TY  - THES
A1  - Hilbert, Fabian Michael
T1  - Neue Methoden und Modelle für die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie der Niere
T1  - New methods and models for diffusion-weighted magnetic resonance imaging of the kidney
N2  - Diffusionsgewichtete MR-Bilder sind ein wichtiger Bestandteil für die klinische Diagnostik
verschiedener Pathologien, wie z.B. bei Schlaganfall oder Tumoren. Meistens
wird ein mono-exponentielles Diffusionsmodell verwendet und über verschiedene
Raumrichtungen gemittelt. Der Einfluss von Fluss auf das diffusionsgewichtete
Signal und eine mögliche Richtungsabhängigkeit werden dabei vernachlässigt. Dabei
machen Diffusionsmodelle, die mehr Eigenschaften des Signals abbilden, unter
Umständen eine genauere Diagnostik möglich. Mit DTI wird die Richtungsabhängigkeit
der Diffusion erfasst und bei IVIM wird der Beitrag von Fluss zum Signal
berücksichtigt. Die Niere ist ein stark strukturiertes Organ und weist Anisotropie
in der Diffusion auf. Außerdem ist die Niere ein sehr gut durchblutetes Organ. DTI
und IVIM beschreiben also unabhängig voneinander zwei wichtige Aspekte des diffusionsgewichteten
Signals in der Niere, ohne dass der Vorteil des jeweils anderen
Modells Beachtung findet.
In dieser Arbeit wurde das Modell IVOF zur umfassenden Beschreibung von Diffusionssignal
vorgestellt, bei dem sowohl die Richtungsabhängigkeit der Diffusion,
als auch das Signal der fließenden Spins und deren Richtungsabhängigkeit abgebildet
wird. Die Vorteile von DTI und IVIM werden also in IVOF vereint und darüber
hinaus auch die mögliche Anisotropie die Flusssignals berücksichtigt. Es konnte gezeigt
werden, dass dieses Modell das diffusionsgewichtete Signal in der menschlichen
Niere besser beschreibt als die herkömmlichen Modelle (DTI und IVIM) und auch
besser als eine Kombination von DTI und IVIM, bei der ein isotroper Flussanteil
des Signals angenommen wird.
Es wurde weiterhin gezeigt, dass selbst wenn der Flussanteil im verwendeten Diffusionsmodell
berücksichtigt wird, der tatsächlich gemessene Flussanteil in der Niere
von der Art der Messung, d.h. Bewegungsempfindlichkeit des Gradientenschemas
abhängt. Das bedeutet, dass der mikroskopische Fluss in der Niere nicht, wie häufig
angenommen, komplett zeitlich inkohärent ist. Bei Vergleichen von IVIM Studien
an der Niere ist es deshalb notwendig, die Bewegungsempfindlichkeit der jeweiligen
Gradientenschemata zu berücksichtigen. Wie groß das absolute Verhältnis von kohärent zu inkohärent fließendem Signal ist, konnte nicht festgestellt werden. Ebenso
wenig konnte die absolute Flussgeschwindigkeit bzw. die Art des Flusses (Laminare
Strömung, Pfropfenströmung, oder andere) ermittelt werden.
TSE hat sich als vielversprechendes, artefaktfreies Verfahren für die Aufnahme
diffusionsgewichteter Bilder der Niere gezeigt. Im Vergleich mit dem Standardverfahren EPI wurden ähnliche Werte der Parameter von DTI und IVIM gefunden.
Abweichungen zwischen EPI und TSE sind vor allem durch die Unschärfe der TSE
Bilder aufgrund von T2-Zerfall zu erklären. Bis zur klinischen Anwendbarkeit diffusionsgewichteter
TSE Bilder bzw. Parameterkarten sind noch einige Weiterentwicklungen
der Methode nötig. Vor allem sind schärfere TSE Bilder erstrebenswert und
es sollten mehrere Schichten in einer klinisch vertretbaren Zeitspanne aufgenommen
werden, ohne dass dabei die zulässigen SAR Grenzwerte überschritten werden.
