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Development of a non-contrast-enhanced method for spatially resolved lung ventilation and perfusion measurement using Magnetic Resonance Imaging

Bauman, Grzegorz Leszek

German Title: Entwicklung einer kontrastmittelfreien Methode zur räumlich aufgelösten Messung der Lungenventilation und -perfusion mittels Magnetresonanztomographie

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Abstract

Assessment of the pulmonary function remains a challenge for the development of suitable MRI techniques due to the unique lung tissue structure and its short effective transverse relaxation time (T2* = 1 ms). In this work, a new method of non-contrast-enhanced lung ventilation and perfusion MRI is presented. A 2D bSSFP pulse sequence (TR/TE/TA = 1.9/0.8/116 ms, 3-7 images/s, FA = 75°, ST = 10 mm, matrix = 128 x 128, GRAPPA 3) was implemented on a 1.5 T MR-scanner. The method uses fast image acquisition and submillisecond echo sampling to enhance the signal intensity in the pulmonary tissue. The proposed technique does not rely on respiratory and ECG-triggering. Application of non-rigid image registration was mandatory to compensate for the breathing motion. The rapid acquisition of time-resolved MR-data allowed observing intensity changes in corresponding lung areas modulated with respiratory and cardiac frequencies. Two different spectral analysis methods, Fourier decomposition (FD) and wavelet analysis (WA) were used to produce ventilation- and perfusion-weighted images by retrieving information associated with both physiological frequencies (FD/WA-MRI). The imaging technique was used in volunteers to test the technical and medical reproducibility. For validation purposes a group of cystic fibrosis patients was examined using FD-MRI and dynamic Contrast-Enhanced MRI. A good correlation between both methods (r = 0.82, P < 0.05) was determined. Animal experiments were conducted for validation of FD-MRI against other imaging modalities (CT and SPECT/CT).

Translation of abstract (German)

Die Untersuchung der Lungenfunktion stellt auf Grund der besonderen Struktur des Lungenparenchyms und dessen kurzer, effektiver transversaler Relaxationszeit (T2* = 1 ms) eine Herausforderung für die Entwicklung passender MRT Verfahren dar. In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren zur kontrastmittelfreien Ventilations- und Perfusionsmessung mittels MRT vorgestellt. Eine 2D bSSFP Pulssequenz (TR/TE/TA = 1.9/0.8/116 ms, 3-7 Bilder/s, FA = 75°, ST = 10 mm, Matrix = 128 x 128, GRAPPA 3) wurde auf einem 1.5 T MRTomographen implementiert. Diese Technik nutzt eine schnelle Bildaquisition und Echozeiten im Submillisekundenbereich zur Verstärkung der Signalintensität des Lungenparenchyms. Das vorgeschlagene Verfahren benötigt keine Atem- oder EKG-Triggerung. Eine nicht-rigide Bildregistrierung war notwendig für die Kompensation der Atembewegung. Die schnelle zeitaufgelöste Datenaufnahme ermöglichte die Beobachtung von Intensitätsänderungen in bestimmten Lungenbereichen, die durch Atem- und Herzfrequenz moduliert sind. Mit Hilfe zweier spektraler Analysemethoden, Fourier-Analyse (FD) und Wavelet-Analyse (WA), wurden Informationen über diese beiden physiologischen Frequenzen gewonnen, um ventilations- und perfusionsgewichtete Bilder zu erzeugen (FD/WA-MRT). Anhand einer Studie an Probanden wurde die medizinische und technische Reproduzierbarkeit der vorgestellten Bildgebungsmethode untersucht. Zur Validierung wurde eine Gruppe von Patienten mit zystischer Fibrose mittels FD-MRT und dynamischer, kontrastmittelverstärkter MRT untersucht. Hierbei konnte eine gute Korrelation (r = 0.82, P < 0.05) zwischen beiden Methoden nachgewiesen werden. Tierexperimente wurden durchgeführt um das FD-MRT Verfahren mit anderen Modalitäten zu vergleichen (CT und SPECT/CT).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof. Dr. Lothar
Date of thesis defense: 7. July 2010
Date Deposited: 14. Jul 2010 10:07
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Perfusion , Ventilation , Lunge , MRT , kontrastmittelfreiperfusion , ventilation , lung , MRI , non-contrast-enhanced
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