English Title: Perfusion quantitation using a perfusion phantom by means of arterial spin-labeling techniques in MR- tomography

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Abstract

Die Arterial Spin-Labeling Technik ermöglicht eine nicht-invasive Perfusionsbestimmung ohne Kontrastmittelgabe mittels Magnetresonanz-Tomographie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein MR-kompatibles künstliches Perfusionsphantom entwickelt und erprobt, mit dem ein Perfusions-Goldstandard in einem Bereich von PhWF = 0,21 ml/s/ml bis 0,56 ml/s/ml mit einer Genauigkeit von deltaPhWF < 5% bestimmt werden kann. An Hand dessen wurde die Quantifizierungsgenauigkeit von drei Techniken zur absoluten Perfusionsbestimmung, die auf Arterial Spin-Labeling und dem Allgemeinen Kinetischen Modell basieren, bestimmt: die Parameterbestimmung mittels nichtlinearer Kurvenanpassung und die QUIPSS I- bzw. QUIPSS II-Techniken. Hierbei zeigte die QUIPSS I-Technik die geringste mittlere Abweichung der Perfusion vom Goldstandard mit f,rel = 6,3% bei einer Korrelation der Messwerte von r = 0,97. Die bereits in Studien verwendete QUIPSS II-Technik weist die höchste Abweichung von f,rel = 13,5% mit der geringsten Korrelation von r = 0,63 auf. Die Ergebnisse der aufwändigeren nichtlinearen Kurvenanpassung besitzen eine Abweichung vom Goldstandard von f,rel = 9,4% mit der höchsten Korrelation von r = 0,98. Auf Grund von technischen Limitationen etablierter Auslesetechniken wurde eine Arterial Spin-Labeling Sequenz mit trueFISP-Auslese entwickelt und auf einem klinischen MR-Tomographen implementiert. Diese modifizierte Sequenz zeigte bei Probandenmessungen am Gehirn deutlich geringere Verzeichnungen im Vergleich zu einer Echo-Planar Technik und kann somit in Zukunft eine präzise biologische Therapieplanung gewährleisten.

Translation of abstract (English)

Arterial spin-labeling is a method to quantify perfusion with MR-tomography non-invasively without the need for contrast agents. In this work an MR-compatible artificial perfusion phantom was developed and tested for the first time, defining a gold-standard for perfusion in the range of PhWF = 0.21 ml/s/ml to 0.56 ml/s/ml with an accuracy of deltaPhWF < 5%. Using this gold-standard, the accuracy of three techniques for perfusion quantitation based on arterial spin-labeling and the general kinetic model were determined: non-linear curve fitting and QUIPSS I- respectively QUIPSS II-techniques. The QUIPSS I-technique showed the smallest deviation from the gold-standard with f,rel = 6.3% and a correlation of r = 0.97. The QUIPSS II-technique, already used in clinical studies, had the highest deviation of f,rel = 13.5% with the lowest correlation of r = 0.63. Using the complex non-linear curve fitting, the results showed a deviation from the gold-standard of f,rel = 9.4 % but with the best correlation (r = 0.98). Due to the technical limitations of established imaging techniques, an arterial spin-labeling sequence using the trueFISP imaging technique had to be developed and implemented on a clinical MR-system. This new sequence showed less distortions in the brain compared to an EPI-sequence in volunteer experiments. In future, this sequence might yield a higher accuracy in biology-based therapy planning.