Manufacturing Methods for Magnetic Resonance Microscopy Tools with Application to Neuroscience

Magnetresonanztomographie (MR) ist ein unverzichtbares nicht-invases und hochselektives bildgebendes Verfahren in der Medizin. MR Tomographie wird kommerziell in der klinischen Diagnostik und der Forschung für Gehirnkrankheit, z.B. Epilepsie, Alzheimer und Parkinson, angewandt. In den Neurowissenschaften haben sich Kleintiere als biologische Modelle für die grundlegenden Studien zur diesen Gehirnkrankheiten etabliert. MR Methoden sind ein wertvolles Werkzeug um die Morphologie und den Metabolismus von Kleintieren zu untersuchen. Die Modelle für die Untersuchung von Gehirnkrankheiten schließen Zellen/Zellkulturen und organotypische hippocampale Schnittkulturen (OHSC) mit ein. ... mehrObwohl die MR Mikroskopie für die Untersuchung von OHSC schon angewandt wurde fehlt eine effektive Plattform für umfangreiche longitudinale Studien an OHSC wie sie in den Neurowissenschaften üblich sind.
Zwei Detektorkonzepte für die MR Mikroskopie inklusive ihrer Auslegung, der Herstellung und der Charakterisierung, werden in dieser Arbeit beschrieben. Beide Konzepte basieren auf Herstellungsmethoden welche hohe Fertigungsgenauigkeiten zulassen und in ihrem Herstellungsvolumen skalierbar sind. Hohle solenoide Mikrospulen welche für hochauflösende Untersuchung von Zell und Zellanhäufungen geeignet sind werden eingeführt. Die Herstellung basiert auf dem automatisierten wickeln von Mikrospulen, eine skalierbare und hochpräzise Fertigungsmethode der Mikrotechnologie. Zudem werde induktiv gekoppelte Ober ächenspulen eingeführt. Diese Oberflächenspulen fokussieren den magnetischen Fluss und werden deshalb Lenz Linsen genannt. Die Lenz Linsen werden mit kabelgebundenen und induktiv gekoppelten Spulen verglichen. Ihre Breitband-Fähigkeit machen sie zu einem idealen Kandidaten für die Nutzung in verschiedensten MR Tomographie Systemen.
Die Lenz Linsen wurden für den Einsatz in einer MR kompatiblen Inkubationsplattform ausgelegt, welche in dieser Arbeit entwickelt wurde. Der MR Inkubator erweitert die Funktionalität eines MR Tomographen um neurologische Gewebe (z.B. OHSC) über mehrere Stunden andauernde MR Messungen am Leben zu erhalten. Der MR Inkubator erlaubt longitudinale Studien an OHSC und bietet damit eine Plattform für umfangreiche Studien in den Neurowissenschaften.
Die Lenz Linsen wurden zusammen mit dem MR Inkubator für MR Mikroskopie Mes- sung von akuten/ xierten hippocampalen Schnitten und OHSC genutzt. Die Resultate dieser MR Mikoskopie Messungen zeigen dass in OHSC die grobe Zytoarchitektur sicht- bar ist, ohne dass die OHSC während der Messungen sterben. Somit ist das eingeführte System bereit für longitudinale Studien an OHSC, welche bereits für die Aufklärung der Epilepsieprogression begonnen wurden.

Magnetic Resonance (MR) is an indispensable non-invasive and highly selective medical imaging technique. MR imaging is commercially used for clinical diagnostics and research on brain diseases such as epilepsy, Alzheimer’s and Parkinson’s disease. In fundamental neuroscience small animals are established as biological models for gaining a detailed understanding of these diseases. MR is a valuable tool to study morphology and metabolism of small animals, but suffers from low resolution. The models for studying brain diseases include cells/cell clusters and organotypic hippocampal slice cultures (OHSC). ... mehrAlthough MR microscopy was used to study OHSC, an effective screening platform for voluminous longitudinal studies of OHSC is missing.
Two MR microscopy detector concepts, their design, manufacturing and characterisation, are described in this thesis. Both concepts are based on manufacturing methods that allow high accuracy and are scalable in manufacturing volume. Hollow solenoidal micro coils that can be used for high-resolution cell and cell cluster studies are introduced. The manufacturing is based on wire winding micro coils, a scalable and high precision micro manufacturing method. Additionally, inductively coupled magnetic field focussing surface coils, termed Lenz lenses are introduced. The Lenz lenses are compared to wired and inductively coupled coils. Their broadband capability make them an ideal candidate to be used in different MR scanners.
The Lenz lenses were designed to fit into an MR compatible incubation platform developed in this thesis. The MR incubator is designed to expand the MR scanner with the capability to maintain neurological tissue (i.e. OHSC) viable throughout long MR scan times of several hours. The MR incubator allows longitudinal studies of OHSC, therefore offering a screening platform for neuroscience.
The Lenz lenses with the MR incubator were used for MR microscopy on fixed/acute hippocampal slices and on OHSC. The results from the MR microscopy measurements show that in OHSC the crude cytoarchitecture is visible while the OSHC are kept viable. Therefore, the introduced system is ready to be used for longitudinal studies of OHSC which is ongoing for studying the progression of epilepsy.