New Advances in Susceptibility Weighted MRI to Determine Physiological Parameters

Sedlacik, Jan GND

Die Magnetresonanztomographie bietet die Möglichkeit der Bestimmung des Blutoxygenierungsgrades kleiner venöser Gefäße und damit lokaler Hirnareale mit Hilfe einer Multiecho-Gradientenecho-Sequenz. Mit dieser Sequenz kann der Signalzerfall in einem Voxel, welches von einer einzelnen Vene bzw. von Blutkapillaren durchzogen ist, bestimmt werden. Der Signalzerfall ist charakteristisch für die von der Vene oder den Kapillaren erzeugten Feldinhomogenitäten, so dass sich Aussagen über den Blutoxygenierungsgrad und Blutvolumenanteil treffen lassen. Durch Fitten simulierter Signalverläufe an gemessene Phantom- und Probandendaten konnte gezeigt werden, dass es mit der hier vorgestellten Methode möglich ist, den venösen Blutoxygenierungsgrad zu quantifizieren. Weiterhin konnte eine durch gezielte Modulation des zerebralen Blutflusses hervorgerufene Änderung der Blutoxygenierung in vivo nachgewiesen werden. Die Erweiterung des Modells eines einzelnen Gefäßes auf ein Gefäßnetzwerk diente als Grundlage zur theoretischen Beschreibung der Blutkapillaren, die das Hirngewebe durchziehen und mit Sauerstoff versorgen. Dieses Netzwerkmodel konnte in Phantomexperimenten verifiziert werden. Dagegen zeigte sich bei einer Probandenmessung, dass es nicht möglich ist einzig anhand des gemessenen Signalverlaufs valide Werte für die Blutoxygenierung und den Blutvolumenanteil eindeutig zu bestimmen. Die hohe Korrelation zwischen beiden Parametern bewirkt, dass mehrere Paare von Oxygenierungs- und Volumenwerten passende Signalkurven liefern. Eine unabhängige Quantifizierung oder Abschätzung des venösen Blutvolumens kann hier helfen eindeutige Oxygenierungswerte zu erhalten. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnte das Signalverhalten von suszeptibilitätssensitiven Messungen in der Magnetresonanztomographie genauer untersucht und eine Methode zur nicht-invasiven Bestimmung der venösen Blutoxygenierung an einzelnen Gefäßen entwickelt werden. Erste in vivo Ergebnisse des Gefäßnetzwerkes verdeutlichen, dass für eine genaue Quantifizierung der Blutoxygenierung weitere Parameter, wie das Blutvolumen, unabhängig bestimmt werden müssen. Dennoch ist es möglich, die Methode am einzelnen Blutgefäß zur besseren Charakterisierung von Pathologien sowie physiologischen Änderungen, z.B. bei der funktionellen Magnetresonanztomographie, einzusetzen.

Magnetic resonance imaging allows to determine the blood oxygenation level of small venous vessels or the blood capillary network by evaluating the magnetic resonance signal acquired with multi-echo gradient-echo sequences. The signal formation of a voxel traversed by a vein or interspersed with capillaries shows a characteristic decay or modulation as a function of time from which the blood oxygenation and blood volume fraction can be derived. It could be demonstrated in phantom measurements that the signal of a single vessel traversed voxel correctly matched the calculations of numerical signal simulation. By fitting the signal simulation to in vivo measurements of cerebral venous vessels, vessel size and venous blood oxygenation was determined quantitatively. Furthermore, it was possible to detect and to quantify a physiologically induced change in cerebral venous blood oxygenation. To describe the signal of the blood capillary network in normal brain matter, an extension of the single vessel model to a vessel network was applied. This network model was also validated in phantom experiments. As a result of these investigations it was found that the two parameters describing the network, the blood volume fraction and blood oxygenation level, are correlated to each other and can not be separated without additional information by simply fitting the signal simulation to the measurement. This finding was of special importance in the initial in vivo measurements conducted in the present work. Where, independent blood volume determination may help to further validate the quantified blood oxygenation level. In the present work a non-invasive method was developed to quantify cerebral blood oxygenation levels in single veins. This was possible by investigating the signal evolution of susceptibility sensitive magnetic resonance imaging. The initial result of the vessel network signal reveals, that for obtaining a valid blood oxygenation level, the volume fraction has to be further determined by an independent measurement. Nevertheless, is has been demonstrated that the quantification of the blood oxygenation level in single venous vessels is possible and can be applied in clinical diagnosis for better characterization of cerebral pathologies or in physiological investigations, like in functional magnetic resonance imaging.

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Sedlacik, Jan: New Advances in Susceptibility Weighted MRI to Determine Physiological Parameters. 2008.

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