Bei allen Untersuchungen in dieser Arbeit handelt es sich um Machbarkeitsstudien.
Daher wurden alle Messungen nur an erwachsenen, gesunden Probanden durchgeführt, um zu zeigen, dass das jeweilige vorgeschlagene Modell zu den Daten passt
bzw. dass die vorgeschlagene Methode prinzipiell funktioniert. Bei welchen Pathologien
die hier vorgeschlagenen Methoden und Modelle einen diagnostischen Nutzen
haben, muss in zukünftigen Studien erforscht werden. Außerdem wurden keine b-
Werte zwischen 0 und 200 s/mm2 aufgenommen, bei denen fließende Spins noch
signifikant zum Signal beitragen. Betrachtet man die Ergebnisse der Diffusionsbildgebung
mit verschiedenen m1 in dieser Arbeit, dann ist neben dem b-Wert auch die
Bewegungsempfindlichkeit m1 nötig, um das Signal in diesem Bereich korrekt zu
beschreiben.
Alles in allem sollte der Beitrag von Fluss zum diffusionsgewichteten MR-Signal
in der Niere immer berücksichtigt werden. Die vielfältigen Einflüsse, die unterschiedliche
Parameter auf das Signal von Mikrofluss haben, wurden in dieser Arbeit untersucht
und präsentieren weiterhin ein spannendes Feld für kommende Studien.
Diffusionsgewichtete TSE Sequenzen sind auch für die klinische Diagnostik eine potentielle
Alternative zu Artefakt-anfälligen EPI Sequenzen. Bis dahin sollten jedoch
die Bildschärfe und Abdeckung der diffusionsgewichteten TSE Sequenz weiter verbessert
werden.
N2  - Diffusion-weighted magnetic resonance (MR) imaging plays an important role in
clinical diagnosis of various pathologies, such as stroke or tumors. Oftentimes a
mono-exponential diffusion model is used and multiple diffusion directions are averaged.
The potential influence of flow and a possible anisotropy of the signal are then
neglected. Diffusion models that take these properties of the signal into account may
allow a more accurate diagnosis. Diffusion tensor imaging (DTI) captures the directional
dependence of diffusion, while the Intravoxel Incoherent Motion (IVIM) model
accounts for the contribution of flow to the signal. Kidneys are strongly structured
organs and exhibit anisotropic diffusion. Furthermore, kidneys are well perfused organs.
DTI and IVIM both describe independently two important features of the
diffusion-weighted signal in the kidneys, but neglect the advantages of the other
model.
The here presented work introduces a comprehensive diffusion model named Intravoxel
Oriented Flow (IVOF). IVOF includes the possibilities of anisotropic diffusion
and of flow. This way IVOF combines the advantages of DTI and IVIM and furthermore,
accredits the possibility of anisotropic flow signal. It was shown that this
model fits diffusion-weighted signal in the human kidney better than the standard
diffusion models DTI and IVIM. IVOF even performs better than a combination of
DTI and IVIM with an isotropic flow fraction.
Moreover, it was shown that the actually measured flow fraction of the diffusionweighted
signal in the kidneys depends on the imaging protocol, i.e. on the first
gradient moment m1 of the diffusion gradient scheme. This means that the microscopic
flow in the kidneys is not completely temporally incoherent, in contrast to
what is often assumed. Therefore, a comparison of renal IVIM studies needs to pay
attention to the used gradient schemes and their respective m1. The absolute ratio
of coherent to incoherent flow signal could not be determined in this work and is
subject to future work. The flow profile (whether laminar flow, plug flow or other)
and the mean flow velocity should also be investigated in further studies.
