r e s e a r c h . T h a n k s a l s o go t o M r . D . A i k i n s , w h o s e e n g i n e e r i n g e x p e r t i s e h a s b e e n i n v a l u a b l e , a n d t o t h e R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t g r o u p a t P i c k e r I n t e r n a t i o n a l , C l e v e l a n d , O h i o , f o r t h e i r h e l p f u l d i s c u s s i o n s . I g i v e s p e c i a l t h a n k s t o A n n e k e R e e s f o r t y p i n g t h i s t h e s i s , a n d f o r h e r p a t i e n c e a n d e n c o u r a g e m e n t t h r o u g h o u t i t s p r e p a r a t i o n . x x Ded i cat i on To Professor Roy Foster X X I INTRODUCTION The p h e n o m e n o n o f n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e (NMR) was 1 2 f i r s t d i s c o v e r e d b y P u r e e 11 a n d B i o c h ' i n 1 9 4 6 , a n d i s now a n i m p o r t a n t a n a l y t i c a l t o o l f o r b o t h s c i e n t i s t s a n d p h y s i c i a n s . NMR s p e c t r o s c o p y h a s b e e n u s e d b y s c i e n t i s t s i n t h e e l u c i d a t i o n o f c o m p l e x c h e m i c a l s t r u c t u r e s , s u c h a s s t e r o i d s a n d p r o t e i n s , i n r e a c t i o n p r o d u c t c h a r a c t e r i z a t i o n , a n d i n t h e s t u d y o f e l e c t r o n - d o n o r - a c c e p t o r c o m p l e x e s , t o name a 3 f e w e x a m p l e s f r o m o r g a n i c c h e m i s t r y . W i t h p r o g r e s s i v e t e c h n i c a l i m p r o v e m e n t s i n NMR i n s t r u m e n t a t i o n , many b i o l o g i c a l s t u d i e s h a v e a l s o become p o s s i b l e . I n 1 9 7 1 , 4 D a m a d i a n c a r r i e d o u t j jn v i t r o p r o t o n NMR s t u d i e s o n r a t t i s s u e , a n d d e m o n s t r a t e d d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e r e l a x a t i o n b e h a v i o u r o f t h e p r o t o n s i n n o r m a l a n d c a n c e r o u s t i s s u e . T h i s p r o v i d e d t h e f i r s t e v i d e n c e t h a t NMR s i g n a l s c o u l d be u s e d t o d i s c r i m i n a t e b e t w e e n n o r m a l a n d d i s e a s e d s t a t e s . I n 1 9 7 3 , t h e a p p l i c a t i o n o f NMR t o m e d i c i n e was e x t e n d e d when 5 31 Moon a n d R i c h a r d s d e t e c t e d t h e i n t r a e r y t h r o c y t i c P r e s o n a n c e s o f 2 , 3 - d i p h o s p h o g 1 y c e r a t e a n d i n o r g a n i c p h o s p h a t e f r o m b l o o d . T h e y a l s o d e m o n s t r a t e d t h a t t h e i n t r a e r y t h r o - c y t i c pH c o u l d b e d e d u c e d f r o m a d e t a i l e d s t u d y o f t h e i n o r g a n i c p h o s p h a t e c h e m i c a l s h i f t . I n 1 9 7 4 , t h e w o r k o f Moon a n d R i c h a r d s was e x t e n d e d b y 6 3 1 H e n d e r s o n , C o s t e l l o a n d O m a c h i , who a l s o d e t e c t e d t h e P r e s o n a n c e s f r o m a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e ( A T P ) i n human 1 e r y t h r o c y t e s . I n t h e same y e a r , H o u l t e_£ aj_. s h o w e d t h a t t h e 3 1 P NMR s i g n a l s f r o m A T P , p h o s p h o c r e a t i n e a n d i n o r g a n i c p h o s p h a t e c o u l d be o b t a i n e d f r o m i n t a c t m u s c l e s a m p l e s . A T P i s t h e k e y m e t a b o l i t e i n v i r t u a l l y e v e r y e n e r g y t r a n s f e r p r o c e s s i n t h e b o d y . I t s r e g e n e r a t i o n i n v o l v e s b o t h i n o r g a n i c p h o s p h a t e a n d p h o s p h o c r e a t i n e ; t h e r e f o r e m e t a b o l i s m c o u l d b e f o l l o w e d f o r t h e f i r s t t i m e j_n v i v o u s i n g 3 1 P NMR s p e c t r o s c o p y . I n a d d i t i o n , s i n c e t h e t e c h n i q u e i s n o n - i n v a s i v e a n d d o e s n o t r e q u i r e i o n i z i n g r a d i a t i o n , m e t a b o l i c d i s o r d e r s c o u l d be f o l l o w e d o v e r t i m e 8 9 a n d t h e e f f e c t s o f t h e r a p y m o n i t o r e d . O v e r t h e p a s t d e c a d e a l a r g e number o f J_n v i v o s p e c t r o s c o p i c s t u d i e s h a v e b e e n c a r r i e d o u t ^ a n d many m o r e a r e i n p r o g r e s s . ' 4 I m a g i n g M e t h o d s 1. B a c k P r o j e c t i o n I n m o s t c o n v e n t i o n a l NMR e x p e r i m e n t s t h e s a m p l e u n d e r s t u d y i s p l a c e d i n a u n i f o r m s t a t i c m a g n e t i c f i e l d , B Q , a n d t h e e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n i n t h e z - d i r e c t i o n i s p e r t u r b e d b y a p p l i c a t i o n o f a r a d i o f r e q u e n c y ( R F ) p u l s e a t 15 t h e r e s o n a n c e f r e q u e n c y o f t h e a p p r o p r i a t e n u c l e u s . T h i s w o r k i s c o n c e r n e d w i t h p r o t o n NMR. The r e s o n a n c e f r e q u e n c y i s g i v e n b y e q u a t i o n 1 , » o - y B o ( 1 ) w h e r e y = g y r o m a g n e t i c r a t i o o f t h e p r o t o n . 2 T h e a b i l i t y t o o b t a i n s p a t i a l l y e n c o d e d i n f o r m a t i o n u s i n g t h e NMR s i g n a l s f r o m a s a m p l e was f i r s t d e m o n s t r a t e d b y L a u t e r b u r i n 1 9 7 3 1 6 . I n t h e i m a g i n g e x p e r i m e n t , m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t s a r e a p p l i e d , r e s u l t i n g i n f r e q u e n c y l a b e l l i n g o f t h e s a m p l e w i t h r e s p e c t t o d i s t a n c e a l o n g t h e d i r e c t i o n o f t h e a p p l i e d g r a d i e n t . I f t h e a p p l i e d g r a d i e n t (G f o r e x a m p l e ) i s X l i n e a r , t h e n e q u a t i o n 1 b e c o m e s ca - vB + Y G ( 2 ) x ' o x x w h e r e i s t h e r e s o n a n c e f r e q u e n c y o f n u c l e i a t p o s i t i o n x d u r i n g a p p l i c a t i o n o f g r a d i e n t G . X C o n s i d e r a samp1e c o m p r i s i n g t w o t u b e s c o n t a i n i n g t h e same s o l u t i o n ( f o r e x a m p l e , w a t e r ) p l a c e d i n a s t a t i c m a g n e t i c f i e l d , a s s h o w n i n F i g u r e 1. I f a l i n e a r G x g r a d i e n t i s a p p l i e d d u r i n g d a t a a c q u i s i t i o n a f t e r a 9 0 ° RF p u l s e , t h e n t h e F o u r i e r t r a n s f o r m 1 7 o f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l h a s t h e f o r m o f t h e p r o j e c t i o n s h o w n i n F i g u r e l a ; t h e w a t e r i n t h e t w o t u b e s h a s d i f f e r e n t r e s o n a n c e f r e q u e n c i e s c o r r e s p o n d i n g t o t h e p o s i t i o n s o f t h e t u b e s a l o n g t h e x - a x i s . S i m i l a r l y , a p p l i c a t i o n o f a g r a d i e n t a l o n g t h e y - a x i s d u r i n g d a t a a c q u i s i t i o n a n d s u b s e q u e n t F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n p r o v i d e s t h e p r o j e c t i o n s h o w n i n F i g u r e l b . Now t h e w a t e r i n b o t h t u b e s h a s t h e same r e s o n a n c e f r e q u e n c y , a n d a s i n g l e p r o f i l e i s o b t a i n e d w i t h t w i c e t h e i n t e n s i t y f r o m a s i n g l e t u b e . I f l i n e a r 3 c o m b i n a t i o n s o f t h e x - a n d y - g r a d i e n t s a r e u s e d , a s i m p l e e f f e c t i v e l i n e a r g r a d i e n t i s o b t a i n e d , a n d h e n c e p r o j e c t i o n s may be o b t a i n e d a t a n y a n g l e w i t h r e s p e c t t o t h e y - a x i s ( f o r e x a m p l e , 4 5 ° , a s s h o w n i n F i g u r e l c ) . U s u a l l y , 180 p r o j e c t i o n s a r e o b t a i n e d , w i t h t h e c o m p o s i t e g r a d i e n t % r o t a t e d ' a t 1 ° i n t e r v a l s . T h e F o u r i e r t r a n s f o r m s o f e a c h l ft p r o j e c t i o n a r e t h e n " f i l t e r e d " a n d " b a c k p r o j e c t i o n " c a r r i e d o u t t o p r o v i d e t h e f i n a l i m a g e . y a /N / i s Bo * ~) o o F i g u r e 1: S i n g l e p r o j e c t i o n s f o r b a c k p r o j e c t i o n i mag i n g . a . A p p l i c a t i o n o f g r a d i e n t b . A p p l i c a t i o n o f g r a d i e n t G c . A p p l i c a t i o n o f G p l u s G x y 2 . T w o - D i m e n s i o n a l F o u r i e r T r a n s f o r m a t i o n ( 2 D F T ) T h e i d e a o f u s i n g F o u r i e r m e t h o d s i n i m a g i n g was i n t r o d u c e d b y K u m a r , W e l t i a n d E r n s t i n 1 9 7 5 1 9 . 2DFT i m a g i n g i s a s p e c i f i c e x a m p l e o f a b r o a d e r c l a s s o f NMR 20 t e c h n i q u e s known a s 2DFT s p e c t r o s c o p y . A n e x a m p l e o f a p u l s e a n d g r a d i e n t s e q u e n c e u s e d f o r 2DFT i m a g i n g i s s h o w n i n F i g u r e 2 . I f t h e i m a g i n g m e t h o d o f p l a n e s e l e c t i o n i s u s e d , t h e e x p e r i m e n t b e g i n s w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f a 180* R F S l i c e S e l e c t G r a d i e n t R e a d G r a d i e n t P h a s e E n c o d i n g . G r a d i e n t D a t a C o l l e c t W I «5*» - J l " 1 — ~ ~ < J f ~ 1 \ J \ 1_ F i g u r e 2 : Two d i m e n s i o n a l F o u r i e r t r a n s f o r m p u l s e a n d g r a d i e n t s e q u e n c e . s e l e c t i v e 9 0 ° RF p u l s e t o g e t h e r w i t h a s l i c e s e l e c t g r a d i e n t ( s e e p a g e 6 f o r d e s c r i p t i o n o f s l i c e s e l e c t i o n ) . D u r i n g d a t a a c q u i s i t i o n , a " r e a d " g r a d i e n t i s a p p l i e d , w h i c h f r e q u e n c y - e n c o d e s t h e s a m p l e u n d e r s t u d y a n d t h u s p r o v i d e s s p a t i a 1 i n f o r m a t i o n ; t h i s f u n c t i o n s i n t h e same way a s t h e g r a d i e n t s u s e d i n t h e L a u t e r b u r m e t h o d . I n a d d i t i o n , a phase encoding g r a d i e n t i s a p p l i e d , p e r p e n d i c u l a r t o the f i r s t , and i t s amplitude i s incremented f o r each s u c c e s s i v e e x c i t a t i o n . The number o f these phase encoding increments chosen determines the 2D matrix s i z e and thus the r e s o l u t i o n (see Chapter 1). In a l l images o b t a i n e d f o r t h i s t h e s i s , 256 phase encoding increments were used. The observed s i g n a l S ( t ) can be w r i t t e n as S(t) - J/p(r)8(r,t)dxdy (3) where s ( r , t ) d x d y i s the c o n t r i b u t i o n from the area dxdy, volume averaged over the s l i c e t h i c k n e s s , a t p o s i t i o n r , and p( r ) i s the s p i n d e n s i t y . The area dxdy i s r e f e r r e d t o as a p i x e l . The 2DFT o f S ( t ) i s gi v e n by S(w) = S (w x ,a ) y ) ( 4 ) such t h a t S(u>) - J/S(t)exp(-iu)t)dt xdt y (5) For f u r t h e r d e t a i l s , the reader i s r e f e r r e d t o M a n s f i e l d and • 21 Morris Imaging methods may a l s o be d i v i d e d i n t o groups depending on whether they r e c e i v e s i g n a l from one p o i n t a t a 22 23 24 time , from a 1ine , or from the whole sample SI i c e S e l e c t i o n The two imaging methods d e s c r i b e d above p r o v i d e s p a t i a l d i s c r i m i n a t i o n a l o n g the x, y-axes o f the o b j e c t . For an o b j e c t o f f i n i t e l ength, the r e s u l t a n t image r e p r e s e n t s the 6 p r o j e c t i o n o f a l l t h e s p i n - d e n s i t i e s o n t o a n o m i n a l p l a n e . C l e a r l y , i t i s n e c e s s a r y t o h a v e a means f o r s e l e c t i n g a s l i c e o f known t h i c k n e s s a t a n y p o s i t i o n w i t h i n t h e o b j e c t . T h i s t e c h n i q u e o f s e l e c t i v e e x c i t a t i o n o r s l i c e s e l e c t i o n was f i r s t p r o p o s e d b y G a r r o w a y , G r a n n e l 1 a n d M a n s f i e l d i n 1 9 7 4 2 5 . C o n s i d e r t h e i r r a d i a t i o n o f a t h i n c r o s s - s e c t i o n a l a r e a p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d , B Q ( F i g u r e 3 ) . I f a l i n e a r m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t i s a p p l i e d i n t h e B q d i r e c t i o n , t h e a b s o r p t i o n f r e q u e n c y i s a f u n c t i o n o f p o s i t i o n i n t h i s d i r e c t i o n . I r r a d i a t i o n w i t h a p u l s e c o n t a i n i n g a n a r r o w b a n d o f f r e q u e n c i e s w i l l t h e n e x c i t e o n l y t h e d e s i r e d c r o s s - s e c t i o n a s s h o w n i n F i g u r e 3 . Narrow band of RF 7 I t i s d e s i r a b l e t h a t the p h y s i c a l domain o f the e x c i t e d s l i c e be r e c t a n g u l a r in c r o s s s e c t i o n . To implement t h i s , a r e c t a n g u l a r enve lope o f f r e q u e n c i e s must be a p p l i e d t o the sample; in t u r n , t h i s r e q u i r e s use o f a s i n c - s h a p e d p u l s e in the t i me doma i n. In p r a c t i c e , the s i n e f u n c t i o n must be t r u n c a t e d s i n c e i t extends t o i n f i n i t y . The r e s u l t o f t h i s i s some d i s t o r t i o n in the f r e q u e n c y - e n v e l o p e . These d i s t o r t i o n s can be min imized by w e i g h t i n g the t ime domain w i t h a damping f u n c t i o n , t y p i c a l l y a Gauss ian f u n c t i o n . The r e s u l t i n g RF p u l s e shape used f o r NMR imaging i s shown in F i g u r e 4, t o g e t h e r w i t h i t s F o u r i e r t r a n s f o r m . F i g u r e 4: S e l e c t i v e r a d i o - f r e q u e n c y p u l s e in the t ime domain and i t s F o u r i e r t r a n s f o r m . The response o f the n u c l e i w i t h i n t h i s s l i c e can be d e s c r i b e d as f o l l o w s . The e f f e c t i v e f i e l d e x p e r i e n c e d by the n u c l e i (B e ^^) i s g i v e n by e q u a t i o n 6. 8 B e f f - B x + GZ ( 6 ) In the absence o f the g r a d i e n t and assuming a s u f f i c i e n t l y intense B j , -the n u c l e a r moments would precess i n phase. However, due t o the presence o f the g r a d i e n t , n u c l e i a t d i f f e r e n t p o s i t i o n s a l o n g B Q w i l l e x perience d i f f e r e n t l o c a l f i e l d s . T h i s r e s u l t s i n a l o s s o f phase coherence a t the end o f the 90° RF p u l s e . However, i t can be shown f o r a 90° RF p u l s e t h a t t h i s v a r i a t i o n i n phase with z i s approximately l i n e a r , and thus phase coherence can be recovered by z - g r a d i e n t r e v e r s a l f o r a length o f time approximately h a l f t h a t o f the i r r a d i a t i n g p u l s e . The f u l l sequence o f events f o r s l i c e s e l e c t i o n a r e shown in F i g u r e 2. The s l i c e t h i c k n e s s i s determined by the magnitude o f the magnetic f i e l d g r a d i e n t used, and the frequency bandwidth o f the s e l e c t i v e RF p u l s e . In December 1982, the prototype whole body NMR imaging system o f P i c k e r I n t e r n a t i o n a l was i n s t a l l e d i n the Extended Care U n i t o f the Health S c i e n c e s Centre H o s p i t a l on the U n i v e r s i t y o f B r i t i s h Columbia (UBC) campus. T h i s system i s p a r t o f the Imaging Research Centre, which a l s o i n c l u d e s a CT X-ray scanner and P o s i t r o n Emission Tomograph. The NMR imaging system c o n s i s t s o f an Oxford Instruments superconducting magnet, with a room temperature bore o f 1 metre, o p e r a t i n g a t a s t a t i c magnetic f i e l d s t r e n g t h o f 0.15 T e s l a (proton resonance frequency, 6.4 MHz). The system i s 9 i n t e r f a c e d w i t h a P e r k i n E l m e r c o m p u t e r , a n d a l 1 o p e r a t i o n a l s o f t w a r e i s w r i t t e n b y P i c k e r I n t e r n a t i o n a l ( s e e A p p e n d i x I f o r m o r e d e t a i l s ) . P a t i e n t s c a n n i n g f o r c l i n i c a l r e s e a r c h h a s b e e n c a r r i e d o u t o n a v o l u n t e e r b a s i s , s i n c e NMR i m a g i n g s y s t e m s h a v e n o t y e t b e e n a p p r o v e d a s d i a g n o s t i c t o o l s i n C a n a d a . T i m e h a s a l s o b e e n a v a i l a b l e f o r s c i e n t i f i c r e s e a r c h . T h e UBC i n s t r u m e n t makes u s e o f t h e i m a g i n g m e t h o d o f p l a n e s e l e c t i o n . The f i r s t s o f t w a r e p a c k a g e a v a i l a b l e t o t h e u s e r o n l y c o n t a i n e d t h e t e c h n i q u e o f f i l t e r e d b a c k p r o j e c t i o n f o r o b t a i n i n g a n i m a g e ; h o w e v e r s u b s e q u e n t p a c k a g e s a l s o c o n t a i n e d s o f t w a r e f o r i m a g i n g u s i n g t w o - d i m e n s i o n a l F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n . A number o f d i f f e r e n t p u l s e s e q u e n c e s a r e a v a i l a b l e f o r u s e o n t h e P i c k e r I n t e r n a t i o n a l s y s t e m , f o r e x a m p l e : 1. I n v e r s i o n - r e c o v e r y ( 1 8 0 o _ T - 9 0 ° - D a t a a c q u i s i t i o n - D e 1 a y - ) n F o r t h i s s e q u e n c e a 1 8 0 ° RF p u l s e i s u s e d t o i n v e r t t h e e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n , M a l o n g t h e z - a x i s t o t h e - z - d i r e c t i o n , i . e . M 2 = - M Q . S p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t h e n t a k e s p l a c e a n d t h e m a g n e t i z a t i o n a l o n g z i s g r a d u a l l y r e s t o r e d t o M Q ( s e e F i g u r e 5 ) . A p p l i c a t i o n o f a 9 0 ° R F p u l s e a t t i m e t a u ( i ) a f t e r t h e 1 8 0 ° p u l s e w i l l t h e n t i p a n y m a g n e t i z a t i o n a l o n g z i n t o t h e x ' y ' p l a n e , w h i c h w i l l i n d u c e a s i g n a l i n t h e r e c e i v e r c o l l , t h e a m p l i t u d e o f w h i c h i s g i v e n b y e q u a t i o n 7 . I - y i - ^ x p C - T / T ^ ) (7) 10 'A i Bo b 2 A Bo 180V r c j •A :Bo s. Duringt d 3 X r BO 90V 41* F i g u r e 5: Vector diagrams demonstrating the e f f e c t s o f an i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e sequence on a spin-system. A p l o t o f s i g n a l amplitude versus i g i v e s an exponential r e c o v e r y curve l i k e t h a t shown in F i g u r e 6. The r e t u r n o f the m a g n e t i z a t i o n t o i t s e q u i l i b r i u m s t a t e i s dependent on the s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n time, T . The magnetic i n t e r a c t i o n s g i v i n g r i s e t o t h i s r e l a x a t i o n a re c o n s i d e r e d in more d e t a i l i n Chapter 2. The a c t u a l i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e sequence used on the whole body imaging system i s given by equation 8. 