German Title: Quantitative dynamische kontrastverstärkte Perfusions MRT - eine Phantom- und in Vivo Studie

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Abstract

Quantitative Dynamic Contrast-Enhanced Perfusion MRI - A Phantom and in Vivo Study The quantification of tissue perfusion with magnetic resonance imaging (MRI) is of great medical value for tumor diagnosis, treatment planning and therapy control. The aim of this work was to evaluate the feasibility as well as to find limitations and improvements of perfusion quantification using dynamic contrast-enhanced (DCE) MRI in combination with pharmacokinetic modeling. In the first part, a multimodal perfusion phantom mimicking human physiology at capillary level and simulating intra- and extravascular space was developed. This enables the application of a dual compartment model leading to perfusion parameters of which among others the Plasma Flow PF shows reproducible values both within a series of measurements (PF = (91 ± 7) ml/100 ml/min) and in the repetition after one week (PF = (91 ± 26) ml/100 ml/min). A reliable comparison not only between MRI and DCE computer tomography (CT) (PF = (94 ± 53) ml/100 ml/min), but also to the alternative MRI perfusion technique Arterial Spin Labeling (ASL) (PF = (99 ± 36) ml/100 ml/min) is applicable. Fast temporal resolution through a high sampling rate, indispensable for exact modeling, was achieved by the implementation of parallel imaging and led to a significant reduction of the intra measurement deviation by 30%. In the second part, an in vivo perfusion study of rectal carcinomas showed that the bilateral selection of the arterial input function and the use of dual compartment models have a significant influence on the quantification of perfusion parameters with deviations of the PF of up to 30 ml/100 ml/min. The importance of tissue ROI selection in heterogeneous tumors has been shown, as the parameters within a tumor differ by up to 36%. The combination of the findings of the phantom and the patient study reveals new and promising strategies for quantifying DCE-MRI in the future.

Translation of abstract (German)

Quantitative dynamische kontrastverstärkte Perfusions MRT - eine Phantom- und in Vivo Studie Die Quantifizierung der Gewebeperfusion mit der Magnetresonanztomographie (MRT) ist von großem medizinischen Wert für die Tumordiagnose, die Behandlungsplanung und die Therapiekontrolle. Ziel dieser Arbeit war es, die Durchführbarkeit der Perfusionsquantifizierung mit Hilfe der dynamischen kontrastverstärkten (DCE) MRT in Kombination mit pharmakokinetischer Modellierung zu evaluieren sowie Limitationen und Verbesserungen zu finden. Im ersten Teil wurde ein multimodales Perfusionsphantom entwickelt, das die menschliche Physiologie auf Kapillarebene nachahmt und den intra- und extravaskulären Raum simuliert. Dies ermöglicht die Anwendung eines Zwei-Kompartiment-Modells, das zu Perfusionsparametern führt, von denen unter anderem der Plasmafluss PF sowohl innerhalb einer Messreihe (PF = (91 ± 7) ml/100 ml/min) als auch in der Wiederholung nach einer Woche (PF = (91 ± 26) ml/100 ml/min) reproduzierbare Werte zeigt. Ein zuverlässiger Vergleich ist nicht nur zwischen MRT und DCE-Computertomographie (CT) (PF = (94 ± 53) ml/100 ml/min), sondern auch zur alternativen MRT-Perfusionstechnik Arterial Spin Labeling (ASL) (PF = (99 ± 36) ml/100 ml/min) möglich. Eine schnelle zeitliche Auflösung durch eine hohe Abtastrate, die für eine exakte Modellierung unabdingbar ist, wurde durch die Implementierung der parallelen Bildgebung erreicht und führte zu einer signifikanten Reduktion der Abweichung innerhalb einer Messung um 30%. Im zweiten Teil zeigte eine in vivo-Perfusionsstudie von Rektum Karzinomen, dass die bilaterale Auswahl der arteriellen Eingangsfunktion und die Verwendung von Zwei-Kompartiment-Modellen einen signifikanten Einfluss auf die Quantifizierung der Perfusionsparameter mit Abweichungen des PF von bis zu 30 ml/100 ml/min haben. Die Bedeutung der Auswahl des Gewebebereichs bei heterogenen Tumoren wurde gezeigt, da sich die Parameter innerhalb eines Tumors um bis zu 36% unterscheiden. Die Kombination der Ergebnisse aus der Phantom- und der Patientenstudie zeigt somit neue und vielversprechende Strategien zur Quantifizierung der DCE-MRI in der Zukunft auf.