Stromdichtebildgebung (CDI) von Strömen, die dem menschlichen Kopf aufgeprägt werden, würde eine individuelle und ortsaufgelöste Abbildung der Gewebeleitfähigkeit ermöglichen. Diese ist für eine zuverlässige funktionale Bildgebung neuronaler Aktivität und für Neuromodulation von zentraler Bedeutung. Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht CDI nicht-invasiv über die Erfassung des Magnetfeldes BJ, welches aus der Stromdichte J resultiert. Die konventionelle MRT im Hochfeld ist bei der Messung von BJ auf eine Raumrichtung limitiert, was die Rekonstruktion des vollen Stromdichtevektors deutlich erschwert. MRT im Ultra-Niedrigfeld (ULF) eröffnet neue Möglichkeiten für CDI. Magnetfelder, erzeugt von Raumtemperaturspulen, können innerhalb einer Pulssequenz beliebig geschalten werden. Dies ermöglicht zero-field encoding, eine Sequenz, bei der alle Komponenten von BJ im Nullfeld detektiert werden. Bisher konnte zero-field encoding mittels ULF MRT nicht realisiert werden, vorwiegend wegen Schwierigkeiten beim definierten Schalten der Magnetfelder. Darüber hinaus ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erforderlich, weil die an einen Menschen angelegten Ströme durch Sicherheitsvorschriften begrenzt sind. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines ULF-MRT-Aufbaus, der in-vivo CDI ermöglicht. Hauptmerkmale sind die Möglichkeit zur definierten Manipulation der Magnetisierungsrichtung, die Fähigkeit alle MRT-Felder nahezu instantan zu schalten und eine sehr hohe Sensitivität. Außerdem wurde die Sequenz modifiziert, sodass durch ein Kalibrierverfahren Phasenverschiebungen, resultierend aus BJ, von den Effekten der Pulssequenz getrennt werden können. Die Methoden wurden erfolgreich in Phantommessungen validiert. BJ und J wurden für 2 mA Ströme in verschiedenen Richtungen zuverlässig rekonstruiert. Diese Demonstration ist die erste Rekonstruktion des vollen J-Vektors auf der Grundlage einer nicht-invasiven Methodik. Bei Stromdichteverteilungen im Bereich der in-vivo erwartbaren Größenordnungen zeigte sich jedoch eine weitere notwendige Verbesserung des SNR. Die Sensitivität wurde zusätzlich theoretisch untersucht, wobei eine Beziehung zwischen dem SNR im Bildbereich und der Unsicherheit der Feldrekonstruktionen zugrunde gelegt wurde. Die Erkenntnisse aus den Phantommessungen und der Sensitivitätsanalyse veranlassten eine Weiterentwicklung des ULF-MRT-Aufbaus. In MRT-Simulationen mit einem realistischen Kopfmodell konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit des Systems ausreichend ist um BJ intrakraniell mit einem SNR[BJ] > 10 darzustellen. Schließlich wurden zwei Demonstrationsmessungen durchgeführt, eine mit einem realistischen Kopfphantom und die andere an einem Freiwilligen, in einer tatsächlichen in-vivo Anwendung. Unter Berücksichtigung weiterer möglicher Verbesserungen stimmten die Rekonstruktionen gut mit den Simulationen überein.
Reliable in-vivo current density imaging (CDI) of currents impressed to the human head would enable individual and spatially resolved conductivity mapping, much valuable for neuroimaging, neuromodulation, and possibly other applications. Magnetic resonance imaging (MRI) can be used for non-invasive CDI. However, conventional high-field MRI can only detect one component of the magnetic field BJ associated with a current density J, hampering the reconstruction of the Jvector. MRI in the ultra-low-field (ULF) regime offers unique possibilities for CDI. The use of non-persistent magnets allows to switch all fields within a pulse sequence facilitating zero-field encoding, a sequence where all components of BJ can be detected in the absence of the MRI fields. Prior to this work, zero-field encoding could not be realized using ULF MRI due to hardware limitations. Furthermore, the application of currents to a human is limited by safety regulations demanding a high signal-to-noise ratio (SNR). This thesis describes the development and characterization of an ULF-MRI setup that
enables in-vivo zero-field-encoded CDI. Key features are the defined manipulation of the magnetization’s orientation, the ability to switch all MRI fields nearly instantaneously, and an outstanding sensitivity. Moreover, modifications to the sequence include a calibration procedure that decomposes phase effects due to BJ from those due to the imaging fields. The method was successfully validated in phantom measurements. BJ and J could be reconstructed reliably for 2 mA currents in different directions. This demonstration of CDI represents the first reconstruction of the full J vector based on a non-invasive method. However, the validation measurements also revealed a gap in SNR required to image the low current densities expected in an in-vivo application. The sensitivity of the method was further investigated by studying the relationship between the image SNR and the uncertainty of the BJ -reconstructions. The insights of the validation measurements and the sensitivity analysis prompted an upgrade of the setup, ensuring sufficient SNR for reliable BJ- and J-reconstructions. MRI simulations using a realistic head model verified that the sensitivity of the final setup is sufficient to reconstruct the magnetic field BJ, associated with the current density J, intra-cranially with an SNR[BJ] > 10. Finally, two demonstration measurements with both, a realistic head phantom and a volunteer in an actual in-vivo application, were performed. With some room for improvement of the setup pending, the reconstructions agreed well with the simulations.
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