German Title: Neuartige Methoden zur kontrastmittelfreien Perfusionskartierung im menschlichen Herzmuskel mithilfe der Arteriellen Spin Markierung Magnetresonanztomographie

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Abstract

Conventional magnetic resonance imaging (MRI) methods for measuring myocardial perfusion and diagnosing coronary artery disease rely on gadolinium-based contrast agents (GBCA). However, GBCAs pose a risk of accumulation in the body and are contraindicated in patients with kidney failure. This thesis addresses the challenges of myocardial Arterial Spin Labelling (myoASL) MRI. MyoASL is a promising candidate for contrast-agent-free perfusion mapping. However, the clinical translation of myoASL is hampered due to high levels of measurement noise. Three novel approaches were developed in this thesis to counteract the effects of physiological noise (PN) in myoASL and reduce its sensitivity to acquisition-related and physiological variations. First, an improved quantification method, incorporating individual blood T1 values and an adapted baseline acquisition, mitigates the effect of the heart rate and acquisition flip angle on the measured perfusion values. Second, T2-prepared myoASL-readouts were introduced, which effectively suppress myocardial signal and reduce the related contributions to the PN. Third, the proposed Double Inversion Recovery preparations substantially reduce signal fluctuations caused by heart rate variability, a major contributor to PN. Together, these techniques alleviate acquisition-related bias and improve the robustness of myoASL against physiological variations. In extension, the developed techniques offer viable approaches to improve the potential clinical use of myoASL in the future.

Translation of abstract (German)

Herkömmliche Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Messung der Herzmuskel-Perfusion und zur Diagnose koronarer Herzkrankheiten benötigen gadoliniumhaltige Kontrastmittel. Diese bergen jedoch das Risiko einer Anreicherung im Körper und sind bei Patienten mit Nierenversagen kontraindiziert. Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen der Arteriellen Spin Markierung im Myokard (myoASL, engl. myocardial Arterial Spin Labelling), die eine vielversprechende Methode für kontrastmittelfreie Perfusionsbildgebung ist. Zurzeit ist die klinische Translation dieser Methoden noch durch ein hohes Maß an Messungenauigkeit eingeschränkt. In dieser Arbeit wurden daher drei neuartige Ansätze entwickelt, um den Auswirkungen von physiologischem Rauschen (PR) auf myoASL entgegenzuwirken und die Sensitivität gegenüber Messabweichungen und physiologischen Schwankungen zu minimieren. Zunächst wurde eine verbesserte Quantifizierungsmethode vorgestellt. Diese verringert mithilfe individueller Blut-T1-Werte und eines angepassten Referenzbildes die Abhängigkeit der gemessenen Perfusionswerte von der Herzfrequenz und dem Anregungs-Winkel. Danach wurden T2-Präparationen für die myoASL-Bildauslese untersucht, die das Myokardsignal und dessen Beitrag zum PR effektiv unterdrücken. Letztendlich wurden Double-Inversion-Recovery-Präparationen untersucht, um Signalschwankungen, die durch eine schwankende Herzfrequenz verursacht werden und eine wesentliche Quelle für PR darstellen, zu unterdrücken. Zusammen verringern diese drei Methoden aufnahmebedingte Messabweichungen und verbessern die Resilienz von myoASL gegenüber physiologischen Schwankungen. Dadurch bieten die entwickelten Techniken praktikable Ansätze, um den potenziellen klinischen Einsatz von myoASL in Zukunft zu verbessern.