Arterial-Spin-Labeling-Sequenzentwicklung zur Optimierung der 3T- & 7T-Perfusionsbildgebung und zur Permeabilitätsmodellierung

Abstract

<strong>Arterial spin labeling sequence development for optimization of 3T & 7T perfusion imaging and for permeability modeling</strong> <br />Pseudo-continuous arterial spin labeling (pCASL) is a magnetic resonance technique for imaging and quantifying cerebral blood flow. Magnetically labeled arterial blood serves as an endogenous tracer. Special extensions of the fundamental method fascilitate a modeling of additional physiological parameters besides cerebral perfusion. Good quantifiability and non-invasiveness make pCASL of interest for clinical use and for scientific research, which is enhanced by a wide availability and technical development of magnetic resonance scanners. The first 7 Tesla ultra-high field scanner has been approved for clinical use in 2017. Stronger magnetic fields provide the advantages of a higher signal-to-noise ratio (SNR) and a longer persisting pCASL signal. However, magnetic field inhomogeneities and energy limitations make an application more difficult. <br /> This thesis contributes to pCASL-based perfusion measurements and a modeling of blood-brain barrier permeabilities at 3 Tesla and it addresses the challenges to further develop pCASL imaging at 7 Tesla. <br /> The first part focuses on the development and application of pCASL for the quantitative measurement of cerebral blood flow at 3 Tesla. An efficient pCASL encoding method using Hadamard matrices is implemented and its theoretical advantages are experimentally demonstrated. Application-optimized protocols and a data processing pipeline are obtained. In vivo measurements confirm a solid data quality. The applicability for clinical measurements is demonstrated in a single case. A test-retest measurement series reveals the suitability for longitudinal and multicenter studies. <br /> The second part considers the T₂ relaxation of the pCASL signal at 3 Tesla. It focuses on a T₂-based investigation of the tracer transition from the intravascular to the extravascular compartment and a potential inference on the blood-brain barrier integrity. Therefore, a sequence module is implemented for the acquisition of T₂-weighted data and a study protocol implemented. Additionally, the reliability of quantitative T₂ times is validated within a test-retest study. Then, a modeling approach is developed to compartmentalize the pCASL tracer into intra- and extravascularly localized fractions based on the T₂ times. Additional supplementing measurements and highly simplified model assumptions stabilize the compartmentalization model, as demonstrated in vivo. As a result, pCASL-T₂ times may be a relevant parameter for the investigation of physiological processes. <br /> The third part addresses the implementation of pCASL measurements at 7 Tesla. Parallel pulse transmission techniques adapt the magnetic labeling pulses to compensate for non-ideal magnetic field distributions. Multiple adjustment concepts are implemented in a 7 Tesla pCASL sequence. Simulations and first in vivo investigations, using some of these methods, demonstrate a feasibility also at ultra-high field and an improvement of the pCASL signal compared to non-adjusting approaches.

Die pseudo-kontinuierliche arterielle Spinmarkierung (pCASL) ist ein Verfahren der Magnetresonanzperfusionsbildgebung zur Darstellung und Quantifizierung des zerebralen Blutflusses. Bei dieser Technik wird einströmendes, arterielles Blut magnetisch markiert und so als körpereigener Tracer verwendet. Durch spezielle Erweiterungen eröffnen sich Ansätze, neben der zerebralen Perfusion, zusätzliche physiologische Parameter zu modellieren. Die einfache Quantifizierbarkeit und die Nicht-Invasivität, sowie die Verfügbarkeit und technische Entwicklung von Magnetresonanztomographen machen dieses Verfahren interessant für klinische und für wissenschaftliche Anwendungen. Im Jahr 2017 wurde der erste 7 Tesla Ultrahochfeld-Scanner für die klinische Anwendung zugelassen. Stärkere Magnetfelder bieten die Vorteile eines höheren Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und eines länger bestehenden pCASL-Signals. Gleichzeitig führen Magnetfeldinhomogenitäten und Energieeinschränkungen zu einer erschwerten Anwendbarkeit. <br /> Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der pCASL-basierten Perfusionsmessung und einer Modellierung von Blut-Hirn-Schranken-Durchlässigkeiten bei 3 Tesla, sowie der Sequenzweiterentwicklung zur Messung perfusionsgewichteter Daten bei 7 Tesla. <br /> Der erste Teil konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung von pCASL zur quantitativen Messung des zerebralen Blutflusses bei 3 Tesla. In diesem Rahmen wird ein effizientes pCASL-Kodierungsverfahren mittels Hadamard-Matrizen implementiert. Dessen theoretischen Vorteile werden experimentell gezeigt. Es resultieren anwendungsoptimierte Protokolle und eine Auswertungspipeline. In vivo Messungen bestätigen eine solide Datenqualität. Die Eignung für klinische Messungen wird an einem Einzelfall demonstriert. Die Ergebnisse einer Test-Retest-Messreihe lassen auf die Eignung für longitudinale und multizentrische Studien schließen. <br /> Der zweite Teil beschäftigt sich mit der T₂-Relaxation des pCASL-Signals bei 3 Tesla. Dabei stehen die T₂-basierte Untersuchung des Tracerübergangs aus dem intravaskulären in das extravaskuläre System und ein möglicher Schluss auf die Integrität der Blut-Hirn-Schranke im Fokus. Für die Aufnahme T₂-gewichteter Daten wird ein geeigetes Sequenzmodul implementiert und ein Studienprotokoll entworfen. Innerhalb einer Test-Retest-Studie wird die Zuverlässigkeit quantitativer T₂-Zeiten validiert. In einem zweiten Schritt wird ein Modellierungsverfahren erarbeitet, um den pCASL-Tracer, basierend auf den gemessenen T₂-Zeiten, in intra- und extravaskuläre Anteile zu kompartmentalisieren. In vivo Messungen demonstrieren eine Stabilisierung des Kompartmentalisierungsmodells durch das Hinzuziehen von Hilfsmessungen und die Anwendung stark vereinfachter Modellannahmen. Es resultiert eine potenzielle Relevanz von pCASL-T₂-Zeiten als Parameter für die Untersuchung physiologischer Prozesse. <br /> Der dritte Teil befasst sich mit der Realisierung von pCASL-Messungen bei 7 Tesla. Spezielle Techniken der parallelen Pulstransmission passen die Pulse, welche die magnetischen Markierung vornehmen, an nicht-idealen Magnetfeldverteilungen an. Es werden verschiedene Anpassungskonzepte in einer 7 Tesla pCASL-Sequenz implementiert. Simulationen und erste in vivo Messungen mit einem Teil dieser Verfahren zeigen neben der Realisierbarkeit im Ultrahochfeld eine Verbesserung des pCASL-Signals gegenüber bisherigen, nicht-anpassenden Ansätzen.