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Relaxation-Compensated Amide Chemical Exchange Saturation Transfer MRI of the Human Breast

Zimmermann, Ferdinand

German Title: Relaxationskorrigierte Amid-CEST-MRT der menschlichen Brust

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Abstract

Early detection of breast cancer is associated with reduced mortality. As an adjunct to X-ray mammography, magnetic resonance imaging (MRI) is used for clarification of suspicious lesions. Beyond conventionally applied MRI modalities, chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI has the potential to provide insights on biochemical tumor environment. Particularly the amide CEST signal originating from proteins has been shown to correlate with parameters of high clinical relevance. However, in the breast, the amide CEST signal is compromised by fat-signal-induced artifacts. Moreover, a profound interpretation requires an isolation of superimposing CEST signals and correction for water relaxation properties. The aim of this thesis was to account for these factors and to enable relaxation-compensated amide CEST MRI of the human breast. A general theoretical description allowed the correction for fat-signal-induced artifacts by a novel postprocessing algorithm. In addition, established methods for mapping of water relaxation properties were enhanced for a robust performance in the presence of fat. This enabled – for the first time – examinations of breast cancer patients using relaxation-compensated amide CEST MRI. In three patients a twofold increase of the amide CEST contrast was observed compared to healthy volunteers. Hormonal-induced fluctuations in the amide CEST contrast were shown to be negligible.

Translation of abstract (German)

Frühzeitige Erkennung von Brustkrebs wird mit einer verringerten Mortalität in Verbindung gebracht. Zusätzlich zur Röntgenmammographie kann die Magnetresonanztomographie (MRT) zur Abklärung von verdächtigen Läsionen zu Rate gezogen werden. Neben den konventionellen MRT-Modalitäten bietet die auf chemischen Austausch (CEST) basierende MRT die Möglichkeit, Einblick in biochemische Eigenschaften der Tumore zu erhalten. Insbesondere korreliert das CEST-Signal von Amid-Protonen aus Proteinen mit klinisch wertvollen Gewebsparametern. Die Anwendung in der Brust ist jedoch von fettsignalinduzierten Störeinflüssen beeinträchtigt. Des Weiteren bedarf eine fundierte Dateninterpretation einer Isolierung von sich überlagernden CEST-Signalen sowie einer Korrektur für die Relaxationseigenschaften des Wassers. Das Ziel dieser Arbeit war die Berücksichtigung dieser Störeinflüsse, um eine relaxationskorrigierte Amid-CEST-MR-Aufnahme der weiblichen Brust zu ermöglichen. Eine allgemeine Herleitung ermöglichte die Korrektur der fettsignalinduzierten Artefakte mittels eines eigen entwickelten Postprocessing-Algorithmus. Bereits etablierte Methoden zur Bestimmung der Wasserrelaxationseigenschaften wurden erweitert, um deren robuste Funktionsweise trotz Anwesenheit des Fetts in der Brust sicherzustellen. In Summe ermöglichte dies erstmalig die Untersuchung von Brustkrebspatientinnen mittels relaxationskorrigierter Amid-CEST-MR-Mammographie. Verglichen mit gesunden Probandinnen wies der Amid-Kontrast eine deutliche Erhöhung bei drei untersuchten Patientinnen auf. Es konnte gezeigt werden, dass hormonell bedingte Schwankungen des Amid-Kontrasts minimal und vernachlässigbar sind.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 19 June 2019
Date Deposited: 04 Jul 2019 05:51
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
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