Quantitative susceptibility mapping of the human brainstem with 3T and 7T magnetic resonance imaging

Abstract

Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) ist ein Verfahren der Magnetresonanztomographie, das aufgrund von lokalen Abweichungen des Magnetfeldes magnetische Suszeptibilitäten des Gewebes darstellen kann. Die magnetische Suszeptibilität ist eine intrinsische, materialspezifische Eigenschaft, die bemisst, wie stark ein Material in einem externen Magnetfeld magnetisiert wird. Die Phaseninformation des komplexen MR-Signals wird zur Erzeugung der QSM-Bilder, sogenannter Suszeptibilitätskarten, verwendet.Gradienten-Echo (GRE)-Bilder werden typischerweise für QSM verwendet, da sie eine T2*-Gewichtung beinhalten und ihre Phasenkarten die Magnetisierung der Probe und damit ihre magnetische Suszeptibilität widerspiegeln. Echo-Planar-Imaging (EPI) erfasst eine ganze Schicht mit T2*-Gewichtung in 50-100 Millisekunden. Da EPI-Phasenkarten auch die Probenmagnetisierung widerspiegeln, können sie zur Erzeugung von Suszeptibilitätskarten verwendet werden. Obwohl EPI unter geometrischen Verzerrungen und Signalausfällen leidet, Nachteile, die GRE nicht betreffen, ist es wesentlich schneller.Für das Erstellen einer Suszeptibilitätskartierung sind die Kombination der Spulenkanäle, die Phasensprungkorrektur, die Maskierung des Gehirns, das Entfernen der Hintergrundvariation, und das Lösen des inversen Feld-zu-Quelle-Problems des Dipolfelds erforderlich. QSM ermöglicht Kontraste zwischen grauer Substanz (GM), weißer Substanz (WM), Eisen und Myelin. Durch diese Kontraste lassen sich viele Hirnstrukturen, einschließlich Strukturen, die sich im Hirnstamm befinden, besser visualisieren als in T1- und T2*-gewichteten Bildern.QSM bietet eine vielversprechende Möglichkeit, Hirnstammkerne zu lokalisieren, aufgrund ihrer relativ hohen Suszeptibilitäten. Die Lokalisierung von Hirnstammkernen könnte die patientenspezifische neurochirurgische Planung unterstützen, insbesondere die Implantation von Elektroden zur tiefen Hirnstimulation, einem chirurgischen Eingriff zur Linderung von Symptomen bei der Parkinson-Krankheit, einer häufigen neurodegenerativen Erkrankung. Die MR-Bildgebung des Hirnstamms stellt eine Herausforderung dar, da die Hirnstammkerne klein sind und nahe beieinander liegen, der GM- und WM-Kontrast durch komplexe verflochtene Strukturen vermindert ist und physiologische Geräusche durch Herz- und Atempulswellen verursacht werden.Das Ziel dieser Masterarbeit war es, eine QSM-Verfahrensweise zu entwickeln, um die bestmöglichen Suszeptibilitätskarten zu erzeugen, die aus EPI- und GRE-Sequenzen, sowohl im hohen als auch im ultrahohen Feld, abgeleitet sind. Diese wurden nach ihrer Fähigkeit, die lokale Gewebe-Suszeptibilität zu quantifizieren und subkortikale Hirnstammkerne zu lokalisieren, bewertet. Zusätzlich untersuchte diese Studie Strategien zur Überwindung sowohl der inhärenten Nachteile von EPI als auch der Herausforderungen, die der Hirnstamm mit sich bringt, um Suszeptibilitätskarten von ausreichender Qualität zu erhalten, welche eine eigenständige Option für die schnelle QSM-Bildgebung von Hirnstammkernen darstellen.Es wurde gezeigt, dass die Laplace-Operator-basierte Phasensprungkorrektur, eine Kombination aus BET- und SPM-Gehirnmaskierung, VSHARP-Hintergrundfeldentfernung und STAR-QSM-Dipolinversion sowohl für EPI- als auch für GRE-Bilder die höchste Qualität der Suszeptibilitätskarten ergab. 2-D-EPI-QSM-Bilder ergaben ein ausreichendes Kontrast-Rausch-Verhältnis, um alle sechs analysierten subkortikalen und Hirnstammkerne sowohl im Hoch- als auch im Ultrahochfeld zu lokalisieren. Die Suszeptibilitäten der Hirnstammkerne stimmten im Hochfeld genauer mit den Literaturwerten überein. Darüber hinaus profitierten EPI-QSM-Bilder von der zeitlichen Mittelung mehrerer Messwiederholungen und GRE-QSM-Bilder von echomittelnden Multi-Echo-Aufnahmen.

Quantitative susceptibility mapping (QSM) is a method in magnetic resonance imaging (MRI) that depicts the spatial distribution of local magnetic susceptibilities of tissue. Magnetic susceptibility is an intrinsic, material-specific measure of the extent to which a material becomes magnetized in an external magnetic field. The phase of the inherently complex MR signal is used to generate QSM images, known as susceptibility maps.Gradient-recalled Echo (GRE) sequences are typically used for QSM because they contain T2*-weighting and their phase maps reflect the sample magnetization, and thus its magnetic susceptibility. Echo Planar Imaging (EPI) acquires an entire slice containing T2*-weighting in 50-100 milliseconds. Because EPI phase maps also reflect sample magnetization, they can be used to generate susceptibility maps. Though EPI suffers from geometric distortions and signal dropout, drawbacks that do not afflict GRE, it is significantly faster.Constructing a susceptibility map requires coil channel combination of phase data, phase unwrapping, brain masking, background field removal, and solving the field-to-source inverse problem of the dipole kernel. QSM provides contrast between grey matter (GM), white matter (WM), myelin, and iron. This enables many brain structures, including those in the brainstem, to be visualized with more clarity than is possible in T1- and T2*-weighted images.QSM presents an exciting opportunity to localize brainstem nuclei owing to their relatively high susceptibilities. Localizing brainstem nuclei could aid patient-specific neurosurgical planning, specifically the implantation of electrodes used for deep brain stimulation (DBS), a surgical intervention used to alleviate symptoms in Parkinsons Disease, a common neurodegenerative disorder. MR imaging of the brainstem is challenging because brainstem nuclei are small and in close proximity to each other, GM and WM contrast is diminished by complex interwoven structures, and physiological noise is caused by cardiac and respiratory pulse waves.The aim of this thesis was to develop QSM pipelines to generate the best possible susceptibility maps derived from EPI and GRE sequences, at both high and ultra-high field, as measured by their ability to quantify local tissue susceptibility and localize subcortical brainstem nuclei. Additionally, this study explored strategies to overcome both EPIs inherent drawbacks and challenges posed by the brainstem to yield susceptibility maps of sufficient quality to be a standalone option for rapid QSM imaging of brainstem nuclei.It was shown that Laplacian-based phase unwrapping, a combination of BET and SPM brain masking, VSHARP background field removal, and STAR-QSM dipole inversion produced the highest quality susceptibility maps for both EPI and GRE images.2-D EPI-QSM images yielded sufficient contrast-to-noise ratios to localize all six subcortical and brainstem nuclei at both high and ultra-high field. Susceptibilities of brainstem nuclei more closely matched literature values at high field. Further, EPI-QSM images benefitted from time-averaging several measurement repeats and GRE-QSM images benefitted from echo-averaging multi-echo acquisitions. These approaches made it possible to measure susceptibilities in deep gray matter structures in the inferior brain in seconds, providing the methodological basis for identification of brainstem nuclei to aid surgical implantations of DBS electrodes based on rapid QSM.