1 1 -Mo F i g u r e 6: P l o t o f i n t e n s i t y versus t a u , the i n t e r - p u l s e d e l a y , f o r an i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e sequence. (-180°-T-90°-t-180-t-Data a q u i s i t i o n - ) n (8) The reasons f o r having the second 180° RF p u l s e and i t s i m p l i c a t i o n s a re d e a l t with i n Chapter 2. 2. Spin-echo (90°—t-180°—r.-Data Acqu i s i t i on-De lay-) n At t h i s j u n c t u r e i t seems a p p r o p r i a t e t o int r o d u c e the 27 concept o f the spin-echo . It w i l l a l s o be c o n s i d e r e d again i n Chapter 2. The use o f t h i s p u l s e sequence i s more c l e a r l y understood by c o n s i d e r i n g the v e c t o r diagrams i n F i g u r e 7. A f t e r the 90° RF p u l s e (along x ' i n the r o t a t i n g frame o f r e f e r e n c e ) the magnetization M Q i s turned i n t o the x'y' plane along y'. i . e . the i n d i v i d u a l protons precess about z 12 At time 2t after 90*x- F i g u r e 7: S p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . S c h e m a t i c d i a g r a m s s h o w i n g f o r m a t i o n o f t h e e c h o . 13 i n the xy plane o f the l a b o r a t o r y frame o f r e f e r e n c e ( F i g u r e 7b). The protons then dephase r e l a t i v e t o each o t h e r due t o the magnetic f i e l d inhomogeneities and s p i n - s p i n r e l a x a t i o n . Some protons w i l l precess f a s t e r than u and some slower o ( F i g u r e 7 c ) . The s p i n - s p i n r e l a x a t i o n time, 1^, d e s c r i b e s the phase memory o f the s p i n system and hence the decay o f magn e t i z a t i o n i n a p a r t i c u l a r d i r e c t i o n i n the x'y' plane a f t e r a p p l i c a t i o n o f the 90° RF p u l s e . I f a 180° RF p u l s e i s a p p l i e d a l o n g x' a t a time x a f t e r the 90° p u l s e , the protons w i l l now be r o t a t e d 180° about x' and those t h a t were r o t a t i n g c l o c k w i s e i n the x'y' plane w i l l r o t a t e c o u n t e r c l o c k w i s e and v i c e versa ( F i g u r e 7d). A f u r t h e r time x a f t e r the 180° p u l s e , the i n d i v i d u a l protons w i l l c r o s s the -y' a x i s t o g e t h e r , and a negative s i g n a l w i l l b u i l d up and decay in the r e c e i v e r c o i l ( t h i s i s the "echo"), a f t e r t h i s the protons w i l l c o ntinue t o dephase. The i n v e r t i n g 180° p u l s e c a n c e l s out any s t a t i c magnetic f i e l d inhomogeneity e f f e c t s and i n t h i s way the amplitude o f the spin-echo i s dependent o n l y on and x. The amplitude o f the spin-echo f o r a given t-value i s shown i n equation 9. R(2T) = Zo e xP<- 2*/T 2) (9) I f , however, molecular d i f f u s i o n takes p l a c e between the 90° and 180 p u l s e s , then the echo amplitude w i l l be a f f e c t e d by 2 8 the d i f f e r e n t magnetic f i e l d s experienced by i n d i v i d u a l protons as they move. The echo amplitude i s then g i v e n by equat ion 10, 14 I (2T) Xo e xP<- 2 T/ T 2) e x P < - I Y 2G 2Dx 3) (10) w h e r e G i s t h e s p a t i a l m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t a n d D i s t h e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t . I n t h e a b s e n c e o f t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n , a p l o t o f e c h o a m p l i t u d e v e r s u s 2t g i v e s a n e x p o n e n t i a l p l o t l i k e t h a t s h o w n i n F i g u r e 8 . F i g u r e 8 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s 2 t a u f o r a s p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . 3 . F r e e I n d u c t i o n D e c a y ( 9 0 ° - D a t a a c q u i s i t i o n - D e 1 a y - ) n In t h i s p u l s e s e q u e n c e , a f t e r t h e 9 0 ° RF p u l s e t h e e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n , M Q, i s t u r n e d i n t o t h e x ' y ' p l a n e a n d s a m p l e d a l m o s t i m m e d i a t e l y . The s i g n a l a m p l i t u d e i s g i v e n b y e q u a t i o n 1 1 . 1 = 1 (l-exp(-TR/T.)) (11) o J- 15 F o r a l l t h r e e p u l s e s e q u e n c e s d e s c r i b e d a b o v e , t h e t i m e b e t w e e n s u c c e s s i v e r e a p p l i c a t i o n s o f t h e e n t i r e s e q u e n c e i s r e f e r r e d t o a s t h e r e p e a t t i m e ( T R ) . The a p p e a r a n c e o f t h e NMR image i s d e p e n d e n t o n a number o f p a r a m e t e r s o f t h e o b j e c t ; n a m e l y , s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t i m e ( T j ) , s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e ( T 2 ) , s p i n - d e n s i t y ( p ) , d i f f u s i o n (D) a n d f l o w . I t a l s o d e p e n d s o n t h e p u l s e s e q u e n c e u s e d t o o b t a i n t h e i m a g e , w h i c h i s c h o s e n t o p r o v i d e a n i m a g e i n w h i c h t h e d i s p l a y e d i n t e n s i t y i s w e i g h t e d t o w a r d s o n e o f t h e o b j e c t p a r a m e t e r s . F o r e x a m p l e , t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e s e q u e n c e p r o v i d e s a n image 2 9 w h i c h i s T j w e i g h t e d t a n d t h e c o n t r a s t o b s e r v e d b e t w e e n d i f f e r e n t a r e a s o f t h e o b j e c t i s m a i n l y d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n t h e i r T j - v a l u e s . T h i s c a n b e e x p l a i n e d a s f o l l o w s : f o r a g i v e n t - v a l u e , a r e a s o f d i f f e r e n t T j w i l l h a v e r e c o v e r e d d i f f e r e n t m a g n i t u d e s o f z - m a g n e t i z a t i o n : t h u s o * when t h e 90 s a m p l i n g p u l s e i s a p p l i e d t o o b s e r v e t h e s i g n a l s , a r e a s o f d i f f e r e n t T w i l l h a v e d i f f e r e n t i n t e n s i t y . A s a s e c o n d e x a m p l e , t h e F r e e I n d u c t i o n D e c a y s e q u e n c e p r o v i d e s a n i m a g e w h i c h i s m a i n l y d e p e n d e n t o n t h e 30 s p i n d e n s i t y » p , o r i n o t h e r w o r d s , t h e number o f p r o t o n s p r e s e n t i n a n y p a r t o f t h e s a m p l e . T h i s i s e a s i l y e x p l a i n e d , s i n c e t h i s s e q u e n c e m e r e l y s a m p l e s t h e e q u i l i b r i u m z - m a g n e t i z a t i o n . H o w e v e r , i f t h e d e l a y b e t w e e n d a t a a c q u i s i t i o n a n d r e a p p 1 i c a t i o n o f t h e 9 0 ° p u l s e i s n o t s u f f i c i e n t l y l o n g f o r a l l p r o t o n s t o r e l a x b a c k t o 1 6 e q u i l i b r i u m , t h e n t h e i m a g e w i l l a l s o d i s p l a y some d e g r e e o f T j d e p e n d e n c e . S p i n - s p i n r e l a x a t i o n may a l s o o c c u r b e t w e e n t h e 9 0 ° p u l s e a n d d a t a a c q u i s i t i o n , r e s u l t i n g i n a n image w h i c h a l s o h a s a d e p e n d e n c e o n T _ . In v i v o NMR i m a g e s c a n now be o b t a i n e d w i t h e x q u i s i t e a n a t o m i c a l d e t a i l ( F i g u r e 9 ) . W i t h t h i s a c h i e v e d , t h e n e x t F i g u r e 9 : S a g i t t a l image o f a human h e a d o b t a i n e d u s i n g a s p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e . g o a l i s t o q u a n t i f y NMR p a r a m e t e r s measured j_n v i vo, i n t h e hope t h a t t h e y c a n p r o v i d e a m e t h o d o f t i s s u e 31 32 c h a r a c t e r i z a t i o n ' . I n a d d i t i o n , i t i s o n l y w i t h t h e h e l p o f q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s t h a t t h e r e i s a n y c h a n c e o f d i f f e r e n t i a t i n g b e t w e e n d i f f e r e n t t y p e s o f p a t h o l o g y w h i c h a p p e a r v i s u a l l y i d e n t i c a l o n t h e NMR i m a g e . 17 T h e s i s O b j e c t i v e s 1. To d e t e r m i n e w h e t h e r i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n v a l u e s o f t h e s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t i m e , w h i c h a r e r e p r o d u c i b l e a n d h a v e a c c e p t a b l e e r r o r s , u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f t h e I m a g i n g e x p e r i m e n t . The e f f e c t s o f v a r y i n g t h e i m a g i n g c o n d i t i o n s o n t h e v a l u e s o b t a i n e d w i l l a l s o be e x a m i n e d . 2. T o d e t e r m i n e w h e t h e r i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n v a l u e s o f t h e s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e , w h i c h a r e r e p r o d u c i b l e a n d h a v e a c c e p t a b l e e r r o r s , u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f t h e i m a g i n g e x p e r i m e n t . 3 . To a p p l y q u a n t i t a t i v e NMR i m a g i n g j_n v i v o a n d d e t e r m i n e w h e t h e r i t i s f e a s i b l e t o u s e t h e s p i n - l a t t i c e a n d s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e s t o d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n p a t h o l o g y w h i c h a p p e a r s v i s u a l l y s i m i l a r o n t h e NMR i m a g e . I n a d d i t i o n t o t h e u s u a l p r o b l e m s o f q u a n t i t a t i v e NMR m e a s u r e m e n t s , t h e c o n d i t i o n s o f t h e i m a g i n g e x p e r i m e n t i n t r o d u c e f u r t h e r p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r , n a m e l y : 1. I n h o m o g e n e i t y o f t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d ( B Q ) a n d t h e RF f i e l d ( B j ) . I n i m a g i n g , t h e u s e o f l a r g e b o r e m a g n e t s means t h a t f i e l d i n h o m o g e n e i t i e s a r e d i f f i c u l t t o o v e r c o m e . I f t h e s e i n h o m o g e n e i t i e s a r e l a r g e , t h e y w o u l d g i v e r i s e t o a r a n g e o f r e l a x a t i o n t i m e s , s i n c e t h e y a r e f i e l d d e p e n d e n t . 2. M a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t n o n - l i n e a r i t y . T h i s c a u s e s d i s t o r t i o n i n t h e i m a g e . 18 3. S l i c e s e l e c t i o n . T h i s i n t r o d u c e s the problem o f volume a v e r a g i n g which i s d i s c u s s e d in d e t a i l in Chapter 2. 4. S p a t i a l r e s o l u t i o n . T h i s w i l l de termine the s m a l l e s t a r e a which can be s t u d i e d . 5. R e p r o d u c i b i l i t y . I f q u a n t i t a t i v e measurements a r e t o be o f d i a g n o s t i c use t h e y must be r e p r o d u c i b l e over t i m e . 6. Methods o f R e c o n s t r u c t i o n . These can a f f e c t t h e appearance o f the image and i n t r o d u c e a m b i g u i t i e s in the observed i n t e n s i t i e s . 7. So f tware L i m i t a t i o n s . C e r t a i n parameters (such as TR) have l i m i t s , which can a f f e c t the outcome o f a c c u r a t e q u a n t i t a t i v e measurements. At the o u t s e t , t h e s t r a t e g y o f t h i s work was t o c a r r y out q u a n t i t a t i v e measurements on s imp le sys tems , then p r o g r e s s t o more complex ones . T h i s proved t o be an u n e x p e c t e d l y d i f f i c u l t t a s k . I n i t i a l l y , much t ime was expended t o o b t a i n s p a c i a l l y encoded x s p e c t r a ' u s i n g F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n o f s i n g l e p r o j e c t i o n s from back p r o j e c t i o n data s e t s ( F i g u r e 10) o f v i a l s c o n t a i n i n g water doped w i th v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f c o p p e r ( I I ) s u l p h a t e (CuSO^). The i n t e n t i o n was t h a t the s i g n a l i n t e n s i t i e s f rom t h e s e * s p e c t r a ' c o u l d be used f o r c a l c u l a t i o n o f T J t w i thout a r t e f a c t s from any subsequent imaging o p e r a t i o n . It was expected t h a t i f the i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e sequence was used , t h e n , as d e s c r i b e d e a r l i e r , p o s i t i v e and n e g a t i v e s i g n a l i n t e n s i t i e s would be o b s e r v e d , depending on the 19 F i g u r e 1 0 : F o u r i e r t r a n s f o r m o f a s i n g l e p r o j e c t i o n i n b a c k p r o j e c t i o n i m a g i n g . r e l a x a t i o n t i m e o f t h e s a m p l e u n d e r s t u d y a n d t h e c h o i c e o f t - v a l u e . H o w e v e r , when i n p r a c t i c e a s i n g l e c o n c e n t r a t i o n was s t u d i e d u s i n g a r a n g e o f i - v a l u e s , t h e o b s e r v e d s i g n a l i n t e n s i t i e s w e r e a l w a y s f o u n d t o be p o s i t i v e . T h i s i m p l i e d t h a t t h e a b s o l u t e s i g n o f s i g n a l i n t e n s i t i e s a r o u n d t h e n u l l p o i n t was i n s e r i o u s d o u b t , a n d c o u l d a f f e c t t h e v a l u e o f T j o b t a i n e d . I n a d d i t i o n , when s e t s o f d i f f e r e n t s o l u t i o n s w e r e s t u d i e d s i m u l t a n e o u s l y , f l u c t u a t i o n s i n s i g n a l s i g n s f o r i n d i v i d u a l s o l u t i o n s w e r e o b s e r v e d a n d p h a s e e r r o r s w e r e a p p a r e n t . A n e x a m p l e i s s h o w n i n F i g u r e 1 1 . I n a n a t t e m p t t o u n d e r s t a n d t h e s e p h e n o m e n a , w h i c h t h e m a n u f a c t u r e r s , P i c k e r I n t e r n a t i o n a l , c o u l d n o t e x p l a i n , v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f s o l u t i o n s d o p e d w i t h C u S O ^ w e r e s t u d i e d . I t b ecame a p p a r e n t t h a t t h e p h e n o m e n a a r o s e f r o m t h e m e t h o d s o f p h a s i n g a n d r e c o n s t r u c t i o n e m p l o y e d b y P i c k e r I n t e r n a t i o n a l . T h e s e p r o b l e m s a r e c o n s i d e r e d i n d e t a i l i n C h a p t e r 1. T h a t c h a p t e r a l s o e v a l u a t e s some o f t h e o t h e r s o u r c e s o f e r r o r 20 W W F i g u r e 1 1 : F o u r i e r t r a n s f o r m o f a s i n g l e p r o j e c t i o n i n b a c k p r o j e c t i o n i m a g i n g s h o w i n g p h a s e e r r o r s . m e n t i o n e d p r e v i o u s l y , s u c h a s B Q i n h o m o g e n e i t y , u s i n g p h a n t o m s c o n t a i n i n g w a t e r d o p e d w i t h p a r a m a g n e t i c i o n s . O n c e t h e b e h a v i o u r o f t h e i n s t r u m e n t was u n d e r s t o o d , q u a n t i t a t i v e T j a n c j m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t o n t h e s e s i m p l e s y s t e m s . T h e e f f e c t o f t h e i m a g i n g c o n d i t i o n s o n t h e v a l u e s o b t a i n e d was s t u d i e d , a n d c o m p l e t e e r r o r a n a l y s e s c a r r i e d o u t o n a l 1 t h e r e s u l t s . T h e u l t i m a t e g o a l o f t h e s t u d i e s w a s , o f c o u r s e , q u a n t i t a t i v e a p p l i c a t i o n s J_n v i v o . T h e a b i l i t y t o c a r r y o u t q u a n t i t a t i v e NMR m e a s u r e m e n t s j_n v i v o i s a d i f f i c u l t t a s k . T h e r e a r e a number o f r e a s o n s f o r t h i s : 1. The m a m m a l i a n c e l l c o m p o s i t i o n a n d e n v i r o n m e n t I s v e r y c o m p l e x a n d I s n o t s t a t i c . 