English Title: Spacially resolved measurement of tissue oxygen supply by BOLD sensitive MR imaging

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Abstract

Die Sauerstoffversorgung ist ein wichtiger Parameter zur Funktionalitätsbestimmung des Gewebes. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Ansätze zur Darstellung der Gewebesauerstoffversorgung mit Hilfe der Magnetresonanztomographie verfolgt, die beide auf de Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften des Blutes von seiner Sauerstoffsättigung (BOLD-Effekt) beruhen. Die erste Methode verwendet die Inhalation sauerstoffreicher Gase, um die Sauerstoffsättigung des Blutes periodisch zu modulieren und stellt die resultierende Signalantwort mittels T2*-gewichteter Aufnahmen dar. Dazu wurden Gradientenechosequenzen optimiert sowie Nachverarbeitungsmethoden zur Berechnung von Parameterkarten entwickelt. Zur Trennung der Flusseffekte vom BOLD-Signal wurden weiterhin optimierte ASL-Perfusionssequenzen implementiert und daraus eine Doppelechotechnik entwickelt, mit der eine simultane Perfusion/BOLD-Messung in einem Messvorgang möglich wird. Mit diesen Techniken wurde die Signalantwort von Sauerstoff (100%O2) und Carbogen (95%O2+5%CO2) an Probanden untersucht. Im Hirnparenchym wurden dabei Verteilungen der (EPI)BOLD-Signalantworten und Perfusionsänderungen mit folgenden Mittelwerten(Standardabweichungen) gemessen: Sauerstoff: DSbold=4.4(2.6%) / DSperf =-17.9%(24.8%), Carbogen: DSbold=6.5%(2.8%) / DSperf=+2.4%(29,8%). In ersten Patientenstudien wurde gezeigt, dass die Darstellung von Signalantworten auf Atemgasinhalation einen zusätzlichen diagnostischen Parameter für die onkologische Therapieplanung zur Verfügung stellen kann. Die zweite Methode misst unter der Annahme eines Modells über die Gewebestruktur die mittlere Suszeptibilitätsdifferenz zwischen venösem Blut und Gewebe und ist damit in der Lage die Sauerstoffextraktion (OEF) des Gewebes quantitativ zu bestimmen. Dazu wurden Messsequenzen erstellt, die eine Serie von Gradientenechos um ein Spinecho aufnehmen und Nachverarbeitungsmethoden entwickelt, die daraus ortsaufgelöste Karten der reversiblen Relaxationsrate (R2’), des Blutvolumenanteils (l) und der Suszeptibilitätsdifferenz (Dc) berechnen. Weiterhin wurde ein Verfahren implementiert, das die Einflüsse makroskopischer Feldinhomogenitäten von der gesuchten Messgröße trennt. Die Methoden wurden in Messungen an einem im Rahmen der Arbeit entwickelten Messphantom auf ihre Stabilität, die statistischen Fehler und Abhängigkeiten vom Modell untersucht. Bei der Anwendung zur ortsaufgelösten Berechnung von OEF-Karten im Gehirn wurde eine Verteilung mit einem Mittelwert(Standardabweichung) OEF=43.2%(22.8%) gemessen.

Translation of abstract (English)

Oxygen supply is an important parameter for tissue viability. This work investigates two different approaches to map oxygen supply using magnetic resonance tomography. Both approaches utilize the dependency of the magnetic properties of blood on its oxygen saturation (BOLD-Effect). The first method uses the inhalation of oxygen-rich gases to modulate blood oxygen saturation. To observe the resulting signal enhancement, T2*-weighted GRE-sequences were optimised and evaluation methods were developed. To separate flow effects from the BOLD-signal enhancement, optimised ASL-perfusion sequences were implemented and a double-echo technique was developed which allows the simultaneous measurement of BOLD and perfusion changes within one sequence run. Using these techniques the signal response for oxygen (100%O2) and carbogen (95%O2+5%CO2) breathing was investigated in healthy volunteers. In the brain-parenchyma a distribution of (EPI)BOLD-signal and perfusion changes was found with the following mean(standard deviation) for oxygen: DSbold=4.4(2.6%) / DSperf =-17.9%(24.8%) and Carbogen: DSbold=6.5%(2.8%) / DSperf=+2.4%(29,8%). In a patient study, it was shown that the measurement of signal enhancement from breathing gas inhalation can be a valuable diagnostic parameter for oncologic therapy planning. The second method quantitatively measures the average susceptibility difference between venous blood and surrounding tissue by utilizing a tissue structure model. From this, the oxygen extraction fraction (OEF) of the tissue can be calculated. For this purpose, pulse-sequences were implemented which acquire a gradient echo train around a spin echo. Methods were developed to calculate spatially resolved maps of the reversible relaxation rate (R2’), relative blood volume (l) and susceptibility difference (Dc) from the data. To reduce systematic errors a technique was implemented which separates the influence of macroscopic field variations from the measured quantities. The methods were evaluated in a custom-built phantom with respect to their stability, statistical errors and model dependencies. With these techniques, a distribution of OEF-values was found with a mean(standard deviation) of OEF=43.2%(22.8%) in the brain.