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Quantification of Brain Tissue Oxygenation : Comparison of Different Gradient Echo/Spin Echo MRI Techniques at 3 Tesla

Mie, Moritz Bernhard

German Title: Quantifizierung der Gewebeoxygenierung im Gehirn : Vergleich von unterschiedlichen MRI-Gradientenecho/Spinecho-Techniken bei 3 Tesla

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Abstract

In this work, an established tissue model was used to calculate the venous blood fraction (lambda), the irreversible relaxation rate (R2) and the reversible relaxation rate (R2') on the basis of a three-parameter fit of the MR signal (white matter: lambda = (1.9 ± 0.9)%, R2 = (14.9 ± 1.4)Hz, R2' = (2.3 ± 0.7)Hz; gray matter: lambda = (2.8±2.1)%,R2 = (11.6±3.2)Hz, R2' = (3.5±2.4)Hz). These parameters enable the quantification of the susceptibility difference (D_chi) between venous blood and surrounding tissue and, therewith, the oxygen extraction fraction (OEF, white matter: (42.9 ± 16.3)%; gray matter: (43.9 ± 14.4)%). The focus of this work was on the development of different methods to reduce the number of required fit parameters by separate measurements of the parameters to increase the fit accuracy. This was achieved with a separate calculation of the cerebral blood volume (CBV) by a dynamic susceptibility contrast (DSC) measurement. This value could be used as an input parameter of the signal equation resulting in a two-parameter fit. This method yielded OEF values of (37.5±4.6)% in healthy white matter and (27.8±4.3)% in tumorous brain tissue. Another approach was the determination of the other two other parameters (R2 and R2') in separate measurements (white matter: R2 = (14.4 ± 0.8)Hz, R2' = (7.3 ± 1.4)Hz; gray matter: R2 = (12.8 ± 1.8)Hz, R2' = (8.0 ± 2.2)Hz) and a subsequent correction and validation using different phantom measurements. This technique was finally employed for in vivo experiments. The separate fitting approach promises a high fit certainty and yielded OEF values of (22.0±3.4)% and (26.9±6.5)% for white and gray matter, respectively. In this work, another method for OEF calculation is described based on the separation of the signal components originating from the veins from the remaining signal. The subsequent measurement of the transverse relaxation rate - (13.1 - 18.9)Hz in the investigated regions - and a calibration of the oxygenation level enable the OEF calculation. Furthermore, susceptibility weighted imaging (SWI), a method with an imaging contrast depending on the oxygenation status of the veins, was transferred from brain to renal imaging. The implemented technique improved the average contrast-to-noise ratio by 33% compared to the standard SWI method. After the reconstruction of SWI images of the kidneys, the change of the contrast due to oxygenation variation was qualitatively observed. The presented methods yielded promising results for the determination of the OEF, which is an indicator for tissue viability. This determination might be used in radiotherapy for irradiation planning and therapy monitoring.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurde ein etabliertes Gewebemodell benutzt, um das venöse Blutvolumen (lambda), die irreversible Relaxationsrate (R2) und die reversible Relaxationsrate (R2') mit Hilfe eines Drei-Parameter-Fits des MR-Signals zu berechnen (weiße Hirnsubstanz: lambda = (1.9 ± 0.9)%, R2 = (14.9 ± 1.4)Hz, R2' = (2.3 ± 0.7)Hz; graue Hirnsubstanz: lambda = (2.8 ± 2.1)%, R2 = (11.6 ± 3.2)Hz, R2' = (3.5 ± 2.4)Hz). Diese Parameter ermöglichen die Quantifizierung des Suszeptibilitätsunterschieds (D_chi) zwischen venösem Blut und dem umgebenen Gewebe, und damit des Sauerstoffextraktionsanteils (OEF, weiße Hirnsubstanz: (42.9 ± 16.3)%; graue Hirnsubstanz: (43.9 ± 14.4)%). Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung verschiedener Methoden, um die Anzahl der benötigten Fitparameter durch separate Parametermessungen zu reduzieren und damit die Fitgenauigkeit zu erhöhen. Dies wurde durch eine seperate Berechnung des zerebralen Blutvolumens (CBV) durch eine dynamische Suszeptibilitätskontrast-Messung (DSC) erreicht. Dieser Wert konnte als Inputparameter für die Signalgleichung verwendet werden, was zu einem Zwei-Parameter-Fit führte. Diese Methode bestimmte OEF-Werte von (37.5 ± 4.6)% in gesunder weißer Hirnsubstanz und (27.8 ± 4.3)% in tumoröser Hirnsubstanz. Ein anderer Ansatz bestand aus der Bestimmung der beiden anderen Parameter (R2 und R2') in separaten Messungen (weiße Hirnsubstanz: R2 = 14.4 ± 0.8Hz, R2' = 7.3 ± 1.4Hz; graue Hirnsubstanz: R2 = 12.8 ± 1.8Hz, R2' = 8.0 ± 2.2Hz) und einer anschließenden Korrektur und Validierung mit Hilfe von Phantomexperimenten. Diese Technik wurde schließlich für in vivo Experimente verwendet. Diese separate Fitmethode verspricht eine hohe Fitgenauigkeit und brachte OEF-Werte von (22.0 ± 3.4)% und (26.9 ± 6.5)% für weiße und graue Hirnsubstanz hervor. In dieser Arbeit wird eine weitere Methode zur OEF-Berechnung beschrieben, die auf der Trennung des vom venösen Blut hervorgerufenen Signals vom restlichen Signal basiert. Eine anschließende Messung der transversalen Relaxationsrate - (13.1 - 18.9)Hz in den untersuchten Regionen - und eine Kalibrierung der Oxygenierung ermöglichen die OEF-Berechnung. Außerdem wurde die suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (SWI), deren Bildkontrast auf der Oxygenierung der Venen basiert, von der Kopf- auf die Nierenbildgebung übertragen. Die implementierte Technik verbesserte das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis um 33% im Vergleich zur Standard-SWI-Technik. Nachdem die SWI-Bilder der Niere rekonstruiert waren, konnte eine Kontraständerung nach induzierter Oxygenierungsänderung qualitativ beobachtet werden. Die präsentierten Methoden brachten vielversprechende Ergebnisse zur Bestimmung des OEF hervor, welches ein Indikator für die Gewebevitalität ist. Diese Bestimmung könnte in der Strahlentherapie für die Bestrahlungsplanung und die Therapieüberwachung verwendet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 15 June 2011
Date Deposited: 30 Jun 2011 11:27
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Oxygenation , Brain , BOLD , MRI
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