Turbo-Spin-Echo (TSE) proofed to be an artifact-free and promising tool for acquiring
diffusion-weighted images of the kidney. Similar DTI and IVIM parameters
were found when images where acquired with TSE compared to Echo-Planar
Imaging (EPI). Differences between parameters acquired with EPI and TSE may
be explained by blurring in the TSE images, which is caused by T2 -decay. Before
diffusion-weighted TSE images and parameter maps can be used for clinical diagnosis, some further improvements of the method are necessary. Sharper TSE images
are preferable and multiple slices need to be acquired within a clinically reasonable
scan time without exceeding specific absorption rate limits.
All studies described in this work are feasibility studies. For this reason, all measurements
were performed on healthy, adult volunteers to show that the proposed
diffusion model fits the data or that the proposed acquisition method works in principle.
The diagnostic value of the here proposed methods and models should be
investigated in future studies. No b-values between 0 and 200 s/mm2 were acquired.
In this range, the signal of flowing spins contributes significantly to the total signal.
With regard to the results in this work concerning diffusion-weighted imaging with
multiple first gradient moments it is likely that the b-value is not sufficient to describe
the signal in this regime. The first gradient moment of the diffusion-weighting
gradients may be crucial to describe the signal correctly.
All in all it is important to always consider the contribution of flow to the diffusionweighted
MR signal in the kidneys. Manifold influences of acquisition parameters to
the signal of micro flow were presented in this work and provide an interesting field
for further research. Diffusion-weighted TSE sequences are a potential alternative to
artifact-prone EPI sequences. However, for clinical application of diffusion-weighted
TSE blurring needs to be reduced and 3-dimensional coverage should be increased.
KW  - Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie
KW  - Niere
KW  - Diffusion Tensor Imaging
KW  - Intravoxel Incoherent Motion
KW  - Kidney
KW  - Turbo Spin Echo
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-141149
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lohr, David
T1  - Functional and Structural Characterization of the Myocardium
T1  - Funktionelle und Strukturelle Charakterisierung des Myokardiums
N2  - Clinical practice in CMR with respect to cardiovascular disease is currently focused on tissue characterization, and cardiac function, in particular. In recent years MRI based diffusion tensor imaging (DTI) has been shown to enable the assessment of microstructure based on the analysis of Brownian motion of water molecules in anisotropic tissue, such as the myocardium. With respect to both functional and structural imaging, 7T MRI may increase SNR, providing access to information beyond the reach of clinically applied field strengths. To date, cardiac 7T MRI is still a research modality that is only starting to develop towards clinical application.
In this thesis we primarily aimed to advance methods of ultrahigh field CMR using the latest 7T technology and its application towards the functional and structural characterization of the myocardium.
Regarding the assessment of myocardial microstructure at 7T, feasibility of ex vivo DTI of large animal hearts was demonstrated. In such hearts a custom sequence implemented for in vivo DTI was evaluated and fixation induced alterations of derived diffusion metrics and tissue properties were assessed. Results enable comparison of prior and future ex vivo DTI studies and provide information on measurement parameters at 7T.
Translating developed methodology to preclinical studies of mouse hearts, ex vivo DTI provided highly sensitive surrogates for microstructural remodeling in response to subendocardial damage. In such cases echocardiography measurements revealed mild diastolic dysfunction and impaired longitudinal deformation, linking disease induced structural and functional alterations. Complementary DTI and echocardiography data also improved our understanding of structure-function interactions in cases of loss of contractile myofiber tracts, replacement fibrosis, and LV systolic failure.
Regarding the functional characterization of the myocardium at 7T, sequence protocols were expanded towards a dedicated 7T routine protocol, encompassing accurate cardiac planning and the assessment of cardiac function via cine imaging in humans.
This assessment requires segmentation of myocardial contours. For that, artificial intelligence (AI) was developed and trained, enabling rapid automatic generation of cardiac segmentation in clinical data. Using transfer learning, AI models were adapted to cine data acquired using the latest generation 7T system. Methodology for AI based segmentation was translated to cardiac pathology, where automatic segmentation of scar tissue, edema and healthy myocardium was achieved.
Developed radiofrequency hardware facilitates translational studies at 7T, providing controlled conditions for future method development towards cardiac 7T MRI in humans.