2 . W a t e r e x i s t s i n m o r e t h a n o n e s t a t e w i t h i n c e l l s 3 4 , a n d i f t h e r e I s s l o w e x c h a n g e o n t h e NMR t i m e s c a l e , c o n t r i b u t i o n s may come f r o m e a c h s e p a r a t e s t a t e g i v i n g r i s e 21 c o n t r i b u t i o n s may come f r o m e a c h s e p a r a t e s t a t e g i v i n g r i s e 35 t o m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r • T h i s means t h a t t h e r e s u l t a n t s i g n a l i n t e n s i t y c a n be t h e sum o f s i g n a l i n t e n s i t i e s f r o m t h e v a r i o u s c o m p a r t m e n t s h a v i n g d i f f e r e n t r e l a x a t i o n p r o p e r t i e s . T h i s i s c o n s i d e r e d i n m o r e d e t a i l i n C h a p t e r 2. 3. M o b i l e f a t p r o t o n s may c o n t r i b u t e t o t h e NMR s i g n a l , a g a i n g i v i n g r i s e t o m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r s i n c e t h e p r o t o n s o f f a t a n d w a t e r t y p i c a l l y h a v e d i f f e r e n t r e l a x a t i o n r a t e s , b u t v i r t u a l l y i d e n t i c a l r e s o n a n c e f r e q u e n c i e s a t t h e l o w m a g n e t i c f i e l d s t r e n g t h u s e d i n i mag i n g . T h e s e o b s t a c l e s p r e s e n t a r e a l c h a l l e n g e . C h a p t e r 3 d e s c r i b e s t h e f i r s t u s e o f q u a n t i t a t i v e NMR i m a g i n g t o s t u d y t h e d e v e l o p m e n t o f E x p e r i m e n t a l A l l e r g i c E n c e p h a l o m y e l i t i s 36 ( E A E ) , a w e l1 d o c u m e n t e d a n i m a l m o d e l f o r M u l t i p l e 37 S c l e r o s i s (MS) , i n p r i m a t e s . EAE was i n d u c e d i n a M a c a c a f a s c i c u 1 a r i s m o n k e y , a n d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s e a s e was f o l l o w e d u s i n g q u a n t i t a t i v e NMR i m a g i n g . The d i s e a s e g i v e s r i s e t o a b n o r m a l a r e a s i n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m (CNS) w h i c h a r e s i m i l a r t o t h o s e o b s e r v e d i n humans w i t h M S . 38 T h e s e a b n o r m a l a r e a s a p p e a r b r i g h t o n a s p i n - e c h o image- 3 39 a n d d a r k o n a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e , d u e t o t h e e l e v a t i o n i n t h e i r 1^ a n d T j v a l u e s r e s p e c t i v e l y . Q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t o n t h e m o n k e y ' s b r a i n f r o m t h e d a y o f d e t e c t i o n o f t h e d i s e a s e u n t i l d e a t h . 22 m o r t e m , a n d t h e T j a n d j £ v a i u e s . T h e s e s t u d i e s h a v e a l r e a d y s h o w n NMR i m a g i n g t o b e a p o w e r f u l t o o l i n t h e s t u d y o f EAE I n p r i m a t e s , a n d t h e f u t u r e l o o k s p r o m i s i n g f o r e x t r a p o l a t i n g t h e f i n d i n g s t o t h e s t u d y o f MS i n h u m a n s . 23 CHAPTER 1 E V A L U A T I O N OF THE INSTRUMENT I n p r e p a r a t i o n f o r c a r r y i n g o u t q u a n t i t a t i v e NMR m e a s u r e m e n t s o n t h e w h o l e b o d y NMR i m a g i n g i n s t r u m e n t , i t i s i m p o r t a n t t h a t i t s mode o f o p e r a t i o n b e f u l l y u n d e r s t o o d ; t h e f o l l o w i n g e v a l u a t i o n p r o v i d e d t h e n e c e s s a r y I n f o r m a t i o n f o r m e a s u r i n g t h e NMR p a r a m e t e r s o f I n t e r e s t I n t h i s w o r k . T h e e f f e c t s o f f i e l d 1 n h o m o g e n e i t y o n t h e q u a l i t y o f i m a g e s o b t a i n e d u s i n g t h e i n s t r u m e n t w e r e e x a m i n e d . T h i s p r o v i d e d a n u m e r i c a l v a l u e f o r t h e h o m o g e n e o u s v o l u m e a t t h e c e n t r e o f t h e m a g n e t . W i t h i n t h i s v o l u m e , t h e s m a l l e s t o b j e c t w h i c h c o u l d b e I d e n t i f i e d was t h e n d e t e r m i n e d . T h i s i s r e f e r r e d t o a s t h e s p a t i a l r e s o l u t i o n . T h e e f f e c t s o f a u t o m a t i c s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t o r , a n d t h e m e t h o d s o f p h a s i n g a n d r e c o n s t r u c t i o n u s e d o n t h e i n s t r u m e n t w e r e s t u d i e d . T h e p r o b l e m s t h e y I n t r o d u c e d w e r e i d e n t i f i e d a n d e x p l a i n e d , t h e r e b y a l l o w i n g u s e f u l q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s t o be c a r r i e d o u t o n t h i s i n s t r u m e n t . T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e p r o c e s s o f e v a l u a t i o n i n d e t a i l . a . S t a t i c M a g n e t i c F i e l d I n h o m o g e n e i t y a n d R a d 1 o f r e g u e n c y F i e l d I n h o m o g e n e i t y T h e u s u a l m e t h o d a d o p t e d f o r s t u d y i n g t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e s e f i e l d s i n v o l v e s p l o t t i n g t h e m o n a 24 p o i n t b y p o i n t b a s i s , w h i c h i s t i m e c o n s u m i n g . I t was t h e r e f o r e d e c i d e d t o c o n s t r u c t p h a n t o m s w h i c h c o u l d p r o v i d e a n i n d i c a t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d i n h o m o g e n e i t y , A B q , a n d t h e r a d i o f r e q u e n c y f i e l d i n h o m o g e n e i t y , AB j . T h e s e p h a n t o m s c o n s i s t e d o f e q u a l l y s p a c e d 1 cm d i a m e t e r g l a s s t u b e s c o n t a i n i n g w a t e r d o p e d w i t h C u S 0 4 , a s s h o w n i n F i g u r e 1 2 . U s i n g t h e i n s t r u m e n t r- o U~ i 10 20 —r- 30 40 1 cm F i g u r e 1 2 : D i a g r a m o f p a r a l l e l t u b e p h a n t o m f o r s t u d y i n g m a g n e t i c f i e l d i n h o m o g e n e i t y . t r a n s m i t t e r c o i l , w h i c h i s a l s o u s e d f o r b o d y i m a g i n g , 10 mm a n d 20 mm s l i c e i m a g e s w e r e o b t a i n e d u s i n g t h e F r e e I n d u c t i o n D e c a y s e q u e n c e ( F I D ) shown i n F i g u r e 1 3 . Images w e r e o b t a i n e d i n a l l t h r e e o r i e n t a t i o n s , x y , x z a n d y z , u s i n g a 256 x 256 d a t a m a t r i x . An e x a m p l e o f t h e s e i m a g e s , t a k e n i n t h e x z p l a n e , i s s h o w n i n F i g u r e 14 . D i s t o r t i o n s 25 90* Slice Select Gradient Read Gradient Phase Encoding Gradient Data Collect F i g u r e 13: Free Induction Decay (FID) p u l s e and g r a d i e n t sequence. in the images o f the g l a s s tubes represent A B Q and/or g r a d i e n t n o n - l i n e a r i t y , A G . The d i s t o r t i o n s are observed on F i g u r e 14: FID image of p a r a l l e l tube phantom in the xz plane. 26 t h e p e r i p h e r y o f t h e i m a g e w h i c h s h o w s t h a t , a s e x p e c t e d , AG a n d A B Q b ecome s i g n i f i c a n t l y l a r g e r a s o n e m o v e s a w a y f r o m t h e c o i l c e n t r e . V a r i a t i o n i n t h e i n t e n s i t y a c r o s s t h e image p r o v i d e s i n f o r m a t i o n o n A B j . i m p e r f e c t p u l s e s w i l l r e s u l t i n a v a r i a t i o n i n i n t e n s i t y i n t h a t r e g i o n o f t h e i m a g e . F i g u r e 15 i s a p l o t o f i n t e n s i t y a s a f u n c t i o n o f d i s t a n c e a l o n g t h e x - d i r e c t i o n ; i t d e m o n s t r a t e s c l e a r l y how t h e i n t e n s i t y v a r i e s . 1 — z — i — » s~ 7 Distance (cm) F i g u r e 1 5 : P l o t o f i n t e n s i t y a s a f u n c t i o n o f d i s t a n c e a l o n g t h e x - d i r e c t i o n . E x a m i n a t i o n o f a l 1 t h e s e i m a g e s t o g e t h e r i n d i c a t e s t h a t a v o l u m e o f 12100 cm^ a t t h e c e n t r e o f t h e c o i l i s h o m o g e n e o u s , a n d s h o u l d p r o v i d e g o o d q u a l i t y i m a g e s a n d c o n s i s t e n t q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s . V a r i a t i o n s i n p u l s e l e n g t h a c r o s s t h i s r e g i o n c a n b e c o r r e c t e d f o r i n t h e d a t a p r o c e s s i n g . O u t s i d e t h i s r e g i o n t h e h o m o g e n e i t y 27 d e t e r i o r a t e s , a n d a l t h o u g h q u a l i t a t i v e l y u s e f u l i m a g e s c a n b e o b t a i n e d o u t t o 4 5 cm i n d i a m e t e r a n d o f 45 cm a l o n g t h e m a g n e t a x i s , i n t e n s i t y a n d s p a t i a l d i s t o r t i o n s a r e b o t h p r e v a 1 e n t . b . S p a t i a 1 R e s o l u t i o n A s i m p l e p h a n t o m was c o n s t r u c t e d t o d e t e r m i n e t h e s p a t i a l r e s o l u t i o n o f t h e i n s t r u m e n t u s e d . I t c o n s i s t e d o f 180 ' 180* RF J IBCf 7 1 8*o» Select Gradient Read G r a d i e n t P n a s e Cncod inQ G r a d i e n t Data Collect J L F i g u r e 1 6 : I n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e a n d g r a d i e n t s e q u e n c e . m e l t i n g - p o i n t c a p i l l a r y t u b e s f i l l e d w i t h t w o d i f f e r e n t s o l u t i o n s o f C u S 0 4 ? r j . 9 9 mM a n d 2 . 5 4 mM, r a n d o m l y a r r a n g e d i n v i a l s o f 2 cm d i a m e t e r . 10 mm h o r i z o n t a l s l i c e Images w e r e t h e n o b t a i n e d u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y s e q u e n c e g i v e n I n F i g u r e 1 6 . A s c a n b e s e e n I n t h e Image I n F i g u r e 28 1 7 , i t a p p e a r s t h a t i n d i v i d u a l c a p i l l a r y t u b e s c a n be i d e n t i f i e d w h i c h s u g g e s t s t h a t 1 mm r e s o l u t i o n i s I 1 ' 1 « 1 • 1 ' 1 1 0 2 4 6 8 cm F i g u r e 1 7 : I n v e r s i o n - r e c o v e r y image o f c a p i l l a r y t u b e p h a n t o m . a t t a i n a b l e . H o w e v e r , i t i s p o s s i b l e t h a t t h e s i g n a l i n t e n s i t y o b s e r v e d i n a s i n g l e p i x e l i s a r i s i n g f r o m more t h a n o n e t u b e . A s e c o n d p h a n t o m was t h e r e f o r e c o n s t r u c t e d , a n d i s shown i n F i g u r e 1 8 ; a l l d i m e n s i o n s a r e a s i n d i c a t e d . F i g u r e 1 8 : D i a g r a m o f r e s o l u t i o n p h a n t o m . 29 I n t h e image s h o w n i n F i g u r e 1 9 , t h e a r r o w i n d i c a t e s t h e r e s o l u t i o n o f t h e 1 mm p e r s p e x w a l l b e t w e e n t w o o f t h e XL F i g u r e 1 9 : S p i n - e c h o image o f r e s o l u t i o n p h a n t o m . a r e a s . T h i s d e m o n s t r a t e s t h a t 1 mm i s i n d e e d e a s i l y r e s o l v a b l e a n d t h e maximum r e s o l u t i o n p o s s i b l e i s somewha t l e s s t h a n t h i s . c . A t t e n u a t i o n The i n s t r u m e n t u s e d i n t h e s e s t u d i e s i s d e s i g n e d s u c h t h a t i t a u t o m a t i c a l l y c h a n g e s t h e i n p u t g a i n o f t h e RF r e c e i v e r i n o r d e r t o m a x i m i z e t h e s i g n a l t o b e d i g i t i z e d . T h i s i m p l i e s t h a t f o r a s e r i e s o f i n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e s w i t h a r a n g e o f - t - v a l u e s ( w h e r e t = p u l s e i n t e r v a l ) , t h e 30 a t t e n u a t i o n w i l l n o t b e c o n s t a n t a n d t h e I n t e n s i t i e s n o t d i r e c t l y c o m p a r a b l e . T h e i n s t r u m e n t , h o w e v e r , a l s o a l l o w s m a n u a l s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t o r . F o r a l l s t u d i e s i n t h i s t h e s i s , t h e a t t e n u a t i o n was s e t b a s e d o n t h e s i g n a l f r o m t h e F i g u r e 2 0 : P h a n t o m u s e d f o r s t u d y i n g a t t e n u a t i o n a n d f o r c a r r y i n g o u t T j a n d T 2 m e a s u r e m e n t s . s a m p l e u s i n g a s p i n - e c h o s e q u e n c e w i t h 2 t = 26 ms a n d TR = 5 s e c . I n o r d e r t o c h e c k w h e t h e r m a n u a l s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t i o n p r o v i d e s t h e same i n t e n s i t i e s a s a u t o m a t i c s e t t i n g , a s i m p l e e x p e r i m e n t was c a r r i e d o u t . T h e p h a n t o m s h o w n i n F i g u r e 2 0 , w h i c h c o n t a i n e d t h r e e s o l u t i o n s o f C u S O ^ , was p l a c e d i n t h e r e c e i v e r c o i l a n d t w o i m a g e s o b t a i n e d u s i n g t h e s p i n - e c h o s e q u e n c e w i t h Zi = 2 6 ms a n d TR = 5 s e c . T h e f i r s t i m a g e was o b t a i n e d w i t h a u t o m a t i c s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t o r , w h i c h g a v e 26 d e c i b e l s ( d B ) . T h e 3 1 s e c o n d i m a g e was t h e n o b t a i n e d b y m a n u a l l y s e t t i n g t h e a t t e n u a t i o n t o 26 d B . T h e i n t e n s i t i e s o b t a i n e d f o r e a c h s o l u t i o n a r e g i v e n i n T a b l e I . T a b l e I : I n t e n s i t i e s f r o m t w o s p i n - e c h o i m a g e s c o m p a r i n g m a n u a l a n d a u t o m a t i c s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t i o n . I n t e n s i t i e s a r e g i v e n a s t h e mean v a l u e s f r o m 2 . 6 c m 2 p l u s o r m i n u s s t a n d a r d d e v i a t i o n , a t t h e c e n t r e o f t h e v i a l s . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h s o l u t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i l . Attenuation 4.96 i n 2.54 al 0.99 if) Autoaatic Manual 123 t 7.6 133 i 6.1 122 i 7.6 131 t 5.9 140 i 6.5 134 i 6.5 139 • 6.6 133 J 6.5 154 i 7.4 146 i 9.7 152 • 7.6 145 i 7.9 T h e i n t e n s i t i e s o b s e r v e d i n b o t h i m a g e s a r e v i r t u a l l y i d e n t i c a l . I t c a n t h e r e f o r e b e a s s u m e d t h a t m a n u a l s e t t i n g o f t h e a t t e n u a t i o n w i l l p r o v i d e i m a g e s w i t h t h e c o r r e c t i n t e n s i t f e s . d . P h a s i n g a n d R e c o n s t r u c t i o n A s < ^ p r e v i o u s 1 y c o n s i d e r e d , t h e c o n t r a s t o b s e r v e d I n i m a g e s o f a n o b j e c t w h i c h h a s r e g i o n s o f d i f f e r e n t T j v a l u e s , o b t a i n e d u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y ( I R ) p u l s e s e q u e n c e 1 2 , i s . d e p e n d e n t o n t h e i n t r i n s i c d i f f e r e n c e 32 (-180°-T-900-Data acquisition -) (12) n b e t w e e n t h e s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n r a t e s o f t h e p r o t o n s w i t h i n t h e d i f f e r e n t s p a t i a l d o m a i n s . T h i s l e a d s t o i n t e n s i t y c h a n g e s w h i c h a r e a f u n c t i o n o f t h e p u l s e i n t e r v a l , i . A t y p i c a l s i t u a t i o n f o r a t w o c o m p a r t m e n t s a m p l e i s s h o w n i n F i g u r e 21 f o r t w o s o l u t i o n s o f C u S O . 4 ( s e e C h a p t e r 2 ) . T h e s i g n a l i n t e n s i t y o b s e r v e d f r o m a s i n g l e c o m p a r t m e n t a t a p a r t i c u l a r v a l u e o f T i s g i v e n b y 40 e q u a t i o n 1 3 : I x - I o { l - [ l - rW ( l -exp ( - k/T 1 )]exp ( - T/T 1 )} (13) w h e r e I Q = i n t e n s i t y a t T >> T j k = wa i t i n g p e r i o d b e t w e e n d a t a a c q u i s i t i o n a n d r e a p p l i c a t i o n o f t h e 1 8 0 ° p u l s e W = c o r r e c t i o n f a c t o r f o r 1 8 0 ° p u l s e . A l t h o u g h t h e NMR d a t a - a c q u i s i t i o n I t s e l f p r o d u c e s s i g n a l s w h i c h h a v e t h e p h a s e i n f o r m a t i o n n e c e s s a r y t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e - g o i n g s i g n a l s a s s o c i a t e d w i t h t h e m a g n e t i z a t i o n p l o t s h o w n i n F i g u r e 2 1 a , many i m a g i n g p r o t o c o l s c a n o n l y p r o d u c e NMR s i g n a l s i n t h e " a b s o l u t e m o d e " . What t h i s means i s t h a t a f t e r a c q u i s i t i o n o f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l a n d s u b s e q u e n t F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n , a l l s i g n a l s a r e r e c t i f i e d t o b e c o m e p o s i t i v e . I n t h o s e c i r c u m s t a n c e s , t h e f o r m o f t h e 33 i n v e r s i o n - r e c o v e r y i n t e n s i t y c u r v e c o r r e s p o n d s t o F i g u r e m a g n i t u d e r e c o n s t r u c t i o n . 2 1 b , a n d t h e * h i g h i n t e n s i t y ' s i g n a l s o b s e r v e d i n a r e c o n s t r u c t e d i m a g e c o u l d e q u a l l y w e l l come f r o m a r e g i o n o f l o n g T j a s f r o m o n e o f s h o r t T j . I n o r d e r t o m i n i m i z e t h e o c c u r r e n c e o f t h i s a m b i g u i t y , t h e s o f t w a r e o f t h e i n s t r u m e n t u s e d i n t h i s s t u d y h a s t h e o p t i o n o f " r e a 1 - i n t e n s i t y " r e c o n s t r u c t i o n , w h i c h p r o v i d e s e i t h e r p o s i t i v e o r n e g a t i v e n u m b e r s , a s a p p r o p r i a t e , when a n IR p u l s e s e q u e n c e i s e m p l o y e d . H o w e v e r , d u r i n g a t t e m p t s t o o b t a i n v a l u e s o f T j f r o m v a r i o u s s y s t e m s , i t was o b s e r v e d t h a t t h i s m e t h o d o f r e c o n s t r u c t i o n i n t r o d u c e d a d d i t i o n a l p r o b l e m s . I n o r d e r t o I l l u s t r a t e t h e p h e n o m e n o n o b s e r v e d , t w o s i m p l e p h a n t o m s w e r e c o n s t r u c t e d , e a c h c o n s i s t i n g o f a 20 mm F i g u r e 2 2 : P h a n t o m u s e d f o r s t u d y i n g i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s A = 4 . 