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Development of Arterial Spin Labeling Techniques for Quantitative Perfusion Measurements at 3 Tesla

Zimmer, Fabian

German Title: Entwicklung von Arterial Spin Labeling-Techniken für die quantitative Perfusionsmessung bei 3 Tesla

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Abstract

Microvascular perfusion is an important parameter of high clinical value as it provides important information on tissue viability and function. In contrast to dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI), arterial spin labeling (ASL) is a method to assess quantitative perfusion values non-invasively by MRI. The main goal of this work was the development of a 3D ASL technique that allows the quantitative perfusion measurement within a whole volume. Further, the diagnostic signifcance of ASL was tested by applying it in dedicated renal disease models. ASL yielded significantly (P < 0.01) different values in healthy kidneys ((500+-91) ml/100g/min) compared to kidneys with acute kidney injury ((287+-83) ml/100/min) as well as for acutely rejected transplanted kidneys compared to chronically rejected grafts. A comparison to DCE-MRI showed no signifcant differences. While literature reports on 3D ASL sequences show a prevalence for spin-echo based data acquisitions, the presented sequence employs a 3D balanced steady-state free precession (bSSFP) readout that has the ability to overcome some of the drawbacks of spin-echo based 3D sequences. The developed 3D ASL technique includes several features, each of which has been optimized separately. Special emphasis was put on design, simulation, and implementation of a slice-selective adiabatic inversion pulse. In an initial measurement, the whole-brain perfusion of a healthy volunteer was assessed with an isotropic resolution of 3mm. Mean perfusion values were f_GM = (51+-17) ml/100g/min and f_WM = (24+-8) ml/100/min for gray and white matter, respectively, which are in very good agreement with findings from the "gold-standard" method of 15O-positron emission tomography. The diagnostic value of ASL in combination with the possibility to assess absolute perfusion values in a whole volume makes it a promising technique for future clinical diagnosis.

Translation of abstract (German)

Die mikrovaskuläre Perfusion liefert wertvolle Informationen über Gewebefunktion und -vitalität und ist damit ein wichtiger Parameter von hohem klinischen Wert. Im Gegensatz zur dynamischen kontrastmittelunterstützten Magnetresonanztomographie (DCE-MRT), stellt Arterial Spin Labeling (ASL) eine nicht-invasive Methode zur quantitativen Perfusionsmessung mittels MRT dar. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer 3D ASL-Technik, die die quantitative Perfusionsmessung innerhalb eines ganzen Volumens erlaubt. Darüber hinaus sollte die diagnostische Aussagekraft von ASL anhand von Krankheitsmodellen der Niere getestet werden. Die Messungen zeigten signifkant unterschiedliche Werte (P < 0.01) in gesunden Nieren ((500+-91) ml/100g/min) und Nieren mit akutem Nierenversagen ((287+-83) ml/100g/min), sowie in akut abgestoßenen Transplantatnieren verglichen mit chronisch abgestoßenen Transplantaten. Ein Vergleich zur DCE-MRT zeigte keine signifkanten Unterschiede. Während die Mehrzahl der in der Literatur beschriebenen 3D ASL Sequenzen Spin-Echo basierte Datenaufnahmen verwendet, wird in der vorgestellten Sequenz eine balancierte steady-state free precession (bSSFP) Auslese benutzt, die sich dafür eignet, einige Nachteile von Spin-Echo basierten 3D Sequenzen zu beseitigen. Die entwickelte 3D ASL Methode umfasst mehrere Funktionen, die jede für sich optimiert wurde. Besonders viel Wert wurde auf die Entwicklung, Simulation und Implementation eines schichtselektiven, adiabatischen Inversionspulses gelegt. In einer ersten Messung wurde die Perfusion des kompletten Gehirns eines gesunden Freiwilligen mit einer isotropen Auflösung von 3mm bestimmt. Es wurde eine mittlere Perfusion von f_GM = (51+-17) ml/100g/min und f_WM = (24+-8) ml/100g/min in grauer bzw. weißer Materie gemessen. Diese Werte stimmen sehr gut mit denen überein, die mit der "Goldstandardmethode" 15O-Positronen-Emissions-Tomographie gewonnen wurden. Der diagnostische Wert und die Möglichkeit absolute Perfusionswerte in einem kompletten Volumen zu messen, machen ASL zu einer vielversprechenden Technik für den zukünftigen Einsatz in der klinischen Diagnostik.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof. Dr. Lothar Rudi
Date of thesis defense: 22 July 2014
Date Deposited: 04 Aug 2014 10:23
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Magnetresonanztomographie, Perfusionsmessung
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