In this thesis the latest 7T technology, cardiac DTI, and AI were used to advance methods of ultrahigh field CMR. In the long run, obtained results contribute to diagnostic methods that may facilitate early detection and risk stratification in cardiovascular disease.
N2  - Bei kardiovaskulären Erkrankungen konzentriert sich die kardiale MRT aktuell auf die Gewebecharakterisierung und insbesondere die Herzfunktion. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass MRT-basierte Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) die Beurteilung der Mikrostruktur anhand der Analyse der Brownschen Bewegung von Wassermolekülen in anisotropem Gewebe, wie dem Myokardium, ermöglicht. In Bezug auf sowohl die funktionelle als auch die strukturelle Bildgebung kann 7T MRT SNR verbessern und Information messbar machen, die außerhalb der Reichweite von klinisch angewendeten Feldstärken liegt. Heute ist kardiale 7T MRT noch eine Forschungsmodalität, die sich Richtung klinischer Anwendung entwickelt.
Hauptziel dieser Dissertation war die Weiterentwicklung von Methoden der kardialen Ultrahochfeld-Bildgebung mittels der neuesten 7T-Technologie und dessen Anwendung für die funktionelle und strukturelle Charakterisierung des Myokardiums.
Für die Mikrostrukturcharakterisierung des Myokardiums bei 7T wurde die Durchführbarkeit von ex vivo DTI Messungen von Großtierherzen demonstriert. In solchen Herzen wurde eine Sequenz evaluiert, die für in vivo DTI etabliert wurde. Zudem wurden fixationsbedinge Veränderungen von Diffusionsparametern und Gewebeeigenschaften ermittelt. Die Ergebnisse erlauben den Vergleich von bestehenden und zukünftigen ex vivo Studien und geben Informationen zu Messparametern bei 7T.
Der Transfer von etablierten Methoden zu präklinischen Studien in Mäuseherzen demonstrierte, dass ex vivo DTI sensitive Marker für Mikrostruktur-Remodeling nach Subendokard-Schäden liefern kann. In solchen Fällen zeigte Echokardiographie eine leichte diastolische Dysfunktion und eingeschränkte Longitudinalverformung. Komplementäre DTI und Echokardiographie-Daten erweiterten zudem unser Verständnis von Struktur-Funktions-Interaktionen in Fällen von Verlust von kontraktilen Faserbündeln, Fibrose und linksventrikulärem, systolischem Versagen.
Für die funktionelle Charakterisierung des Myokardiums bei 7T wurde ein dediziertes 7T-Humanprotokoll erarbeitet, welches akkurate Schichtplanung und die Bestimmung der Herzfunktion mittels Cine-Bildgebung umfasst.
Die Herzfunktionsbestimmung erfordert die Segmentierung des Myokards. Hierfür wurde künstliche Intelligenz (KI) entwickelt, die eine schnelle, automatische Herzsegmentierung in klinischen Daten ermöglicht. Mittels Lerntransfer wurden KI-Modelle für Bilder angepasst, die mit der neuesten 7T-Technologie aufgenommen wurden. Methoden für die KI-basierte Segmentierung wurden zudem für die Bestimmung und Segmentierung von Narbengewebe, Ödemen und gesundem Myokard erweitert.
Entwickelte Radiofrequenz-Komponenten ermöglichen translationale 7T-Studien, welche kontrollierte Bedingungen für die Methodenentwicklung von kardialen 7T-Anwendungen für den Humanbereich liefern.
In dieser Arbeit werden die neueste 7T-Technologie, DTI am Herzen und AI genutzt, um Methoden der kardialen Ultrahochfeld-Bildgebung weiterzuentwickeln. Langfristig erweitern die erzielten Ergebnisse diagnostische Methoden, die Früherkennung und Risikoabschätzung in kardiovaskulären Erkrankungen ermöglichen können.
KW  - Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - 7T
KW  - DTI
KW  - AI
KW  - Cardiac
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234486
ER  -