9 6 mM C u S 0 4 , B = 0 . 9 9 mM C u S 0 4 d i a m e t e r v i a l l o c a t e d i n s i d e a b e a k e r o f 70 mm d i a m e t e r ( F i g u r e 2 2 ) . T h e t w o a q u e o u s s o l u t i o n s c o n t a i n e d C u S 0 4 . 5 H 2 0 a t a c c u r a t e l y known c o n c e n t r a t i o n s o f 4 . 9 6 mM a n d 0 . 9 9 mM a n d h a v i n g known T j v a l u e s o f 117 ms a n d 534 ms r e s p e c t i v e l y ( s e e p . 6 0 ) . A s a s s e m b l e d , p h a n t o m - A c o r r e s p o n d s t o a * h o t - s p o t ' a n d p h a n t o m - B t o a * c o l d - s p o t ' i n t e r m s o f r e l a t i v e T j v a 1 u e s . T h e t w o p h a n t o m s w e r e p l a c e d s i d e b y s i d e I n t h e r e c e i v e r c o i l u s e d f o r h e a d i m a g i n g , w h i c h h a s a n a p e r t u r e o f 30 c m , a n d h o r i z o n t a l ( x z ) 10 mm t h i c k s l i c e - i m a g e s w e r e o b t a i n e d s i m u l t a n e o u s l y t h r o u g h b o t h . IR i m a g e s w e r e 35 o b t a i n e d w i t h t - v a l u e s r a n g i n g f r o m 5 0 - 1 0 0 0 ms a n d TR o f 4 s e c p l u s T . T h e r e s u l t a n t i m a g e s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 3 . The p o s i t i o n s o f t h e t w o p h a n t o m s w e r e t h e n r e v e r s e d a n d t h e e x p e r i m e n t s r e p e a t e d ; a s e x p e c t e d , t h e r e l a t i v e s i g n a l m a g n i t u d e s o f e a c h p a r t i c u l a r s o l u t i o n w e r e u n c h a n g e d . T h e w h i t e h o r i z o n t a l l i n e t h r o u g h e a c h i m a g e s h o w s t h e p o s i t i o n o f t h e c u r s o r , a n d t h e t r a c e b e l o w i t , t h e c o r r e s p o n d i n g i n t e n s i t y - p r o j e c t i o n . T h e i n t e n s i t y t r a c e s h o w s c l e a r l y t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e - g o i n g s i g n a l s , a s c a n b e s e e n i n F i g u r e 2 3 c w h e r e t h e o u t e r - c o m p o n e n t o f t h e r i g h t - h a n d p h a n t o m a n d t h e i n n e r c o m p o n e n t o f t h e l e f t - h a n d p h a n t o m a r e b o t h n e g a t i v e . 3 6 F i g u r e 23: I n v e r s i o n - r e c o v e r y images demonstrating i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s . a. i = 50 ms c. X = 150 ms e. X = 300 ms g. 1 = 500 ms i . X = 1000 ms b. x — 10 0 ms d. x — 250 ms f . x = 400 ms h. x - 600 ms 37 S i n c e p h a s e - s e n s i t i v e r e c o n s t r u c t i o n was e m p l o y e d t o o b t a i n t h e I R - i m a g e s i n F i g u r e 2 3 , o n e w o u l d e x p e c t t h e r e l a t i v e i n t e n s i t i e s o f e a c h o f t h e t w o s o l u t i o n s t o f o l l o w t h e t r e n d s h o w n i n F i g u r e 2 1 a ; h o w e v e r , a s c a n b e s e e n b o t h f r o m t h e c u r s o r t r a c e s t h e m s e l v e s a n d t h e p l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s T s h o w n i n F i g u r e 2 4 , t h i s i s n o t t h e F i g u r e 2 4 : P l o t o f i n t e n s i t y v e r s u s t a u s h o w i n g f l u c t u a t i o n s i n s i g n a l s i g n . • 4 . 9 9 mM CuSC- © 0 . 9 9 mM C u S O . 4 4 c a s e . T h e n a t u r e o f t h e p r o b l e m i s m o r e c l e a r l y u n d e r s t o o d when o n e e x a m i n e s t h e d a t a c o r r e s p o n d i n g t o i = 50 m s , a t w h i c h t i m e b o t h s i g n a l i n t e n s i t i e s s h o u l d b e n e g a t i v e , w h e r e a s t h e y a r e , i n f a c t , p o s i t i v e . A s a s e c o n d e x a m p l e , g i v e n t h a t t h e n u l l p o i n t o f t h e 4 . 9 6 mM C u S 0 4 s o l u t i o n i s c l o s e t o i = 100 m s , a l l s i g n a l s o b s e r v e d a f t e r t h a t i - t i m e s h o u l d be p o s i t i v e . I n p r a c t i c e t h e v a l u e a t t = 150 ms i s 38 n e g a t i v e a n d r e m a i n s s o u n t i l T = 2 5 0 ms a t w h i c h t i m e i t b e c o m e s p o s i t i v e . C o n v e r s e l y , t h e s i g n a l i n t e n s i t y o f t h e 0 . 9 9 mM s o l u t i o n s h o u l d b e n e g a t i v e p r i o r t o i t s n u l l p o i n t a t x = 400 m s , a n d t h e r e a f t e r become p o s i t i v e . I n s t e a d , t h e s i g n a l i s p o s i t i v e f r o m i = 5 0 - 1 5 0 m s , n e g a t i v e b e t w e e n 2 5 0 - 400 m s , a f t e r w h i c h t i m e i t b e c o m e s p o s i t i v e a g a i n . O b v i o u s l y , t h e s e f l u c t u a t i o n s i n s i g n a l s i g n made a n y a t t e m p t a t q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s v e r y d i f f i c u l t , s i n c e t h e a b s o l u t e s i g n o f t h e s i g n a l i n a p a r t i c u l a r i m a g e was i n s e r i o u s d o u b t . H o w e v e r , t h i s p h e n o m e n o n c a n b e e x p l a i n e d 4 1 a n d c o m p e n s a t e d f o r . T h e c e n t r e v i e w o f a 2D i m a g e h a s e f f e c t i v e l y no p h a s e e n c o d i n g g r a d i e n t . T h e i n s t r u m e n t s o f t w a r e c a r r i e s o u t a p e a k s e a r c h o n t h i s v i e w t o s e t t h e a t t e n u a t i o n b a s e d o n t h e m a g n i t u d e o f t h e maximum i n t e n s i t y p e a k . A g l o b a l p h a s e c o r r e c t i o n I s t h e n c a r r i e d o u t b y m a k i n g t h i s maximum p e a k r e a l a n d p o s i t i v e . A l l o t h e r s i g n a l s i g n s a r e t h e n r e l a t i v e t o t h i s p e a k . I f i t h a p p e n s t o b e a n e g a t i v e - g o i n g p e a k t h e n i t I s p h a s e - c o r r e c t e d 1 8 0 ° t o become t h e maximum p o s i t i v e p e a k . E v e n when t h e a t t e n u a t i o n i s m a n u a l l y s e t , t h i s p h a s e c o r r e c t i o n I s s t i l l c a r r i e d o u t , r e s u l t i n g I n t h e same s i g n a l - s i g n f l u c t u a t i o n s . T h u s , when i = 50 m s , t h e s i g n a l s f r o m b o t h t h e 0 . 9 9 mM a n d 4 . 9 6 mM s o l u t i o n s a r e n e g a t i v e , w i t h t h e maximum i n t e n s i t y s i g n a l c o m i n g f r o m t h e 0 . 9 9 mM s o l u t i o n . T h i s a u t o m a t i c a l l y a c t s a s t h e r e f e r e n c e p e a k a n d i s i n v e r t e d 1 8 0 ° . S i n c e t h e 39 s i g n a l f r o m t h e 4 . 9 6 mM s o l u t i o n I s o f t h e same s i g n , i t t o o b e c o m e s p o s i t i v e . A s a n o t h e r e x a m p l e , c o n s i d e r t h e Image o b t a i n e d when T = 150 m s . A t t h i s t - v a l u e t h e s i g n a l f r o m t h e 0 . 9 9 mM s o l u t i o n s h o u l d b e n e g a t i v e , a n d t h a t f r o m t h e 4 . 9 6 mM s o l u t i o n p o s i t i v e ; i n p r a c t i c e t h e r e v e r s e i s o b s e r v e d . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t t h e m a g n i t u d e o f t h e s i g n a l f r o m t h e 0 . 9 9 mM s o l u t i o n i s s t i l l l a r g e r t h a n t h a t f r o m t h e 4 . 9 6 mM s o l u t i o n , b y v i r t u e o f I t s l o n g e r T J t a n d h e n c e i t a g a i n a c t s a s t h e r e f e r e n c e p e a k . I n o r d e r t o g e t a r o u n d t h e p r o b l e m o f f l u c t u a t i n g s i g n a l s i g n s , t h e s o l u t i o n s u n d e r s t u d y w e r e s u r r o u n d e d b y a f a s t r e l a x i n g w a t e r b a t h (~10 mM C u S 0 4 s o l u t i o n ) . T h i s b a t h p r o v i d e d t h e m o s t s i g n a l a n d was a l w a y s p o s i t i v e f o r t h e r a n g e o f i - v a l u e s b e i n g u s e d . I t t h e r e f o r e a l w a y s a c t e d a s t h e r e f e r e n c e p e a k a n d c o n s e q u e n t l y e n s u r e d t h e c o r r e c t p h a s i n g o f a l 1 o t h e r s i g n a l s . One u n f o r t u n a t e r e s u l t o f t h i s , h o w e v e r , was t h a t i t was no l o n g e r p o s s i b l e t o u s e t h e s i n g l e p r o j e c t i o n s f r o m b a c k p r o j e c t i o n i m a g e s f o r m e a s u r i n g T j , s i n c e t h e y w e r e t o o c o m p l e x . I n s t e a d IR i m a g e s w e r e o b t a i n e d , t h e i n t e n s i t i e s f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n o f p a r a m a g n e t i c s p e c i e s m e a s u r e d f r o m t h e m d i r e c t l y , a n d s u b s e q u e n t l y p r o c e s s e d . I n m o s t c a s e s , i m a g e s o b t a i n e d j_n v i v o w i l l n o t b e a f f e c t e d b y t h i s m e t h o d o f p h a s i n g . H o w e v e r , i f a r e g i o n o f l o n g T j h a s a l a r g e v o l u m e , s u c h a s a f l u i d - f i l l e d c y s t , t h e n t h e n e g a t i v e s i g n a l w h i c h s h o u l d b e o b s e r v e d f r o m t h i s 40 r e g i o n o n a n I n v e r s i o n - r e c o v e r y image i s . I n f a c t , p o s i t i v e . T h e r e a s o n f o r t h i s i s t h e s i g n a l i s p h a s e c o r r e c t e d 1 8 0 ° t o become t h e maximum p o s i t i v e p e a k . T h e r e s u l t o f t h i s , o f c o u r s e , i s t h a t t h e s i g n a l s f r o m t h e s u r r o u n d i n g r e g i o n s a r e a l s o i n v e r t e d a n d h a v e t h e w r o n g s i g n . I t i s c l e a r l y a p r o b l e m w h i c h t h e m a n u f a c t u r e r w i l l h a v e t o d e a l w i t h . One m e t h o d o f p h a s i n g e m p l o y e d b y o t h e r c o m p a n i e s i s t o u s e a p a i r e d s a t u r a t i o n - r e c o v e r y image a s a r e f e r e n c e . A l t h o u g h t h i s m e t h o d r e m o v e s t h e p o s s i b i l i t y o f i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s , i t d o e s h a v e t h e d i s a d v a n t a g e o f h a v i n g a l o n g e r t o t a l i m a g i n g t i m e . A f u r t h e r i n s t r u m e n t a l a b e r r a t i o n was o b s e r v e d a n d i s s h o w n i n t h e t = 2 0 0 ms I R - i m a g e i n F i g u r e 2 5 a , w h i c h c o n s i s t s o f l i g h t a n d d a r k b a n d s a c r o s s t h e e n t i r e p h a n t o m s . T h e m e a s u r e m e n t was r e p e a t e d o n a l a r g e n u m b e r o f o c c a s i o n s o v e r a p e r i o d o f m o n t h s w i t h I d e n t i c a l r e s u l t s , r u l i n g o u t t h e p o s s i b i l i t y o f a t r a n s i e n t i n s t r u m e n t a l p r o b l e m . A t t h i s t - v a l u e , t h e s i g n a l f r o m t h e 4 . 9 6 mM s a m p l e s h o u l d b e p o s i t i v e a n d t h a t f r o m t h e 0 . 9 9 mM n e g a t i v e . T h a t t h e s e t w o s i g n a l s h a v e a p p r o x i m a t e l y e q u a l m a g n i t u d e s i s shown i n t h e i m a g e i n F i g u r e 2 5 b a s a b s o l u t e i n t e n s i t i e s f o l l o w i n g m a g n i t u d e r e c o n s t r u c t i o n . T h e b a n d i n g c a n b e e x p l a i n e d 4 1 a s f o l l o w s : when t h e i n s t r u m e n t c a r r i e s o u t i t s p e a k s e a r c h o n t h e c e n t r e v i e w o f t h e 20 i m a g e , i t i s u n a b l e t o f i n d a maximum p e a k . T h e I n s t r u m e n t e f f e c t i v e l y s e e s n o s i g n a l d u e t o t h e i n t e n s i t i e s 41 h a v i n g e q u a l b u t o p p o s i t e s i g n . T h i s r e s u l t s i n a s h i f t i n t h e e c h o p o s i t i o n , t h a t i s , t h e r e i s a t i m e s h i f t o f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l . T h i s c a n b e r e p r e s e n t e d i n t h e F i g u r e 25: a . I n v e r s i o n - r e c o v e r y image o f p h a n t o m u s e d t o d e m o n s t r a t e i n t e n s i t y a m b i g u i t i e s a t i = 200 m s . b . The same image i n a . a f t e r m a g n i t u d e r e c o n s t r u c t i o n . 42 f o l l o w i n g w a y : i f f ( t ) h a s t h e F o u r i e r t r a n s f o r m F ( u ) » t h e n t h e f u n c t i o n f ( t - a ) h a s t h e t r a n s f o r m F ( w ) e ~ 1 u a 4 2 . T h e d e r i v a t i o n o f t h i s i s s t r a i g h t f o r w a r d : f ( t - a ) e - i ( J t d t - / f ( t - a ) e - i w ( t - a ) e - i u a d ( t - a ) - e ^ F C a . ) (14) I n o t h e r w o r d s , i f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l i s s h i f t e d i n t i m e , i t s F o u r i e r t r a n s f o r m r e m a i n s i d e n t i c a l e x c e p t t h a t i t g e t s m u l t i p l i e d b y a p h a s e f a c t o r w h i c h v a r i e s l i n e a r l y w i t h t h e f r e q u e n c y , u . a n d i s p r o p o r t i o n a l t o t h e t i m e s h i f t , a . T h i s r e s u l t s i n t h e p h a s e s h i f t s o b s e r v e d i n t h e i m a g e i n F i g u r e 2 5 a . A d d i t i o n a l p r o o f t h a t t h e b a n d i n g o b s e r v e d i s d u e t o a t i m e s h i f t o f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l was p r o v i d e d b y t h e f o l l o w i n g e x p e r i m e n t . A s i n d i c a t e d p r e v i o u s l y , t h e a c t u a l IR p u l s e s e q u e n c e u s e d o n t h i s i n s t r u m e n t h a s a n a d d i t i o n a l 1 8 0 ° p u l s e w h i c h i s a p p l i e d a t t i m e t a f t e r t h e 9 0 ° p u l s e a n d s u b s e q u e n t d a t a a c q u i s i t i o n o f t h e e c h o a t 2 t . I n o r d e r t o c o l l e c t t h e e c h o a t t h i s t i m e , t h e c o r r e c t g r a d i e n t s e q u e n c e m u s t b e u s e d . I f t = 13 m s , t h e n t h e r e a d a n d p h a s e e n c o d i n g g r a d i e n t s r e q u i r e d f o r t h e d a t a a c q u i s i t i o n a r e i d e n t i c a l t o t h o s e u s e d f o r a s p i n - e c h o s e q u e n c e w i t h 2T = 26 m s . I f t h e t i m e o f d a t a a c q u i s i t i o n i s l e f t u n c h a n g e d , a n d t h e a b o v e g r a d i e n t s s u b s t i t u t e d w i t h t h o s e r e q u i r e d f o r a s p i n - e c h o s e q u e n c e t h a t h a s 2 t = 20 m s , t h e r e s u l t i s a s h i f t o f t h e e c h o p o s i t i o n i n t h e t i m e d o m a i n s i g n a l . T h i s s u b s t i t u t i o n g a v e r i s e t o b a n d e d i m a g e s l i k e t h a t s h o w n i n 43 F i g u r e 2 5 a . I t i s c l e a r f r o m t h e s e s t u d i e s t h a t a n y f a c t o r w h i c h c a u s e s a s h i f t I n t i m e o f t h e t i m e d o m a i n s i g n a l , w i l l g i v e r i s e t o t h e p h a s e s h i f t s o b s e r v e d o n t h e s e i m a g e s . I t was a l s o p o s s i b l e t o c o r r e c t f o r t h e s e p h a s e s h i f t s u s i n g t h e f a s t r e l a x i n g b a c k g r o u n d w a t e r b a t h , s i n c e t h e r e was n o l o n g e r a n y p o s s i b i l i t y o f t h e i n s t r u m e n t m i s i n t e r p r e t i n g t h e s i g n a l s f r o m t h e s o l u t i o n s b e i n g s t u d i e d . T h i s a l l o w e d u s e f u l d a t a t o b e o b t a i n e d f o r t h e r a n g e o f T - v a l u e s r e q u i r e d t o d e t e r m i n e T , . 44 CHAPTER 2 Q U A N T I T A T I O N OF NMR PARAMETERS T h e a p p e a r a n c e o f a n NMR Image I s d e p e n d e n t o n m o r e t h a n o n e p a r a m e t e r . P u l s e s e q u e n c e s a r e c h o s e n t o p r o v i d e i m a g e s w h o s e i n t e n s i t i e s a r e w e i g h t e d t o w a r d s o n e p a r a m e t e r , a n d w h i c h a l s o p r o v i d e t h e n e c e s s a r y d i f f e r e n c e s I n i n t e n s i t y b e t w e e n n o r m a l a n d d i s e a s e d t i s s u e f o r i d e n t i f i c a t i o n o f p a t h o l o g y . T h e c o n t r a s t p r o v i d e d b y T j a n d T2~ w e i g h t e d i m a g e s a r e t h e m o s t i m p o r t a n t . T h e o p t i m u m c h o i c e o f p u l s e s e q u e n c e i s t h e o n e w h i c h p r o v i d e s t h e m o s t t i s s u e d i s c r i m i n a t i o n ; t h i s i n t u r n d e p e n d s o n t h e r e l a t i v e T j ' a n d T 2 _ v a l u e s . T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e m e a s u r e m e n t o f T j a n d T 2 u s i n g t h e P i c k e r I n t e r n a t i o n a l w h o l e b o d y i m a g i n g i n s t r u m e n t . B o t h t i m e c o n s t a n t s a r e d e f i n e d a n d t h e m e t h o d s o f m e a s u r e m e n t a r e d e s c r i b e d . T h e e f f e c t s o f i m a g i n g c o n d i t i o n s a n d i n s t r u m e n t l i m i t a t i o n s o n t h e v a l u e s o f T j a n d T^ o b t a i n e d a r e e x a m i n e d , a . S p i n - L a t t i c e R e l a x a t i o n ( T p ( i ) D e f i n i t i o n T h e s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t i m e ( T j ) c a n b e d e f i n e d a s t h e t i m e c o n s t a n t o f t h e p r o c e s s w h e r e b y a n e n s e m b l e o f n u c l e a r s p i n s r e t u r n t o t h e r m a l e q u i l i b r i u m w i t h t h e i r l a t t i c e a f t e r p e r t u r b a t i o n . T h i s f o r m o f r e l a x a t i o n i n v o l v e s a n e x c h a n g e o f e n e r g y b e t w e e n t h e s p i n a n d t h e l a t t i c e a n d o c c u r s d u e t o I n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e 45 f l u c t u a t i n g f i e l d g e n e r a t e d b y t h e p r e c e s s i n g n u c l e i a n d t h o s e g e n e r a t e d i n t h e l a t t i c e b y movement o f o t h e r m a g n e t i c n u c l e i . T h e s e i n t e r a c t i o n s c a n i n v o l v e a number o f d i f f e r e n t p r o c e s s e s 4 3 , n a m e l y : 1. m a g n e t i c d i p o l e - d i p o l e i n t e r a c t i o n s 2. e l e c t r i c q u a d r u p o l e i n t e r a c t i o n s 3. c h e m i c a l s h i f t a n i s o t r o p y i n t e r a c t i o n s 4. s c a l a r - c o u p l i n g i n t e r a c t i o n s 5. s p i n r o t a t i o n i n t e r a c t i o n s . A n y m e c h a n i s m w h i c h g i v e s r i s e t o f l u c t u a t i n g m a g n e t i c f i e l d s a t a n u c l e u s i s a p o s s i b l e r e l a x a t i o n m e c h a n i s m . A l l a q u e o u s s o l u t i o n s s t u d i e d i n t h i s s e c t i o n c o n t a i n e d p a r a m a g n e t i c s p e c i e s . S i n c e t h e m a g n e t i c moments o f t h e u n p a i r e d e l e c t r o n s i n t h e s e p a r a m a g n e t i c s p e c i e s a r e £ a . 