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Title
Magnetic Susceptibility of Biological Tissue / Thomas Vorauer, BSc.
AuthorVorauer, Thomas
Censor2016-07
Thesis advisorKrenn, Heinz
PublishedGraz, 2016
Description58, XXVII Blätter
Institutional NoteKarl-Franzens-Universität Graz, Masterarbeit, 2016
Annotation
Zusammenfassungen in Deutsch und Englisch
LanguageGerman
Document typeMaster Thesis
Keywords (GND)Gehirn / Magnetometer / Ferritin
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-103730 Persistent Identifier (URN)
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Magnetic Susceptibility of Biological Tissue [9.29 mb]
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Abstract (German)

In dieser Masterarbeit wurden ex-vivo Gewebeproben des menschlichen Gehirnsmithilfe eines Supraleitungs Quanteninterferenz (SQUID) Magnetometers untersucht,um den totalen Eisengehalt und die magnetische Struktur in verschiedenenBereichen des Gehirnes zu bestimmen.Freies Eisen und Eisenradikale werden in einer Eiweißstruktur, welches Ferritingenannt wird, eingeschlossen. Dieses Eisen bewirkt, beim Anlegen eines externenmagnetischen Feldes, ein schwaches, positives, paramagnetisches Signal.Dies macht man sich zu nutze, um mit Hilfe von künstlich eingebrachten Eisenoxid-Teilchen, bei Magnet Resonanz (MRI) Untersuchungen den Kontrast zu erhöhen.Um die Informationen aus MR Bildern zu ergänzen, wurde ein SQUID Magnetometerbenutzt, um die Eisenkonzentration und die Art des magnetischen Zustandesin den verschiedenen Bereichen herauszufinden. Um den Unterschied zwischeneiner "frischen" Ferritin Probe (aus Hirngewebe) und einer gekauften, künstlichenProbe mit bekannter Eisen-Konzentration zu untersuchen, wurde eine PhantomProbe präpariert. Die Messungen zeigen, dass das magnetische Verhalten derPhantom Probe unterschiedlich zu den Gehirn Proben ist. In den Gehirn Probenist das Eisen in kleinen Clustern innerhalb der Ferritinkapseln antiferromagnetischangeordnet, in den Phantom Proben wird Eisen mineralisiert in geordneter Kristallstruktur.Für das Fitten der magnetischen Daten von Gehirn Proben wird ein Modell benutzt,welches in der Literatur vorgeschlagen wurde. Eisen in den frischen Gehirn-Proben kommt sowohl paramagnetisch als auch antiferromagnetisch vor. Wie sichdas Eisen auf diese beiden Zustände aufteilt, unterscheidet die magnetischenEigenschaften von grauer und weißer Substanz. In der weißen Substanz kompensierensich die Eisen-Spins in einer antiferromagnetischen Konfiguration (undgeben deshalb nur ein schwaches Signal), wohingegen in der grauen Substanz,wie Putamen und Pallidum, das meiste Eisen paramagnetisch organisiert ist.

Abstract (English)

Biophysics is one of the fastest growing fields in medical and biological research.In this master thesis ex-vivo human brain samples were investigated using aSuperconducting Quantum Interference Device (SQUID) magnetometer, to estimatethe total iron content and magnetic structure in different regions of the brain.Free iron and iron radicals are encapsulated in a storage protein called Ferritin.Biological tissue is mostly diamagnetic and gives an attenuating response in magneticmeasurements. In contrast iron gives a small, positive, paramagnetic response,if an external magnetic field is applied. Artificial iron-based particles areused to enhance the contrast in Magnetic Resonance Imaging (MRI). For a moredetailed analysis of the functionality of iron in the brain, a SQUID magnetometerwas used, to determine the iron concentration and the type of iron-compound in differentbrain regions. To understand the differences of a "fresh" ferritin sample takenfrom the human brain and a commercial ferritin, a phantom sample with known ironconcentration was prepared. The measurements show, that the difference of magneticbehavior arises from distinct configurations of iron, e.g. from small clusterswithin ferritin in the brain, where iron spins are bound antiferromagentically andfrom phantom sample where the mineralization and crystallization is better developedas confirmed by measurements.For the fitting of magnetization data of the brain samples a model, suggestedin the literature was used. Iron in the samples is in the crossover between aparamagnetic- and an antiferromagnetic state. The evolution of magnetic orderof the iron in these two states differs between white matter and grey brain mattersamples. In the white matter samples most of the iron is compensated antiferromagnetically(with a remainder of a weak magnetic response). For the grey mattersamples, like Putamen and Pallidum, most of the iron is paramagnetic.

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