1 0 3 t i m e s g r e a t e r 4 4 t h a n t h e n u c l e a r m a g n e t i c moments o f t h e w a t e r p r o t o n s , t h e y g i v e r i s e t o much l a r g e r l o c a l f i e l d s , a n d h e n c e d o m i n a t e t h e r e l a x a t i o n o f t h e w a t e r . I n a d i l u t e s o l u t i o n o f a p a r a m a g n e t i c s p e c i e s , t h e r e l a x a t i o n o f t h e s o l v e n t n u c l e i ( I n t h i s c a s e w a t e r ) w i l l b e d o m i n a t e d b y t h e e f f e c t s o f t h e u n p a i r e d e l e c t r o n s o n t h e s o l v a t i o n s p h e r e o f t h e m e t a l i o n 4 5 . The b o u n d w a t e r m o l e c u l e s a n d t h e b u l k s o l v e n t h a v e d i f f e r e n t r e l a x a t i o n t i m e s . R a p i d e x c h a n g e o f t h e w a t e r m o l e c u l e s a n d t h e p r o t o n s o f t h e m o l e c u l e s w i t h i n t h e t w o p h a s e s g i v e s r i s e t o a s i n g l e o b s e r v e d r e l a x a t i o n t i m e . I f t h e r a n d o m f l u c t u a t i n g m a g n e t i c f i e l d s a t t h e s i t e 46 o f t h e p a r a m a g n e t i c s p e c i e s o c c u r a t t h e L a r m o r f r e q u e n c y o f t h e s o l v e n t p r o t o n s t h e n T . r e l a x a t i o n c a n o c c u r , i . e . i t The f i r s t t e r m s a r i s e f r o m t h e d i p o l e - d i p o l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o n - s p i n , S , a n d t h e n u c l e a r s p i n , I , w h i c h i s c h a r a c t e r i z e d b y t h e c o r r e l a t i o n t i m e , i T h e s e c o n d t e r m s a r i s e f r o m m o d u l a t i o n o f t h e s c a l a r i n t e r a c t i o n ( o f t e n c a l l e d i s o t r o p i c n u c l e a r - e l e c t r o n s p i n - e x c h a n g e i n t e r a c t i o n ) w h i c h i s c h a r a c t e r i z e d b y c o r r e l a t i o n t i m e , t The e l e c t r o n i c a n d n u c l e a r L a r m o r p r e c e s s i o n f r e q u e n c i e s are g i v e n b y oi^ a n d wj , y j i s t h e g y r o m a g n e t i c r a t i o , 8 i s t h e B o h r m a g n e t o n , S i s t h e t o t a l e l e c t r o n s p i n , r i s t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e n u c l e u s a n d t h e p a r a m a g n e t i c i o n , a n d A / f i i s t h e e l e c t r o n - n u c l e u s h y p e r f i n e c o u p l i n g c o n s t a n t i n H z . The c o r r e l a t i o n t i m e s a r e d e f i n e d a s f o l l o w s : i n d u c e s a n u c l e a r s p i n t r a n s i t i o n f r o m I = - 1 / 2 t o +1/2. The T j o f a n u c l e u s b o u n d t o a p a r a m a g n e t i c s i t e i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : + (16) 47 w h e r e T . ^ = l i f e - t i m e o f a n u c l e u s i n t h e b o u n d s i t e t R = r o t a t i o n a l c o r r e l a t i o n t i m e o f t h e b o u n d p a r a m a g n e t i c i o n i g = e l e c t r o n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e . ( i i ) M e a s u r e m e n t o f T j T h e u t i l i z a t i o n o f T j i n NMR s p e c t r o s c o p y , i n c l u d i n g m e t h o d s o f m e a s u r e m e n t , i s w e l l d o c u m e n t e d ^ - 5 * } # I n t h i s s t u d y , t h e m e t h o d known a s i n v e r s i o n - r e c o v e r y was u s e d t o carry o u t t h e m e a s u r e m e n t s o n t h e a q u e o u s s o l u t i o n s , a n d i s d e s c r i b e d b e l o w . T h e p u l s e s e q u e n c e u s e d i n t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d i s g i v e n b e l o w : (-180°-T-90°-Data a c q u i s i t i o n -) (12) T h e i n t e n s i t y a t a p a r t i c u l a r t - v a l u e i s g i v e n b y e q u a t i o n 7 , I = I o ( l - 2 e x p ( - T / T 1 ) ) (7) w h i c h i s o b t a i n e d b y i n t e g r a t i o n o f t h e B i o c h e q u a t i o n d e s c r i b i n g d e c a y o f M z , dM —5- - -(M -M )/T. (18) dt N z o 1 w h e r e M q = t h e r m a l e q u i l i b r i u m v a l u e o f M , 4 8 The i n t e n s i t y i s m e a s u r e d o v e r a r a n g e o f t - v a l u e s , t h e n T j may b e o b t a i n e d f r o m a n e x p o n e n t i a l f i t o f t h e d a t a o r a s e m i - l o g p l o t . T h e r e p e t i t i o n t i m e m u s t b e s u f f i c i e n t l y l o n g ( 5 T j ) t o a l l o w t h e n u c l e i t o r e t u r n t o t h e i r e q u i l i b r i u m s t a t e b e f o r e r e a p p l i c a t i o n o f t h e 1 8 0 ° p u l s e . I n t h e i m a g i n g e x p e r i m e n t t h e z - c o m p o n e n t o f t h e o b s e r v a b l e m a g n e t i z a t i o n may n o t be f u l l y i n v e r t e d d u e t o t h e r a d i o f r e q u e n c y f i e l d i n h o m o g e n e i t y o v e r t h e l a r g e v o l u m e s b e i n g s t u d i e d . I n c o m p l e t e i n v e r s i o n o f t h e m a g n e t i z a t i o n c a n be c o r r e c t e d f o r i n t h e d a t a p r o c e s s i n g b y f i t t i n g t h e d a t a t o e q u a t i o n 1 3 , w h i c h i n c l u d e s a c o r r e c t i o n f a c t o r , W, f o r t h e 1 8 0 ° p u l s e 4 0 , I T - I o{l-[l-W(l-exp(-k/T 1)]exp(-x/T l)} (13) w h e r e I = i n t e n s i t y a t x >> T , o 1 k = w a i t i n g p e r i o d b e t w e e n d a t a a c q u i s i t i o n a n d r e a p p l i c a t i o n o f 1 8 0 ° p u l s e W = c o r r e c t i o n f a c t o r f o r 1 8 0 ° p u l s e . A p h a n t o m c o n s i s t i n g o f 2 cm d i a m e t e r v i a l s p l a c e d i n a l a r g e p e t r i d i s h was c o n s t r u c t e d a s shown i n F i g u r e 20 ( p . 3 1 ) . T h e v i a l s w e r e f i l l e d w i t h a c c u r a t e l y known c o n c e n t r a t i o n s o f C u S O ^ a n d m a n g a n e s e ( I I ) c h l o r i d e ( M n C ^ ) s o l u t i o n s , a n d T j m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d . 49 C o p p e r ( I I ) S u l p h a t e S o l u t i o n s I n v e r s i o n - r e c o v e r y h o r i z o n t a l ( x z ) s l i c e i m a g e s w e r e o b t a i n e d w i t h t - v a l u e s i n t h e r a n g e 5 0 - 1 0 0 0 ms a n d a TR of" 4 s e c p l u s x. T h e mean i n t e n s i t i e s o v e r 2 . 6 c m 2 a t t h e c e n t r e o f t h e v i a l s w e r e o b t a i n e d d i r e c t l y f r o m t h e i m a g e s u s i n g t h e c u r s o r o n t h e i n s t r u m e n t a n d a t h r e e - p a r a m e t e r e x p o n e n t i a l f i t was c a r r i e d o u t o n t h e d a t a u s i n g e q u a t i o n 1 3 . M a n g a n e s e ( 1 1 ) C h l o r i d e S o l u t i o n s I n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e s w e r e o b t a i n e d a s b e f o r e w i t h x- v a l u e s i n t h e r a n g e 1 0 - 1 0 0 0 ms a n d TR o f 3 s e c p l u s t . T h e i n t e n s i t i e s w e r e o b t a i n e d o n c e a g a i n f r o m t h e c e n t r e s o f t h e v i a l s , a n d p r o c e s s e d i n t h e same way a s t h e C u S 0 4 d a t a . A 957. a c c u r a c y l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s was c a r r i e d o u t o n a l l r e s u l t s , a n d t h e T j v a l u e s , p l u s o r m i n u s t w o s t a n d a r d d e v i a t i o n s , a r e g i v e n i n T a b l e I I . 50 Table II: Tj values for various concentrations of CuS0 4 and MnCl 2 solutions obtained at 20 (± 1)°C using the inversion-recovery method. Two values are given for each concentration corresponding to two d i f f e r e n t positions in the receiver c o i l . So 1ut f on Concentration (mM) Tj (ms) CuSC- 4 4.96 108 ± 10 4.96 126 ± 4 2.54 245 ± 6 2.54 243 ± 13 0.99 519 ± 4 0.99 548 ± 2 MnCl 2 0.67 103 ± 1 0.67 106 ± 1 0.34 189 ± 2 0.34 188 ± 1 0. 16 350 ± 8 0.16 340 ± 8 0.06 659 ± 9 0.06 663 ± 8 51 ( i i i ) C o m p u t e d T j T h e s o f t w a r e o f t h e i n s t r u m e n t , d e v e l o p e d b y P i c k e r I n t e r n a t i o n a l , h a s t h e c a p a b i l i t y o f c a r r y i n g o u t T j c o m p u t a t i o n s . Two i m a g e s a r e r e q u i r e d t o c a r r y o u t t h e s e T j c o m p u t a t i o n s : a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y a n d a s p i n - e c h o i m a g e . The r e p e a t t i m e s m u s t b e e q u a l i n b o t h i m a g e s . T h e i n t e n s i t i e s f o r e a c h i m a g e a r e g i v e n i n e q u a t i o n s 19 a n d 2 0 . I K - iMrt-ltflJll-d-Zexpi-VTJ + expU-k-O/TpiexpC-t/T^ (19) I - I oexp(-2x/T 2)[l-2exp(-k/T 1) + exp^TR/T^ ] (20) I I R l~(2-2 exp(-k/T1) + exp(-x-k/T 1)exp(-t/T 1) ( n ) I S E (l-2exp(-k/T1) + exp(-TR/T1) T h e r a t i o o f t h e s e i n t e n s i t i e s i s g i v e n i n e q u a t i o n 2 1 . T a k i n g t h e r a t i o e l i m i n a t e s t h e image i n t e n s i t y d e p e n d e n c e o n t h e e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n a n d T 2 , t h e n T j may b e o b t a i n e d f r o m a l o o k - u p t a b l e , w h i c h i s a p l o t o f S Q v e r s u s T j . T J c o m p u t a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t o n s o l u t i o n s c o n t a i n i n g t h e same p a r a m a g n e t i c I o n c o n c e n t r a t i o n a s i n ( i i ) a n d t h e n u m b e r s c o m p a r e d . T h e r e s u l t s a r e g i v e n i n T a b l e I I I . T h e c o m p u t e d T 2 v a l u e s a r e g i v e n a s t h e mean v a l u e f r o m 2 . 6 c m 2 a t t h e c e n t r e o f t h e v i a l s . 52 Table III: Computed Tj values for various concentrations of CuS0 4 a n d MnCl 2 solutions obtained at 20 (± 1)°C Two values are given for each concentration, corresponding to two d i f f e r e n t positions in the receiver coi1. So1ut i on Concentration (mM) Computed Tj (ms) CuSC- 4 4.96 1 17 4.96 123 2.54 245 2.54 235 0.99 556 0.99 548 MnCl 2 0.67 83 0.67 98 0.34 192 0.34 188 0. 16 357 0. 16 350 0. 06 678 0.06 679 53 ( i v ) E f f e c t s o f a S p i n - e c h o R e a d o u t A f t e r a p p l i c a t i o n o f t h e 9 0 ° RF p u l s e i n a n IR s e q u e n c e , n o t a l l t h e n u c l e a r s p i n s w i l l p r e c e s s a t t h e same L a r m o r f r e q u e n c y ; t h e y w i l l b e o u t o f p h a s e . T h i s i s d u e t o t h e p r e s e n c e o f t h e f i e l d g r a d i e n t . U n l e s s t h e s p i n s a r e i n p h a s e , t h e x y m a g n e t i z a t i o n i s n o t d e t e c t e d . I n o r d e r t o g e t a r o u n d t h i s , a s e c o n d 1 8 0 ° r e f o c u s i n g p u l s e i s a p p l i e d a f t e r a s h o r t t i m e (13 ms) a n d t h e s p i n - e c h o c o l l e c t e d 2 t ( 2 6 ms) a f t e r t h e 9 0 ° p u l s e . T h i s i s r e f e r r e d t o a s a s p i n - e c h o r e a d o u t . D u r i n g t h e t i m e 2 t , s p i n - s p i n r e l a x a t i o n c a n o c c u r , w h i c h may i n t r o d u c e a f u r t h e r s o u r c e o f e r r o r i n t h e m e a s u r e m e n t o f T } , s i n c e t h e e q u a t i o n f o r t h e i n t e n s i t y a t a n y t - v a l u e w i l l h a v e n o t o n l y t h e e x p o n e n t i a l T j t e r m b u t a l s o a n e x p o n e n t i a l T 2 t e r m . T h e m e t h o d o f d a t a p r o c e s s i n g u s e d i n ( i i ) d o e s n o t t a k e i n t o a c c o u n t t h e f a c t t h a t a SE r e a d o u t i s e m p l o y e d . I n t h e o r y , i t s h o u l d b e p o s s i b l e t o t r e a t t h e e x p o n e n t i a l T 2 t e r m a s a c o n s t a n t , s i n c e i t i s i d e n t i c a l i n e v e r y s e q u e n c e . I n o r d e r t o c h e c k t h i s , t w o d i f f e r e n t s p i n - e c h o r e a d o u t s w e r e u s e d a n d t h e T j v a l u e s c o m p a r e d . S p i n - e c h o t - v a l u e s o f 13 ms a n d 20 ms w e r e e m p l o y e d . T h e d a t a f o r t = 13 ms i s g i v e n i n T a b l e I I . T h e u s e o f a SE r e a d o u t w i l l h a v e m o r e o f a n e f f e c t o n s h o r t T 2 v a l u e s ; t h e r e f o r e t h i s e x p e r i m e n t was o n l y c a r r i e d o u t o n t h e M n C l 2 s o l u t i o n s , w h e r e T 2 i s c o n s i d e r a b l y s h o r t e r t h a n T , . T h e r e s u l t s f o r a t - v a l u e o f 20 ms a r e s h o w n i n T a b l e 5 4 I V , t o g e t h e r w i t h t h e c o m p u t e d T j v a l u e s u s i n g t h e same r e a d o u t . T a b l e I V : T j v a l u e s f o r v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s p i n - e c h o r e a d o u t w i t h T = 20 m s . C o m p u t e d T j v a l u e s w i t h t h e same r e a d o u t a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n , c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i 1 . S o l u t i o n C o n c e n t r a t i o n (mM) T l (ms) C o m p u t e d T j (ms) MnCl 2 0 . 6 7 100 + 3 78 0 . 6 7 107 + 10 73 0 . 3 4 191 7 190 0 . 3 4 189 ± 5 189 0 . 16 343 + 3 3 4 6 0 . 16 335 3 3 5 2 ( v ) E f f e c t s o f P r o t o n D e n s i t y T h e s i g n a l i n t e n s i t y o b s e r v e d o n a n NMR i m a g e i s d e p e n d e n t n o t o n l y o n t h e r e l a x a t i o n t i m e s o f t h e p r o t o n s b u t a l s o o n t h e number o f p r o t o n s g i v i n g r i s e t o t h e s i g n a l . T h i s i s r e f e r r e d t o a s t h e p r o t o n d e n s i t y . A number o f s l i c e t h i c k n e s s e s a r e a v a i l a b l e f o r u s e o n t h e i m a g i n g 55 i n s t r u m e n t . V a r y i n g t h e s l i c e t h i c k n e s s may i n t r o d u c e a f u r t h e r s o u r c e o f e r r o r i n t h e m e a s u r e m e n t o f T j , s i n c e i t c h a n g e s t h e p r o t o n d e n s i t y c o n t r i b u t i o n t o t h e o b s e r v e d s i g n a l . I f , f o r a s e r i e s o f IR i m a g e s , t h e same s l i c e t h i c k n e s s i s a p p l i e d f o r e a c h i m a g e , i t s h o u l d b e p o s s i b l e t o t r e a t t h e p r o t o n d e n s i t y f a c t o r a s a c o n s t a n t . T h i s was t e s t e d b y u s i n g t w o a d d i t i o n a l s l i c e t h i c k n e s s e s o f 5 mm a n d 20 mm a n d r u n n i n g i n v e r s i o n - r e c o v e r y T j e x p e r i m e n t s o n t h e M n C l 2 s o l u t i o n s . T h e i m a g e s w e r e p r o c e s s e d a s b e f o r e a n d t h e r e s u l t s a r e s h o w n i n T a b l e s V a a n d V b , t o g e t h e r w i t h c o m p u t e d T j v a l u e s w i t h t h e same s l i c e t h i c k n e s s . T a b l e V a : T j v a l u e s f o r v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s l i c e t h i c k n e s s o f 20 mm. C o m p u t e d T^ v a l u e s a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . S o 1 u t 1 o n C o n c e n t r a t i o n (mM) T l (ms) C o m p u t e d T j (ms) MnCl 2 0 . 3 4 198 + 2 174 0 . 3 4 182 + 5 178 0 . 16 330 + 1 1 3 4 9 0 . 16 350 6 3 3 8 0 . 0 6 630 13 6 8 2 0 . 0 6 6 8 9 22 6 7 5 56 T a b l e V b : v a l u e s f o r v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n , o b t a i n e d a t 20 (± i ) ° C u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d , a n d a s l i c e t h i c k n e s s o f 5 mm. C o m p u t e d T j v a l u e s a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . So 1u t i o n C o n c e n t r a t i o n (mM) T l (ms) C o m p u t e d T j (ms) M n C l 2 0 . 3 4 183 4 187 0 . 3 4 186 ± 3 184 0 . 16 3 4 9 + 2 3 3 3 0 . 16 346 + 1 3 3 7 0 . 0 6 662 + 12 6 5 0 0 . 0 6 6 9 6 4 6 8 3 ( v i ) M u l t i e x p o n e n t i a l R e l a x a t i o n B e h a v i o u r M u 1 t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r may b e o b s e r v e d f o r a n i s o t r o p i c s o l u t i o n c o n t a i n i n g p r o t o n s w i t h d i f f e r e n t p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , s u c h a s a m i x t u r e o f o i l a n d w a t e r , i f p r o t o n e x c h a n g e d o e s n o t o c c u r o r i s s l o w o n t h e NMR t i m e s c a l e . I n a n i m a g i n g m e a s u r e m e n t , a d d i t i o n a l s o u r c e s g i v e r i s e t o m u 1 1 i e x p o n e n t i a 1 r e l a x a t i o n b e h a v i o u r ; o f t h e s e , v o l u m e a v e r a g i n g I s t h e m o s t s i g n i f i c a n t . A n i m a g e c a n b e o b t a i n e d b y s e l e c t i v e l y e x c i t i n g a s l i c e 10 mm t h i c k . W i t h i n t h i s t h i c k n e s s t h e r e may b e w a t e r p r o t o n s i n d i f f e r e n t c o m p a r t m e n t s o r i n d i f f e r e n t t y p e s o f t i s s u e . 57 w h i c h a r e n o t e x c h a n g i n g . T h e s i g n a l c o n t r i b u t i o n f r o m e a c h p r o t o n s o u r c e d e p e n d s o n i t s v o l u m e a n d o n t h e p u l s e s e q u e n c e u s e d t o e x c i t e t h e s l i c e . The r e s u l t i n g i m a g e i n t e n s i t y i n e a c h p i x e l i s t h e sum o f t h e s i g n a l c o n t r i b u t i o n s t h r o u g h t h e s l i c e . F o r p r o t o n NMR i m a g i n g s t u d i e s o f m a m m a l i a n t i s s u e s , t h e s i g n a l s o f w a t e r a n d f a t w i l l o v e r l a p d u e t o t h e n e g l i g i b l e c h e m i c a l s h i f t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o s i g n a l s a t t h e l o w m a g n e t i c f i e l d u s e d t o o b t a i n t h e i m a g e s . T h i s c o u l d a l s o g i v e r i s e t o m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r , s i n c e t h e m o b i l e f a t p r o t o n s may h a v e a d i f f e r e n t T j a n d T 2 t h a n t h o s e o f w a t e r . I f m o r e t h a n o n e e x p o n e n t i a l d e c a y i s p r e s e n t , t h e s i g n a l i n t e n s i t y o b s e r v e d f o r a p a r t i c u l a r t - v a l u e i s g i v e n b y e q u a t i o n 2 2 . I ( T ) - I ^ i * 1 - 2 E X P ( - ^ T 1 ± ) ) < 2 2> w h e r e n = n u m b e r o f e x p o n e n t i a l s r e q u i r e d f o r a n a d e q u a t e d e s c r i p t i o n o f t h e d a t a , t a k i n g i n t o a c c o u n t e x p e r i m e n t a l a c c u r a c y , . C o m p u t e r p r o g r a m s a r e a v a i l a b l e f o r a n a l y s i s o f r e l a x a t i o n d a t a . T h e s e p r o g r a m s f i t a c h o s e n number o f e x p o n e n t i a l s t o t h e d a t a , a n d t h u s p r o v i d e t h e d i f f e r e n t r e l a x a t i o n t i m e s c o n t r i b u t i n g t o t h e s i g n a l . C o n s i d e r t w o c o m p a r t m e n t s , b e t w e e n w h i c h t h e r e i s no e x c h a n g e , a n d h a v i n g T j v a l u e s o f 2 4 5 ms a n d 5 1 9 m s . I f t h e y a r e e x c i t e d s i m u l t a n e o u s l y i n t h e same s l i c e , t h e n t h e 58 o b s e r v e d s i g n a l i n t e n s i t y f o r a g i v e n t - v a l u e i n a n i n v e r s i o n - r e c o v e r y i m a g e i s g i v e n b y t h e sum o f t h e i n t e n s i t i e s f o r e a c h c o m p a r t m e n t . T h e r e s u l t a n t m a g n e t i z a t i o n p l o t , t o g e t h e r w i t h t h e i n d i v i d u a l p l o t s f o r e a c h c o m p a r t m e n t , a r e g i v e n i n F i g u r e 2 6 , a n d t h e o b s e r v e d T j i s 3 3 8 m s . T h i s means t h a t t h e c o m p u t e d T j i m a g e s c a n F i g u r e 2 6 : P l o t o f I n t e n s i t y v e r s u s t a u d e m o n s t r a t i n g m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r . O 2 . 5 4 mM C u S 0 4 A 0 . 9 9 mM C u S 0 4 X 2 . 5 4 mM C u S 0 4 + 0 . 9 9 C u S 0 4 o n l y p r o v i d e o b s e r v e d T j - v a l u e s , g i v i n g no i n d i c a t i o n a s t o t h e i r s o u r c e . I n o r d e r t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e o b s e r v e d T i s t h e r e s u l t o f m u l t i e x p o n e n t i a I r e l a x a t i o n b e h a v i o u r , t h e i n t e n s i t y m u s t be m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t . 59 ( v i i ) D i s c u s s i o n The T j d a t a a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e 2 7 . T h e r e s u l t s show t h a t u s e f u l T j m e a s u r e m e n t s c a n b e made i n t h e r a n g e 1 0 0 - 6 0 0 m s . A l t h o u g h t h i s i s n o t a l a r g e r a n g e , i t d o e s e n c o m p a s s t h e T j - v a l u e s o f many t i s s u e s , a n d i n p a r t i c u l a r t h o s e o f t h e g r e y a n d w h i t e m a t t e r o f t h e b r a i n . C o m p a r i s o n F i g u r e 2 7 : a . P l o t o f s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n r a t e v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r C u S O ^ s o l u t i o n s . O I P d a t a A C o m p u t e d d a t a b . P l o t o f s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n r a t e v e r s u s c o n c e n t r a t i o n f o r M n C l 2 s o l u t i o n s . O IR d a t a & C o m p u t e d d a t a 60 o f t h e T j d a t a o b t a i n e d u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y m e t h o d w i t h t h a t f r o m t h e c o m p u t e d i m a g e s g i v e s a c o r r e l a t i o n w i t h i n 107.. T h e v a l u e s o b t a i n e d f r o m t h e c o m p u t e d Images a r e t h e r e f o r e u s e f u l , s i n c e t h e y c a n b e o b t a i n e d m o r e r a p i d l y t h a n t h e I n v e r s i o n - r e c o v e r y d a t a . H o w e v e r , i t i s n o t p o s s i b l e t o make e r r o r e s t i m a t e s o n t h e s e n u m b e r s , o r t o e x t r a c t i n f o r m a t i o n o n m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r . T a k i n g i n t o a c c o u n t t h e r a n d o m e r r o r I n t h e d a t a t o g e t h e r w i t h t h e e f f e c t s o f i n h o m o g e n e i t y a c r o s s t h e c o i l , r e p r o d u c i b l e v a l u e s o f T j c a n b e o b t a i n e d ± 12%. I n m o s t c a s e s t h e e r r o r s w e r e somewha t l e s s t h a n t h i s . T h e same t r e n d was o b s e r v e d f o r d a t a o b t a i n e d u s i n g a l o n g e r s p i n - e c h o r e a d t i m e a n d a g a i n when t h e s l i c e t h i c k n e s s was v a r i e d . C o m p a r i s o n o f t h e mean v a l u e s a n d e r r o r s o b t a i n e d f o r d a t a u n d e r d i f f e r e n t i m a g i n g c o n d i t i o n s s h o w s a c o r r e l a t i o n o f l e s s t h a n 57. b e t w e e n t h e r e s u l t s . T h e d a t a d e m o n s t r a t e s t h a t o v e r t h e T j r a n g e s t u d i e d , i t i s p o s s i b l e t o t r e a t many c o n d i t i o n s o f t h e i m a g i n g e x p e r i m e n t a s c o n s t a n t s w i t h o u t a f f e c t i n g t h e m e a s u r e d T j - v a l u e s . T h e T j v a l u e s a r e w i t h i n 127. o f l i t e r a t u r e v a l u e s m e a s u r e d u n d e r c o n v e n t i o n a l s p e c t r o s c o p i c c o n d i t i o n s , w i t h n o m a g n e t i c 51 f i e l d g r a d i e n t s p r e s e n t . T h e s e f i n d i n g s c o n t r a d i c t t h o s e r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e b y R o s e n , P y k e t t a n d B r a d y 5 2 , who s t a t e t h a t c o r r e c t i o n s m u s t b e made t o T . r j a t a f o r t h e e f f e c t s o f s l i c e 61 s e l e c t i o n a n d a s p i n - e c h o r e a d o u t . M u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r a r i s i n g f r o m v o l u m e a v e r a g i n g i s a p r o b l e m i n i m a g i n g . I t i s i m p o r t a n t t o b e a w a r e o f i t when a p p l y i n g NMR I m a g i n g J_n v i v o . T h e o b s e r v e d T^ — V a1ues may a r i s e f r o m m o r e t h a n o n e t i s s u e t y p e ; h o w e v e r , t h e v a l u e s c a n b e c o m p a r e d i f t h e same s l i c e i s e x c i t e d i n s e r i a l s t u d i e s . T h i s i s c o n s i d e r e d a g a i n i n C h a p t e r 3 . b . S p i n - s p i n R e l a x a t i o n ( T 2 ) ( 1 ) D e f i n i t i o n I m m e d i a t e l y a f t e r a s p i n s y s t e m h a s b e e n p e r t u r b e d b y a 9 0 ° p u l s e , f o r e x a m p l e , t h e s p i n s o f t h e i n d i v i d u a l n u c l e i a r e i n p h a s e . T h e y t h e n b e g i n t o e x c h a n g e e n e r g y w i t h o n e a n o t h e r l e a d i n g t o t h e d e c a y o f t h e m a g n e t i z a t i o n i n t h e x ' y ' p l a n e , M , , w i t h a t i m e c o n s t a n t T 2 . I n a d d i t i o n , i n h o m o g e n e i t i e s i n t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d , A B 0 , w i l l r e s u l t i n a r a n g e o f L a r m o r p r e c e s s i o n f r e q u e n c i e s w h i c h a l s o c a u s e M , t o d e c a y . O v e r a l l My- d e c r e a s e s t o z e r o w i t h a t i m e c o n s t a n t T 2 * w h i c h i n c l u d e s a t e r m f o r t h e f i e l d i n h o m o g e n e i t y ( e q u a t i o n 2 3 ) . i i **o — - — + (23) * T 2 T 2 T2 F l u c t u a t i n g f i e l d s I n t h e x , y a n d z d i r e c t i o n s a l l h a v e a n e f f e c t o n T 2 „ T h e T 2 o f a n u c l e u s b o u n d t o a p a r a m a g n e t i c s i t e i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n 2 4 . 4 ^ 62 1 2 2 2 1 Y\& S(S+1)B c + 13x c (24) 15 6 r 1+U)TX 2 2 l + 0 ) o T 2 2 + l s ( S + l ) - 3 h x e + x e T h e p a r a m e t e r s a r e t h e e q u i v a l e n t o f t h o s e i n t h e T j e q u a t i o n ( p . 4 7 ) a n d t h e t e r m s a r i s e f r o m t h e same t y p e s o f i n t e r a c t i o n s a s t h o s e d e s c r i b e d f o r T j . ( i i ) M e a s u r e m e n t o f A s p r e v i o u s l y m e n t i o n e d , t h e m a g n e t i z a t i o n d e c a y i s d e p e n d e n t n o t o n l y o n T 2 , b u t o n t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d i n h o m o g e n e i t y . I t i s t h e r e f o r e n o t p o s s i b l e t o u s e T 2 a s a m e a s u r e o f T ^ . 27 I n 1 9 5 0 , H a h n p r o p o s e d t h e u s e o f t h e s p i n - e c h o m e t h o d t o o v e r c o m e t h e d e p h a s i n g e f f e c t o f t h e f i e l d i n h o m o g e n e i t y . T h e p r i n c i p l e b e h i n d t h e s p i n - e c h o t e c h n i q u e was s h o w n i n F i g u r e 6 , p a g e 1 3 . I m m e d i a t e l y a f t e r a p p l i c a t i o n o f t h e 9 0 ° p u l s e , a l l t h e n u c l e a r s p i n s a r e i n p h a s e , i . e . ' t h e y a r e a l l p r e c e s s . i n g w i t h t h e same L a r m o r f r e q u e n c y . T h e p r e s e n c e o f a n y i n h o m o g e n e i t y i n t h e s t a t i c m a g n e t i c f i e l d means t h a t n o t a l l n u c l e i w i l l b e e x p e r i e n c i n g t h e same e x t e r n a l f i e l d , a n d t h e r e s u l t o f t h i s i s d e p h a s i n g o f t h e s p i n s . I f t h e s p i n s a r e a l l o w e d t o d e p h a s e f o r a t i m e x , f o l l o w e d b y a p p l i c a t i o n o f a 1 8 0 ° p u l s e a b o u t t h e x - a x i s , t h e y w i l l r e f o c u s o r come b a c k i n t o 63 p h a s e a t t i m e 2 t , when t h e y c a n be d e t e c t e d . T h e i n t e n s i t y i s m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f Zx, t h u s p r o v i d i n g a v a l u e o f b y c a r r y i n g o u t e i t h e r a l o g a r i t h m i c p l o t o r a n e x p o n e n t i a l f i t . The r e p e a t t i m e f o r t h e s e q u e n c e m u s t be s u f f i c i e n t l y l o n g t o a l l o w r e t u r n t o e q u i l i b r i u m b e t w e e n s u c c e s s i v e p u l s e s , j u s t a s i n t h e IR T j e x p e r i m e n t . The u s e o f t h e s p i n - e c h o m e t h o d i s l i m i t e d h o w e v e r , s i n c e m o l e c u l a r d i f f u s i o n may o c c u r d u r i n g t h e r e f o c u s i n g o f t h e m a g n e t i z a t i o n r e s u l t i n g i n a r e d u c t i o n i n t h e e c h o 28 a m p l i t u d e . C a r r a n d P u r e e 11 h a v e s h o w n t h a t t h e e f f e c t o f d i f f u s i o n o n a s p i n - e c h o e x p e r i m e n t i s d e p e n d e n t o n t h e s p a t i a l m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t s ( G ) , t h e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t (D) a n d t h e t i m e d u r i n g w h i c h d i f f u s i o n c a n o c c u r . I t i s g i v e n b y e q u a t i o n 1 0 . I ( 2 T ) " I o e x P ( - 2 * / T 2 ) exp (- | Y 2G 2D - c 3 ) (10) 3 T h e x d e p e n d e n c e means t h a t t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n w i l l b e much m o r e p r o n o u n c e d f o r l a r g e v a l u e s o f T^. T h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n c a n b e o v e r c o m e , t o a g r e a t e x t e n t , b y u s i n g 29 t h e C a r i — P u r e e 11 m e t h o d , w h i c h I s a m o d i f i c a t i o n o f t h e Hahn s p i n - e c h o m e t h o d . T h e C a r i — P u r e e 11 p u l s e s e q u e n c e i s g i v e n i n e q u a t i o n 2 5 , (90°-T-180°—c-[echo ] -T-180°-x-[echo]- ) (25) P o s i t i v e a n d n e g a t i v e e c h o e s a r e a l t e r n a t e l y f o r m e d . T h i s m e t h o d h a s t w o a d v a n t a g e s : i t s a v e s t i m e a n d b y m a k i n g x 64 s h o r t t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n may b e v i r t u a l l y e l i m i n a t e d . One d r a w b a c k i s t h a t p u l s e i m p e r f e c t i o n s may c a u s e i n c o m p l e t e r e p h a s i n g o f t h e s p i n s r e s u l t i n g i n e r r o r . T h i s s e q u e n c e i s n o t a v a i l a b l e o n t h e i n s t r u m e n t u s e d f o r t h e s e s t u d i e s . The same p h a n t o m c o n s t r u c t e d f o r t h e T j m e a s u r e m e n t s was a l s o u s e d f o r t h e T 2 m e a s u r e m e n t s . H o r i z o n t a l ( x z ) SE s l i c e i m a g e s w e r e o b t a i n e d , w i t h i - v a l u e s i n t h e r a n g e 1 3 - 1 6 0 ms a n d TR o f 3 s e c p l u s t , f o r t h e C u S 0 4 a n d M n C l 2 s o l u t i o n s . T h e i n t e n s i t i e s w e r e a g a i n o b t a i n e d d i r e c t l y f r o m t h e i m a g e s a n d a n e x p o n e n t i a l f i t t o e q u a t i o n 9 was c a r r i e d o u t t o d e t e r m i n e T 2 , X ( 2 T ) " X o - P C - ^ ' V ( 9 > w h e r e I = e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n . A 957. a c c u r a c y l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s was c a r r i e d o u t o n a l 1 T 2 v a l u e s o b t a i n e d , a n d v a l u e s p l u s o r m i n u s t w o s t a n d a r d d e v i a t i o n s a r e g i v e n i n T a b l e V I . 65 Table VI: T 2 values for various concentrations of CuS0 4 and MnCl 2 solution, obtained at 20 (± 1)°C using the spin-echo method. Two values are given for each concentration corresponding to two d i f f e r e n t positions in the receiver c o i l . Solution Concentration (mM) T 2 (ms) CuSO. 4 4.96 1 16 ± 4 4.96 116 ± 4 2.54 194 ± 10 2.54 191 ± 15 0.99 313 ± 22 0.99 354 ± 26 MnCl 2 0.67 46 ± 2 0.67 46 ± 3 0.34 78 ± 3 0.34 78 ± 5 0.16 136 ± 7 0. 16 136 ± 4 0.06 244 ± 14 0.06 248 ± 9 66 ( i i i ) C o m p u t e d Two s p i n - e c h o i m a g e s a r e r e q u i r e d t o c a r r y o u t a 1^ c o m p u t a t i o n u s i n g t h e P i c k e r I n t e r n a t i o n a l I n s t r u m e n t s o f t w a r e . T h e s e i m a g e s m u s t h a v e e q u a l r e p e a t t i m e s a n d d i f f e r e n t e c h o t i m e s . T h e r a t i o o f t h e s e i n t e n s i t i e s i s t h e n t a k e n , t h u s e l i m i n a t i n g t h e image i n t e n s i t y d e p e n d e n c e o n t h e e q u i l i b r i u m m a g n e t i z a t i o n a n d T j . J 2 i s t h e n o b t a i n e d f r o m a l o o k - u p t a b l e , j u s t a s f o r 7 . T h e r a t i o i s g i v e n i n e q u a t i o n 2 6 . T 2 c o m p u t a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t o n t h e same s o l u t i o n s a s i n ( f i ) , u s i n g s p i n - e c h o t - t i m e s o f 20 ms a n d 40 m s , a n d t h e r e s u l t s a r e g i v e n i n T a b l e V I I . ISE. ( l -ZexpC-k . /T. ) + exp(-TR/T ) exp(2x /T ) S i = — - (26) I S E ( l-2exp ( -k 2 /T 1 ) + exp(-TR/T 1) exp(2T 2 /T 2 ) 67 T a b l e V I I : C o m p u t e d T 2 v a l u e s f o r v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f C u S 0 4 a n d M n C l 2 s o l u t i o n s , o b t a i n e d a t 20 (± 1 ) ° C . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o l l . S o l u t i o n C o n c e n t r a t i o n (mM) T 2 (ms) CuSC* 4 4 . 9 6 120 4 . 9 6 131 2 . 5 4 2 1 9 2 . 5 4 221 0 . 9 9 522 0 . 9 9 5 4 8 M n C l 2 0 . 6 7 43 0 . 6 7 44 0 . 3 4 77 0 . 3 4 78 0 . 16 135 0 . 16 137 0 . 0 6 4 1 4 0 . 0 6 443 68 The e f f e c t o f v a r y i n g t h e c o m b i n a t i o n o f t - t i m e o n t h e r e s u l t a n t T 2 v a l u e s was a l s o e x a m i n e d . C o m p u t e d T 2 m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t o n t h e M n C l ^ s o l u t i o n s , u s i n g d i f f e r e n t i - t i m e s , a n d t h e r e s u l t s a r e g i v e n i n T a b l e V I I I . T a b l e V I I I : C o m p u t e d T 2 v a l u e s f o r v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f M n C l 2 s o l u t i o n s , o b t a i n e d a t 20 (± 1 ) ° C u s i n g v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f i - t i m e s . Two v a l u e s a r e g i v e n f o r e a c h c o n c e n t r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t w o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e r e c e i v e r c o i l . C o n c e n t r a t i o n (mli) 2 0 , 4 0 t - t i m e s (ms) 2 0 , 6 0 4 0 , 6 0 0 . 6 7 43 43 44 0 . 6 7 44 43 46 0 . 3 4 77 77 71 0 . 3 4 78 71 69 0 . 16 135 124 123 0 . 16 137 129 122 ( i v ) E f f e c t s o f D i f f u s i o n O n l y t h e SE m e t h o d i s a v a i l a b l e f o r m e a s u r i n g T 2 u s i n g t h e w h o l e b o d y i m a g i n g i n s t r u m e n t . A s e x p e c t e d , when a t t e m p t s w e r e made t o m e a s u r e l o n g T 2 v a l u e s , t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n r e s u l t e d i n a b n o r m a l l y 6 9 l o w v a l u e s o f T ^ . A maximum v a l u e o f 2 0 0 ms c o u l d b e m e a s u r e d . T h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n o n t h e c o m p u t e d T 2 v a l u e s a r e m i n i m i z e d b e c a u s e a r a t i o I s t a k e n a n d , a s a r e s u l t , a b o v e T 2 = 2 0 0 ms t h e c o m p u t e d v a l u e s a r e h i g h e r t h a n t h o s e o b t a i n e d u s i n g t h e e x p o n e n t i a l f i t s t o t h e SE d a t a . ( v ) D i s c u s s i o n T h e T 2 d a t a i s s u m m a r i z e d i n F i g u r e 2 8 . F o r T 2 v a l u e s i n t h e r a n g e 4 0 - 2 0 0 m s , t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n s p i n - e c h o d a t a a n d t h e c o m p u t e d T 2 v a l u e s i s 15% o r l e s s . T h e c o m p u t e d T 2 i m a g e s a r e u s e f u l , s i n c e n o t o n l y c a n t h e y p r o v i d e a q u i c k I n d i c a t i o n o f t h e T 2 _ v a ] u e t , u t t h e y a l s o m i n i m i z e t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n , t h e r e b y a l l o w i n g t h e s t u d y o f l o n g e r T 2 . H o w e v e r , j u s t a s f o r t h e c o m p u t e d T j v a l u e s , i t i s n o t p o s s i b l e t o make e r r o r e s t i m a t e s o r t o e x t r a c t i n f o r m a t i o n o n m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r f r o m t h e s e n u m b e r s . A b o v e t h e r a n g e o f 4 0 - 2 0 0 m s , t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n I n c r e a s e , a s o n e w o u l d e x p e c t . The T J / T 2 r a t i o f o r w a t e r d o p e d w i t h C u S 0 4 j S c l o s e t o u n i t y , a n d o n c e t h e T 2 v a l u e g e t s a b o v e 2 0 0 m s , t h e s p i n - e c h o d a t a d o e s n o t r e f l e c t t h i s . C o m p a r i s o n o f l i t e r a t u r e v a l u e s 5 1 o b t a i n e d a t t h e same f i e l d u s i n g t h e C a r r - P u r c e l 1 m e t h o d , a s m o d i f i e d b y M e i b o o m a n d G i l l 5 3 , s h o w s a c o r r e l a t i o n o f a f e w p e r c e n t f o r t h e r a n g e 4 0 - 2 0 0 m s . 70 Although t h i s i s a narrow range, many t i s s u e T2~values l i e w i t h i n i t , i n p a r t i c u l a r those o f b r a i n t i s s u e . i " 3 ' 5 * I oS oTi oTT^ Concent rat ion (mM) Concent ration (mM) F i g u r e 28: a. P l o t o f s p i n - s p i n r a t e versus c o n c e n t r a t i o n f o r CuSO. 4 s o l u t i o n s . O SE data & Computed data b. P l o t o f s p i n - s p i n r e l a x a t i o n r a t e versus c o n c e n t r a t i o n f o r MnC^ s o l u t i o n s O SE data A Computed data 7 1 CHAPTER 3 A p p l i c a t i o n s o f Q u a n t i t a t i v e NMR I m a g i n g T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s I n d e t a i l a n e x p e r i m e n t a l a p p l i c a t i o n o f q u a n t i t a t i v e NMR i m a g i n g j_n v i v o . T h e r e a d e r i s I n t r o d u c e d t o t h e s t r u c t u r e o f t h e b r a i n a n d s p i n a l c o r d , a n d t h e d i s e a s e s o f i n t e r e s t i n t h i s s t u d y . How t h e s e d i s e a s e s a f f e c t t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m i s a l s o exp1 a i n e d . ( i ) B a c k g r o u n d T h e n e r v e c e l l s , o r n e u r o n s o f t h e b r a i n a n d s p i n a l c o r d c o n s i s t d f c e l l b o d i e s a n d a x o n s , a s s h o w n i n F i g u r e 2 9 . I t i s a l o n g t h e a x o n t h a t t h e n e r v e i m p u l s e s t r a v e l , a n d t h e a x o n s o f d i f f e r e n t n e u r o n s c o m m u n i c a t e w i t h o n e dendrites axon F i g u r e 2 9 : D i a g r a m o f n e r v e c e l l . a n o t h e r a t j u n c t i o n s known a s s y n a p s e s . Many a x o n s a r e s u r r o u n d e d b y a m y e l i n s h e a t h , w h i c h I n c r e a s e s t h e r a t e a t 72 w h i c h t h e a x o n c a n c o n d u c t i m p u l s e s . T h e m y e l i n a l l o w s w h a t i s known a s s a l t a t o r y c o n d u c t i o n . T h i s i s w h e r e c o n d u c t i o n i s b y a m i x t u r e o f c a b l e p r o p e r t i e s o f t h e n e r v e f i b r e s , a s w e l l a s b y c h e m i c a l m e c h a n i s m s . I n d e m y e l i n a t i n g d i s e a s e s , s u c h a s M u l t i p l e S c l e r o s i s ( M S ) , t h i s m y e l i n s h e a t h i s b r o k e n d o w n , r e s u l t i n g i n a d e c r e a s e i n t h e s p e e d a t w h i c h a n e r v e i m p u l s e c a n t r a v e l a l o n g t h e a x o n . The a r e a s o f a b n o r m a l i t y i n MS a r e l a r g e (> 3 mm), a n d o f m o r e t h a n o n e t y p e . T h e y c a n o c c u r a n y w h e r e I n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m , p r e d o m i n a n t l y i n t h e w h i t e m a t t e r b u t a l s o i n t h e g r e y m a t t e r . One o f t h e m a j o r p r o b l e m s i n m a p p i n g t h e c o u r s e o f MS I s t h a t t h e o n l y d a t a a v a i l a b l e o n humans I s p o s t m o r t e m , b y w h i c h t i m e t h e d i s e a s e I s u s u a l l y i n t h e c h r o n i c s t a g e . T h i s means t h a t l i t t l e i s known a b o u t t h e p a t h o l o g y o f t h e e a r l y s t a g e s o f t h e d i s e a s e . F o r t h i s r e a s o n , a n i m a l m o d e l s f o r MS h a v e b e e n d e v e l o p e d i n o r d e r t o s t u d y t h e m e c h a n i s m o f t h e d e v e l o p m e n t o f t h e e a r l y l e s i o n . One s u c h m o d e l i s E x p e r i m e n t a l A l l e r g i c E n c e p h a l o m y e l i t i s ( E A E ) . NMR i m a g i n g h a s p r o v i d e d a n o p p o r t u n i t y f o r s e r i a l l y s t u d y i n g b o t h MS a n d EAE w i t h n o known r i s k t o t h e s u b j e c t . The a b i l i t y t o d e t e c t a b n o r m a l a r e a s i s a r e s u l t o f c h a n g e s i n t h e NMR c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p r o t o n s . T h e m o l e c u l a r e n v i r o n m e n t o f t h e p r o t o n s c h a n g e s , w h i c h i n t u r n a f f e c t s t h e i r NMR p r o p e r t i e s . I t i s t h e s e m o l e c u l a r c h a n g e s t h a t m u s t e v e n t u a l l y b e c h a r t e d , s i n c e t h e y a r e r e s p o n s i b l e f o r 73 the changes observed as gross pathology and on the NMR images. T h i s was the b a s i s f o r undertaking these s t u d i e s o f EAE i n primates. It i s known t h a t the f i r s t event i n EAE i s inflammation l e a d i n g t o haemorrhagic n e c r o s i s . E v e n t u a l l y demye1ination i s a l s o p r e s e n t . In t h i s p r o j e c t s e r i a l s t u d i e s have shown t h a t the p r o g r e s s i o n o f EAE can be f o l l o w e d u s i n g NMR imaging. Furthermore, measurement o f Tj and T^ as a f u n c t i o n o f time p r o v i d e s an i n d i c a t i o n o f change on a molecular l e v e l ±n v i vo. ( i i ) I nduction o f EAE and NMR Imaging P r o t o c o l EAE was induced i n a male Macaca f a s c i cu1ar i s monkey, weighing 3 kg, by i n j e c t i o n o f 0.15 mL o f a w a t e r - i n - o i l emulsion c o n t a i n i n g 15 mg monkey myelin b a s i c p r o t e i n and 0.5 mg heat k i l l e d Mycobacter i um tubercu1os i s i n t r a d e r m a l l y 54 in the h i n d f o o t pads . The animal was o b t a i n e d from the Bureau o f B i o l o g i e s Breeding Colony i n Ottawa and was housed f i r s t i n the UBC Animal Care F a c i l i t y on South Campus Road, then a f t e r i n d u c t i o n o f the d i s e a s e , he was moved t o the Acute Care Unit animal care f a c i l i t y . NMR imaging data were c o l l e c t e d on the P i c k e r I n t e r n a t i o n a l whole body imaging system u s i n g a r e c e i v e r c o i l with an a p e r t u r e o f 15 cm. Data were c o l l e c t e d u s i n g m u l t i - s l i c e spin-echo and i n v e r s i o n - r e c o v e r y p u l s e sequences, both o f which p r o v i d e d 8 contiguous 5 mm t h i c k 74 s l i c e s . E c h o d e l a y s ( 2 t ) o f 40 ms a n d 60 ms w e r e e m p l o y e d i n t h e s p i n - e c h o s e q u e n c e s . A i - t i m e o f 400 ms was u s e d f o r t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y s e q u e n c e , a n d i n a l l s e q u e n c e s t h e r e p e a t t i m e was 2 s e c . T h e s e p a r a m e t e r s w e r e c h o s e n i n o r d e r t o a l l o w d i r e c t c o m p a r i s o n w i t h human MS d a t a , a n d t h e c h o i c e o f p u l s e s e q u e n c e s w o u l d a l l o w c o m p u t a t i o n o f T j a n d V A s i n d i c a t e d i n C h a p t e r 2 , v o l u m e a v e r a g i n g c a n g i v e r i s e t o m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r . When i m a g e s a r e o b t a i n e d f r o m t h e m o n k e y ' s b r a i n , b o t h g r e y a n d w h i t e m a t t e r may b e e x c i t e d i n t h e same s l i c e . I f t h e r e s u l t s o f s e r i a l s c a n n i n g w e r e t o be c o m p a r a b l e , t h e n a c c u r a t e r e p o s i t i o n i n g o f t h e m o n k e y ' s h e a d was e s s e n t i a l ; t h e same s l i c e s h a d t o b e e x c i t e d i n e a c h s e t o f i m a g e s o b t a i n e d . T h i s was a c h i e v e d In t h e f o l l o w i n g w a y : u s i n g P o l y f l e x - 1 1 , a c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e t h e r m o p l a s t i c p o l y m e r u s e d I n t h e P E T p r o g r a m , a m o u l d was made o f t h e m o n k e y ' s h e a d , a n d f i t t e d t o t h e r e c e i v e r c o l l . T h i s a l l o w e d r e p o s i t i o n i n g w i t h i n 2 mm f o r e a c h s e t o f s c a n s . F i g u r e 30 s h o w s t h e p o s i t i o n o f t h e m o n k e y i n t h e s c a n n e r a n d t h e s l i c e i m a g e s b e i n g o b t a i n e d . 75 F i g u r e 3 0 : D i a g r a m s h o w i n g t h e p o s i t i o n o f t h e m o n k e y i n t h e i n s t r u m e n t a n d t h e s l i c e s b e i n g o b t a i n e d . ( i i i ) D e v e l o p m e n t o f EAE U s i n g NMR I m a g i n g T h e m o n k e y was a n a e s t h e t i z e d f o r i m a g i n g u s i n g 0 . 8 mL c o m b i n a t i o n o f k e t a m i n e a n d r o m p u n , ( 1 2 : 1 r a t i o ) t h e e f f e c t s o f w h i c h l a s t e d 1 . 5 - 2 h o u r s . He was c h e c k e d t h r e e t i m e s e v e r y 24 h o u r s f o r t h e o n s e t o f c l i n i c a l s i g n s ^ 5 a n d s c a n n e d d a i l y u n t i l t h e d e t e c t i o n o f t h e f i r s t a b n o r m a l a r e a , a f t e r w h i c h t i m e he was s c a n n e d a p p r o x i m a t e l y e v e r y 10 h o u r s . T h e m o n k e y d e v e l o p e d a d e f i n i t e a b n o r m a l a r e a i n t h e w h i t e m a t t e r o f t h e l e f t c e r e b r a l h e m i s p h e r e , 16 d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n a n d b e f o r e t h e o n s e t o f a n y o b v i o u s c l i n i c a l s i g n s . T h e i m a g e o b t a i n e d o n t h a t d a y I s s h o w n i n F i g u r e 3 1 . A s p i n - e c h o p u l s e s e q u e n c e w i t h a n e c h o - d e l a y o f 40 ms was u s e d t o o b t a i n t h e i m a g e . T h e a r r o w i n d i c a t e s t h e a b n o r m a l a r e a . A f t e r t h e 1 8 0 ° r e f o c u s i n g p u l s e i s a p p l i e d 76 I n t h e s p i n - e c h o s e q u e n c e , t h e s i g n a l i n t e n s i t y o b s e r v e d f r o m t h e a b n o r m a l a r e a i s g r e a t e r t h a n t h a t f r o m n o r m a l w h i t e m a t t e r d u e t o a n i n c r e a s e t n T _ f a d e c r e a s e i n i t s r e l a x a t i o n r a t e . The a b n o r m a l a r e a t h e r e f o r e a p p e a r s b r i g h t e r t h a n n o r m a l t i s s u e o n a s p i n - e c h o I m a g e . F i g u r e 3 1 : T r a n s v e r s e SE i m a g e o f t h e m o n k e y ' s b r a i n , s h o w i n g t h e a b n o r m a l a r e a i n t h e l e f t h e m i s p h e r e ( r i g h t s i d e o f i m a g e ) . T h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s e a s e c o u l d b e e a s i l y f o l l o w e d . F i g u r e 32 s h o w s a s e r i e s o f s p i n - e c h o i m a g e s o b t a i n e d f r o m t h e m o n k e y . T h e number o f d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n a r e a s I n d i c a t e d i n t h e c a p t i o n . 77 F i g u r e 3 2 : S e r i e s o f t h r e e s p i n - e c h o Images o b t a i n e d f r o m t h e m o n k e y ' s b r a i n . a . 1 6 . 2 5 d a y s a f t e r i n o c u l a t i o n b . 1 6 . 7 5 d a y s a f t e r I n o c u l a t i o n c . 1 8 . 4 2 d a y s a f t e r I n o c u l a t i o n T h e l i g h t a r e a s a r e a b n o r m a l . 78 ( i v ) Q u a n t i t a t i o n o f NMR P a r a m e t e r s T j a n d c o m p u t a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t o n t h e a b n o r m a l a r e a s f r o m t h e d a y o f a p p e a r a n c e u n t i l d e a t h . T a b l e IX a n d X c o n t a i n s a m p l e s e r i e s o f t h e s e m e a s u r e m e n t s , o b t a i n e d f r o m t h e same s l i c e d u r i n g s e r i a l s c a n n i n g . T a b l e I X : T } v a l u e s a s a f u n c t i o n o f t i m e a f t e r i n d u c t i o n o f E A E , f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l , a n d t h e l e s i o n . T i m e ( D a y s ) WM T j (ms) GM L e s i o n 1 6 . 2 5 3 7 0 5 3 0 4 4 0 1 6 . 7 5 370 530 480 1 7 . 1 2 3 9 0 520 500 1 7 . 6 7 3 8 0 530 540 1 8 . 04 3 9 0 530 570 1 8 . 4 2 3 7 0 5 1 0 590 1 8 . 9 2 370 520 600 79 T a b l e X : T ^ v a l u e s a s a f u n c t i o n o f t i m e a f t e r i n d u c t i o n o f E A E , f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l a n d t h e l e s i o n . T i m e ( D a y s ) WM T 2 (ms) GM L e s i o n 1 6 . 2 5 110 110 150 1 6 . 7 5 110 110 150 1 7 . 1 2 120 140 2 0 0 1 7 . 6 7 120 1 10 180 1 8 . 0 4 120 100 2 2 0 1 8 . 4 2 100 90 2 4 0 1 8 . 9 2 1 10 110 2 4 0 T a b l e X I c o n t a i n s T j d a t a f o r d i f f e r e n t s l i c e s , o b t a i n e d f r o m t h e m o n k e y ' s b r a i n i m m e d i a t e l y p r i o r t o d e a t h . T h e s e v a l u e s , t o g e t h e r w i t h t h o s e f o r 1^, w e r e c o r r e l a t e d w i t h t h e p a t h o l o g y f o u n d p o s t m o r t e m . 80 T a b l e X I : T j v a l u e s f r o m f i v e d i f f e r e n t s l i c e i m a g e s i m m e d i a t e l y p r i o r t o d e a t h f o r w h i t e m a t t e r (WM) a n d g r e y m a t t e r (GM) w h i c h a p p e a r n o r m a l , a n d t h e l e s i o n . SI i c e WM T j (ms) GM L e s i o n 1 3 9 0 4 9 0 6 1 0 2 3 9 0 4 5 0 6 0 0 3 3 9 0 4 7 0 6 5 0 4 3 9 0 4 7 0 560 5 4 0 0 500 6 6 0 ( v ) D i s c u s s i o n T h e s e s t u d i e s w e r e b a s e d o n t h e p o s t u l a t e t h a t NMR i m a g i n g c a n b e u s e d t o d e t e c t a n d f o l l o w t h e d e v e l o p m e n t o f EAE i n p r i m a t e s . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s h a v e 56 s h o w n t h i s t o b e t r u e EAE c a n b e d e t e c t e d i n p r i m a t e s b e f o r e t h e o n s e t o f c l i n i c a l s i g n s u s i n g NMR i m a g i n g . T h i s h a s i m p l i c a t i o n s f o r t h e s t u d y o f MS i n h u m a n s ; some MS l e s i o n s a p p e a r u n a c c o m p a n i e d b y new c l i n i c a l s y m p t o m s . I t may b e t h a t t h e f i r s t l e s i o n o b s e r v e d i n t h e m o n k e y , w h i c h was n o t r e f l e c t e d c l i n i c a l l y , i s p a t h o l o g i c a l l y s i m i l a r t o c l i n i c a l l y a s y m p t o m a t i c MS l e s i o n s i n h u m a n s . C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e s e a s y m p t o m a t i c l e s i o n s i n MS 81 c o u l d p r o v i d e the i n f o r m a t i o n necessary t o understand and c h a r t the p r o g r e s s i o n o f the d i s e a s e . T h i s i s an e x c i t i n g t o p i c f o r f u r t h e r e x p l o r a t i o n . The progress o f EAE in primates can be e a s i l y f o l l o w e d u s i n g NMR imaging. The time o f appearance o f i n d i v i d u a l l e s i o n s c o u l d be noted, which a 1 lowed mapping o f the d i s e a s e post mortem. U n t i l now, t h i s i n f o r m a t i o n on the whole d i s e a s e process has been un o b t a i n a b l e . Accurate r e p o s i t i o n i n g i s e s s e n t i a l , s i n c e volume a v e r a g i n g c o u l d lead t o d i s c r e p a n c i e s i n the appearance o f the image, and in q u a n t i t a t i v e measurements, i f more than one t i s s u e type i s c o n t r i b u t i n g t o the s i g n a l observed from a p a r t i c u l a r s l i c e . Comparison o f the r e l a x a t i o n data o b t a i n e d immediately p r i o r t o death with the h i s t o p a t h o l o g y , r e v e a l s t h a t longer Tj and T 2 values a r e a s s o c i a t e d with the presence o f inflammation, haemorrhagic n e c r o s i s and d e m y e l i n a t i o n . In the i n i t i a l stages o f the d i s e a s e , not a l l t h r e e types o f pathology are pr e s e n t . The changes i n T j and T 2 over time r e f l e c t the molecular changes o c c u r r i n g due t o the p r o g r e s s i o n o f the d i s e a s e . The i n d i v i d u a l changes i n T j and T 2 from d e t e c t i o n u n t i l death (607. and 1407. r e s p e c t i v e l y ) a r e s i z e a b l e compared with the e r r o r s o f 127. and 157. found i n the s t u d i e s on water doped with paramagnetic s p e c i e s , d e s c r i b e d In Chapter 2. T h i s means t h a t the i n i t i a l l e s i o n can be d i s t i n g u i s h e d from those o c c u r r i n g l a t e r by these changes i n T. and T 9 . In oth e r 82 w o r d s , f t s h o u l d be p o s s i b l e t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n a r e a s o f i n f l a m m a t i o n ( w h i c h i s a n e a r l y e v e n t ) a n d a r e a s c o n t a i n i n g d e m y e 1 i n a t i o n ( w h i c h o c c u r s l a t e r i n t h e p r o g r e s s o f t h e d i s e a s e . ) I n a d d i t i o n t o t h i s , t h e r e i s a n e l e v a t i o n i n T j b e f o r e t h e l e s i o n i s v i s i b l e o n t h e NMR i m a g e . I f t h i s e l e v a t i o n i s r e p r o d u c i b l e , a n d i s l a r g e i n c o m p a r i s o n t o t h e e r r o r s i n v o l v e d , t h e n t h i s i n d i c a t e s t h a t a f r e s h l e s i o n c a n be d e t e c t e d b y c h a n g e s i n T j b e f o r e i t i s v i s i b l e o n t h e i m a g e . T h e r e s u l t s o f t h i s w o r k h a v e s h o w n t h a t q u a n t i t a t i v e NMR i m a g i n g h a s t h e p o t e n t i a l f o r a n s w e r i n g many p e r t i n e n t q u e s t i o n s r e g a r d i n g EAE i n p r i m a t e s a n d e v e n t u a l l y MS I n h u m a n s . 8 3 CONCLUSIONS It has been shown t h a t r e p r o d u c i b l e v a l u e s o f the s p i n - l a t t i c e r e l a x a t i o n t ime ( T j ) , in the range 100-600 ms, can be o b t a i n e d u s i n g the i n v e r s i o n - r e c o v e r y method, a t a f i e l d s t r e n g t h o f 0.15 T e s l a on water doped w i t h v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f paramagnet ic s p e c i e s . I t has a l s o been shown t h a t chang ing the image s l i c e s e l e c t g r a d i e n t and the s p i n - e c h o read t ime do not a f f e c t the r e s u l t a n t T j v a l u e s . Us ing s c a t t e r in r e s u l t s o b s e r v e d under a range o f c o n d i t i o n s , i t has been e s t i m a t e d t h a t the u n c e r t a i n t y in the Tj v a l u e s o b t a i n e d u s i n g t h e i n v e r s i o n - r e c o v e r y method i s l e s s than 127.. T h i s method produces T j v a l u e s which a r e c o n s i s t e n t w i th the r e s u l t s o f t h e t w o - p o i n t computat iona l method, and in a d d i t i o n , makes e r r o r e s t i m a t e s p o s s i b l e . The i n v e r s i o n - r e c o v e r y method can a l s o p r o v i d e i n f o r m a t i o n on mu1t iexponent ia1 r e l a x a t i o n b e h a v i o u r , which i s Important f o r j_n v i vo s t u d i e s . The T j v a l u e s o b t a i n e d a r e w i t h i n 127. o f l i t e r a t u r e v a l u e s measured under c o n v e n t i o n a l s p e c t r o s c o p i c c o n d i t i o n s w i t h no magnet ic f i e l d g r a d i e n t s p r e s e n t . R e s u l t s show t h a t r e p r o d u c i b l e v a l u e s o f the s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t ime ( T 2 ) in the range 40-200 ms, can be o b t a i n e d u s i n g the s p i n - e c h o method, a t a f i e l d s t r e n g t h o f 0.15 T e s l a on water doped w i t h paramagnet ic s p e c i e s . Above t h i s range the e f f e c t s o f d i f f u s i o n 84 become Important, r e s u l t i n g in abnormally low values o f T 2 , compared with l i t e r a t u r e values o b t a i n e d u s i n g the C a r r - P u r c e l 1 method, as m o d i f i e d by Meiboom and G i l l . The e r r o r s estimated f o r T 2 f n the range 40-200 ms are ± 157. and the r e s u l t s are w i t h i n 127. o f the l i t e r a t u r e v a l u e s . The spin-echo method p r o v i d e s T 2 values i n the range 40-200 ms, which are c o n s i s t e n t with values o b t a i n e d u s i n g the two-point computational method, and i n a d d i t i o n makes e r r o r estimates p o s s i b l e . The computational method takes the r a t i o o f two spin-echo images with d i f f e r e n t T,-values, which minimizes the e f f e c t s o f d i f f u s i o n and p r o v i d e s r e a l i s t i c v alues f o r T 2 longer than 200 ms. NMR imaging can d e t e c t Experimental A l l e r g i c E n c e p h a l o m y e l i t i s (EAE) i n primates b e f o r e the onset o f c l i n i c a l s i g n s . The technique can be used t o f o l l o w the development o f the d i s e a s e , which a l l o w s mapping o f i t s p a t h o l o g i c a l p r o g r e s s i o n . The p r o g r e s s i o n o f the d i s e a s e i s accompanied by a 607. i n c r e a s e i n T j , and a 1407. Increase 1 n T 2 . The r e s u l t s i n d i c a t e t h a t the percentage changes in Tj and T 2 taken t o g e t h e r can be used t o d i s c r i m i n a t e between areas o f inflammation and o t h e r s which c o n t a i n demyel1 n a t i o n . 85 FUTURE WORK NMR a n d EAE i n p r i m a t e s a ) S t u d i e s o f m u l t i e x p o n e n t i a l r e l a x a t i o n b e h a v i o u r i n v i v o . b ) J_n v i t r o T j a n d T 2 m e a s u r e m e n t s o n n o r m a l a n d a b n o r m a l b r a i n t i s s u e . I d e n t i f i c a t i o n o f m u 1 t i e x p o n e n t i a 1 r e l a x a t i o n b e h a v i o u r o f w a t e r a n d f a t p r o t o n s a t h i g h f i e l d . c ) J_n v i t r o NMR s p e c t r o s c o p y o n m o l e c u l e s o t h e r t h a n w a t e r a n d f a t . d ) H i g h f i e l d i m a g i n g a n d s p e c t r o s c o p y j_n v i v o i ) 1 H i mag i n g i i ) 3 1 P i mag i n g i i i ) *H s p e c t r o s c o p y i v ) 2 3 N a i m a g i n g e ) I m m u n o l o g i c a l s t u d i e s o n t h e m o n k e y t o c o r r e l a t e t h e m w i t h q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s , a n d c o m p a r e w i t h human d a t a . NMR a n d MS i n Humans a ) Work h a s a l r e a d y b e g u n o n p o s t m o r t e m NMR s t u d i e s o f b r a i n t i s s u e b e f o r e a n d a f t e r f i x a t i o n . C o r r e l a t i o n s h a v e b e e n made b e t w e e n t h e NMR i m a g e s a n d t h e g r o s s p a t h o l o g y 5 ^ . C o r r e l a t i o n s a r e now b e i n g made b e t w e e n t h e T j a n c j T 2 v a l u e s o b s e r v e d p o s t m o r t e m a n d a f t e r f i x a t i o n , w i t h t h e h i s t o p a t h o l o g y . T h e r e s u l t s o f 8 6 these s t u d i e s can then be compared with those from the monkey; the u l t i m a t e goal being the i d e n t i f i c a t i o n o f d i f f e r e n t types o f MS pathology i n humans on the NMR image u s i n g NMR parameters. b) Q u a n t i t a t i o n o f NMR parameters jjn v i vo and comparison with primate data. 87 R E F E R E N C E S 1. P u r e e 1) E . M . , T o r r e y H . C . a n d P o u n d R . V . P h y s . R e v . 6 9 , 37 ( 1 9 4 6 ) . 2 . B l o c h E . , H a n s e n W.W. a n d P a c k a r d M . P h y s . R e v . 7 0 , 474 ( 1 9 4 6 ) . 3 . W i l l i a m s D . H . C h e m . S o c . R e v . , 1 3 ( 2 ) , 131 ( 1 9 8 4 ) . 4 . D a m a d i a n R . S c i e n c e 1 7 1 , 1151 ( 1 9 7 1 ) . 5 . Moon R . G . a n d R i c h a r d s J . H . J . B i o l . C h e m . 2 4 8 , 7 2 7 6 ( 1 9 7 3 ) . 6 . H e n d e r s o n T . O . , C o s t e l l o A . J . R . a n d O m a c h i A . P r o c . N a t . A c a d . S c i . USA 71., 2 4 8 7 ( 1 9 7 4 ) . 7 . H o u l t D . I . , B u s b y S . J . W . , G a d i a n D . G . , R a d d a G . K . , R i c h a r d s R . F . a n d S e e l e y P . J . N a t u r e ( L o n d o n ) 2 5 2 , 2 8 5 ( 1974) . 8 . D a w s o n M . J . , G a d i a n D . G . a n d W i l k i e D . R . N a t u r e ( L o n d o n ) 2 7 4 , 861 ( 1 9 7 8 ) . 9 . N u n n a l l y R . L . a n d B o t t o m l e y P . A . S c i e n c e 2 1 1 , 177 ( 1 9 8 0 ) . 1 0 . G o r d o n R . E . , Han l e y P . E . , Shaw D . , G a d i a n D . G . , R a d d a G . K . , S t y l e s P . , B o r e P . J . a n d C h a n L . N a t u r e 2 8 7 , 736 ( 1 9 8 0 ) . 1 1 . A l g e r J . R . , S e l l e r u d L . O . , B e h a r K . L . , G i l l i e s R . J . , S h u 1 man R . G . , G o r d o n R . E . , Shaw D. a n d Han l e y P . E . S c i e n c e 2 1 4 , 660 ( 1 9 8 1 ) . 1 2 . R a d d a G . K . , B o r e P . J . , G a d i a n D . G . , R o s s B . D . , S t y l e s 8 8 P . , T a y l o r D . J . a n d M o r g a n - H u g h e s J . N a t u r e 2 9 5 , 6 0 8 ( 1 9 8 2 ) . 1 3 . R o s s B . D . , R a d d a G . K . , G a d i a n D . G . , R o c k e r G . , E s i r i M . a n d F a l c o n e r - S m i t h J . N . E n g l . J . M e d . 3 0 4 , 1338 ( 1 9 8 1 ) . 1 4 . B r e n t o n D . P . , G a r r o d P . J . , K r y w a w i c h S . , R e y n o l d s E . O . R . , B a c h e l a r d H . S . , C o x D . W . a n d M o r r i s P . G . L a n c e t I , 115 ( 1 9 8 5 ) . 1 5 . F a r r a r T . C . a n d B e c k e r E . D . P u l s e a n d F o u r i e r T r a n s f o r m NMR: I n t r o d u c t i o n t o T h e o r y a n d M e t h o d s . New Y o r k , A c a d e m i c P r e s s ( 1 9 7 1 ) . 1 6 . L a u t e r b u r P . C . N a t u r e 2 4 2 , 190 ( 1 9 7 3 ) . 1 7 . B r a c e w e l 1 R . T h e F o u r i e r T r a n s f o r m a n d I t s A p p l i c a t i o n s . New Y o r k , M c G r a w - H i l l ( 1 9 6 5 ) . 1 8 . B r o o k s R . A . a n d D i C h i r o G . P h y s . M e d . B i o l . 2J_, 6 8 9 ( 1 9 7 6 ) . 1 9 . K u m a r A . , W e l t i D . a n d E r n s t R . R . J . M a g n . R e s o n . 1 8 , 69 ( 1 9 7 5 ) . 2 0 . A u e W . P . , B a r t h o l d i E . a n d E r n s t R . R . J . C h e m . P h y s . 6 4 . 2 2 2 9 ( 1 9 7 6 ) . 2 1 . M a n s f i e l d P . A . a n d M o r r i s P . G . NMR I m a g i n g i n B i o m e d i c i n e . E d . Waugh J . S . L o n d o n : A c a d e m i c P r e s s ( 1982) . 2 2 . H i n s h a w W . S . J . A p p l . P h y s . 4 7 , 3 7 0 9 ( 1 9 7 6 ) . 2 3 . H i n s h a w W . S . , B o t t o m l e y P . A . a n d H o l l a n d G . N . N a t u r e ( L o n d o n ) 2 7 0 , 722 ( 1 9 7 7 ) . 8 9 2 4 . S u t h e r l a n d R . J . a n d H u t c h i n s o n J . M . S . J . P h y s . E : S c i . I n s t r . J L L . 79 ( 1 9 7 8 ) . 2 5 . G a r r o w a y A . N . , G r a n n e l l P . K . a n d M a n s f i e l d P . J . P h y s . C . 7 , L 4 5 7 ( 1 9 7 4 ) . 2 6 . T a y l o r D . G . a n d I n a m b a r R . I n P h y s i c a l P r i n c i p l e s a n d C l i n i c a l A p p l i c a t i o n s o f N u c l e a r M a g n e t i c R e s o n a n c e . E d . ; L e r s k i R . A . P a r a d i g m P r i n t , G a t e s h e a d , p . 2 3 ( 1 9 8 5 ) . 2 7 . Hahn E . L . P h y s . R e v . 8 0 , 5 8 0 ( 1 9 5 0 ) . 2 8 . C a r r H . Y . a n d P u r e e 11 E . M . P h y s . R e v . 9 4 , 630 ( 1 9 5 4 ) . 2 9 . S immonds D . , B a n k s L . M . , S t e i n e r R . E . a n d Y o u n g I . R . N e u r o r a d i o 1 o g y 2 5 , 113 ( 1 9 8 3 ) . 3 0 . Y o u n g I . R . , B a i l e s D . R . , B u r l M . , C o l l i n s A . G . , S m i t h D . T . , M c D o n n e l l M . J . , O r r J . S . , B a n k s L . M . , B y d d e r G . M . , G r e e n s p a n R . H . a n d S t e i n e r R . E . J . C o m p u t . A s s i s t . T o m o g r . 6 , 1 ( 1 9 8 2 ) . 3 1 . H e r f k e n s R . , D a v i s P . , C r o o k s L . , K a u f m a n L . , P r i c e D . , M i l l e r T . , M a r g u l i s A . R . , W a t t s J . , H o e n n i n g e r J . , A r a k a w a M . a n d McRee R . R a d i o l o g y 1 4 1 . 211 ( 1 9 8 1 ) . 3 2 . F u l l e r t o n G . D . , P o t t e r J . L . a n d D o r n b l u t h N . C . M a g n . R e s o n . I m a g . 1 , 2 0 9 ( 1 9 8 2 ) . 3 3 . C r o o k s L . E . , A r a k a w a M . , H o e n n i n g e r J . , M c C a r t e n B . , W a t t s J . a n d K a u f m a n L . R a d i o l o g y 1 5 1 , 127 ( 1 9 8 4 ) . 3 4 . C o p e F . W . B i o p h y s . J . 9 , 303 ( 1 9 6 9 ) . 3 5 . B a k k e r C . J . G . a n d V r i e n d J . P h y s . M e d . B i o l . 2 9 ( 5 ) , 5 0 9 ( 1 9 8 4 ) . 90 3 6 . R a i n e C . S . L a b . I n v e s t . 5 0 . ( 6 ) , 6 0 8 ( 1 9 8 4 ) . 3 7 . M a t t h e w s W . B . , A c h e s o n E . D . , B a t c h e l o r J . R . a n d W e l l e r R . O . M c A l p i n e s ' M u l t i p l e S c l e r o s i s . L o n d o n , C h u r c h i l l L i v i n g s t o n e , I n c o r p o r a t e d . ( 1 9 8 5 ) . 3 8 . B a i l e s D . R . * Y o u n g I . R . , Thomas D . J . , S t r a u g h a n K . , B y d d e r G . M . a n d S t e i n e r R . E . C l i n . R a d i o l . 3 3 , 395 ( 1 9 8 2 ) . 3 9 . Y o u n g I . R . , H a l l A . S . , P a l l i s C . A . , B y d d e r G . M . , L e g g N . J . a n d S t e i n e r R . E . L a n c e t I I , 1063 ( 1 9 8 1 ) . 4 0 . L e v y G . C . a n d P e a t I . R . J . M a g n . R e s o n . J_8, 500 ( 1 9 7 5 ) . 4 1 . S t e w a r t W . A . a n d H a l l L . D . P h y s . M e d . B i o l . I n p r e s s . 4 2 . F u k u s h i m a E . a n d R o e d e r S . E x p e r i m e n t a l P u l s e NMR: A N u t s a n d B o l t s A p p r o a c h . A d d i s o n - W e s 1 e y , M a s s a c h u s e t t s , p . 4 8 ( 1 9 8 1 ) . 4 3 . A b r a g a m A . The P r i n c i p l e s o f N u c l e a r M a g n e t i s m . E d s . ; M a r s h a l l W . C . a n d W i l k i n s o n D . H . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s ( 1 9 6 1 ) . 4 4 . Dwek R . A . N u c l e a r M a g n e t i c R e s o n a n c e (NMR) i n B i o c h e m i s t r y : A p p l i c a t i o n s t o E n z y m e S y s t e m s . E d s . ; H a r r i n g t o n W. a n d P e a c o c k e R . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , p . 1 7 5 ( 1 9 7 3 ) . 4 5 . I b i d . p . 1 7 7 . 4 6 . L y n c h L . J . a n d W e b s t e r D . S . J . M a g n . R e s o n . 4 0 , 2 5 9 ( 1 9 8 0 ) . 4 7 . F r e e m a n R . a n d H i l l L . D . W . J . C h e m . P h y s . 5 4 ( 8 ) , 3 3 6 7 91 ( 1 9 7 1 ) . 4 8 . M c D o n a l d G . G . a n d L e i g h J . S . J r . J . M a g n . R e s o n . 9 , 3 5 8 ( 1 9 7 3 ) . 4 9 . H a n s s u m H . J . M a g n . R e s o n . 4 5 , 461 ( 1 9 8 1 ) . 5 0 . S a s s M . a n d Z i e s s o w D . J . M a g n . R e s o n . 25., 263 ( 1 9 7 7 ) . 5 1 . P y k e t t I . L . , R o s e n B . R . , B u o n a n n o F . S . a n d B r a d y T . J . P h y s . M e d . B i o l . 2 8 ( 6 ) , 723 ( 1 9 8 3 ) . 5 2 . R o s e n B . R . , P y k e t t I . L . a n d B r a d y T . J . J . C o m p u t . A s s i s t . T o m o g r . 8 ( 2 ) , 195 ( 1 9 8 4 ) . 5 3 . M e i b o o m S . a n d G i l l D . R e v . S c i . I n s t r u m . 2 9 , 6 8 8 ( 1 9 5 8 ) . 5 4 . A l v o r d E . C . , Shaw C . a n d H r u b y S . A n n . N e u r o l . 6 , 4 6 9 ( 1 9 7 9 ) . 5 5 . A l v o r d E . C . , Shaw C M . , H r u b y S . , S i r e s L . R . a n d SI imp J . C . I n E x p e r i m e n t a l A l l e r g i c E n c e p h a l o m y e l i t i s : A U s e f u l M o d e l f o r M u l t i p l e S c l e r o s i s . E d s . ; A l v o r d E . C . , K i e s M . W . a n d S u c k l i n g A . J . New Y o r k , A l a n R . L i s s , I n c o r p o r a t e d . p . 4 6 1 ( 1 9 8 4 ) . 5 6 . S t e w a r t W . A . , A l v o r d E . C . , H r u b y S . , H a l l L . D . a n d P a t y D . W . L a n c e t . I I , 8 9 8 ( 1 9 8 5 ) . 5 7 . S t e w a r t W . A . , B e r r y K . , H a l l L . D . a n d P a t y D . W . L a n c e t I I , 4 1 2 ( 1 9 8 4 ) . 92 A P P E N D I X I B l o c k D i a g r a m o f P i c k e r I n t e r n a t i o n a l I m a g i n g I n s t r u m e n t i i 9 3

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