The initial signal in multi-echo gradient echo magnetic resonance imaging at ultra-high field

Abstract

Das Anfangssignal in Multi-Echo Gradienten-Echo Magnetic Resonance Imaging (MRI), M0, spiegelt sowohl die Protonendichte als auch die longitudinale Relaxationszeit T1 des Hirngewebes wider. Es ist bekannt, dass Läsionen bei Multiple Sklerose (MS) unterschiedliche T1-Zeiten aufweisen, je nachdem, ob sie aktiv (d.h. von anhaltenden autoimmunen Entzündungsprozessen und/oder Remyelinisierung betroffen) oder inaktiv (d.h. Ausdruck irreversibler Schäden) sind. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Läsionstypen ist klinisch bedeutsam, wodurch M0 zu einem potenziell wertvollen, bisher jedoch wenig erforschten Bildgebungs-Biomarker wird. Ziel dieser Diplomarbeit war es, eine schnelle Methode zur Berechnung von M0 zu entwickeln und die Effekte lokaler Spulensensitivitäten durch Anwendung eines bildbasierten Homogenitätskorrektur-Algorithmus zu entfernen. Die potenzielle Relevanz von M0 bei MS wurde außerdem durch den Vergleich von M0-Werten mit anderen qualitativen (T1- und T2-gewichteten sowie Suszeptibilitäts-gewichteten Bildern) und quantitativen (T1-Mapping und Quantitative Susceptibility Mapping) MRI-Sequenzen untersucht, die in der MS-Forschung Anwendung finden. Diese Kontraste und Messgrößen sind in der MS-Diagnostik wesentlich besser untersucht und dienen daher als geeignete Referenzpunkte. Ein möglicher Vorteil von M0 gegenüber diesen Referenzen besteht darin, dass die zugrunde liegenden Daten – im Gegensatz zu T1- und T2-Bildern, die separat akquiriert werden müssen – bereits in der Multi-Echo-Aufnahme enthalten sind, die für Susceptibility Weighted Imaging (SWI) und die Erstellung einer Quantitative Susceptibility Map (QSM) verwendet wird. Gleichzeitig kann erwartet werden, dass M0 weniger verrauscht als eine QSM und spezifischer als SWI ist.Anstatt den exponentiellen Signalabfall zur Bestimmung von M0 zu fitten – ein Ansatz, der langsam ist und zu verrauschten Ergebnissen führt – wurde die numerische Methode NumART2* verwendet, um die effektive transversale Relaxationsrate T2* zu bestimmen und anschließend das Anfangssignal zu berechnen. Der abschließende Schritt bei der Erstellung der M0-Bilder war die Anwendung einer heuristischen Homogenitätskorrektur, die mittels einer boxweisen einfachen Segmentierung die Sende- und Empfangsfelder (B1) abschätzt.Der Kontrast in M0 wurde mittels Simulation des T1- und Protonendichte-Kontrasts von weißer und grauer Substanz des Gehirns in Abhängigkeit des angewandten Flip Angle (FA) und der angewandten Repetitionszeit des Gradienten-Echo-Signals untersucht und experimentell überprüft. Zu diesem Zweck wurden Gradienten-Echo-Scans mit unterschiedlichem FA und unterschiedlicher Repetitionszeit an einem gesunden Probanden an den 3T und 7T MRI-Scannern des High Field Magnetic Resonance Center (HFMRC) in Wien durchgeführt.Die Bedeutung von M0 in der MS-Bildgebung wurde mithilfe der Daten eines kleinen Patientenkollektivs, die im Rahmen eines parallelen Projekts am 7T gesammelt wurden, im Vergleich zu anderen in der MS-Forschung verwendeten nicht-quantitativen Methoden semi-quantitativ bewertet. Dafür wurde untersucht, ob MS-Läsionen in M0, T1- und T2-gewichteten sowie Suszeptibilitäts-gewichteten Bildern sichtbar sind. Um einen solchen Vergleich zu ermöglichen, war eine Co-Registrierung der verschiedenen Bildgebungsverfahren notwendig.Zur weiteren Quantifizierung der in M0 sichtbaren Läsionen wurden Quantitative Susceptibility Maps erstellt, welche die räumliche Verteilung der magnetischen Suszeptibilitäten des Gewebes aus der Phase des Gradienten-Echo-Signals abschätzen. Die Suszeptibilitäts- und T1-Werte (aus verfügbaren T1-Maps) der Läsionen wurden durch anatomische Segmentierung sowohl im QSM als auch im T1-gewichteten Raum ermittelt, was eine Korrelation von M0 mit diesen etablierten Methoden zur Beurteilung von Eisenakkumulation und Myelinintegrität ermöglichte.

The initial signal in multi-echo gradient echo Magnetic Resonance Imaging (MRI), M0, reflects both the proton density and the longitudinal relaxation time T1 of brain tissue. Lesions in Multiple Sclerosis (MS) are known to have different T1 times depending on whether they are active (subject to ongoing auto-immune inflammatory attack and/or remyelination) or inactive (reflecting irrecoverable damage). It is clinically important to distinguish between these two types of lesions, making M0 a potentially valuable, and little explored, imaging biomarker. The aim of this Masters Thesis was to develop a fast method to calculate M0 and remove the effects of local coil sensitivities by applying an image-based homogeneity correction algorithm. The potential significance of M0 in MS was also assessed by comparing M0 values with other qualitative (T1- and T2-weighted and susceptibility weighted images) and quantitative (T1 mapping and quantitative susceptibility mapping) MRI sequences in use in MS. These contrasts and measures are much better studied in MS, making them useful points of reference. The potential advantage of M0 compared to these reference is that (unlike T1 and T2 images, which have to be acquired separately) the data exists in the multi-echo scan used for Susceptibility Weighted Imaging (SWI) and creating a Quantitative Susceptibility Map (QSM), but M0 can be expected to be less noisy than a QSM and more specific than SWI.Rather than fitting the exponential signal decay to determine M0, an approach which is slow and leads to noisy results, the numerical method NumART2* to determine the effective transverse relaxation rate T2* then solve for the initial signal was used. The final step in the generation of M0 images was the application of a heuristic homogeneity correction which uses a box-wise simple segmentation to estimate the transmit and receive B1 fields.The contrast in M0 was explored using simulation of the white-matter/grey-matter T1 and proton density contrast of the brain depending on the applied Flip Angle (FA) and repetition time of the gradient echo, followed by an experimental verification of the findings. For that purpose, gradient echo scans with varied FA and repetition time of a healthy subject were performed on the 3T and 7T MRI scanners located at the High Field Magnetic Resonance Center (HFMRC) in Vienna. The significance of M0 in MS imaging was compared, in a small patient collective imaged as part of a parallel project at 7T, to non-quantitative methods used in MS research semi-quantitatively, as to whether MS lesions are visible in M0, T1- and T2-weighted and Susceptibility Weighted Images. To achieve such a comparison, a co-registration of the different imaging methods was necessary. To further quantify the lesions visible in M0, Quantitative Susceptibility Maps which estimate the spatial distribution of tissue magnetic susceptibilities from the phase of a gradient echo signal were created. The susceptibility and T1 values (from available T1 maps) of the lesions were made accessible through anatomical segmentation in both QSM and T1-weighted spaces, allowing the correlation of M0 with these more established methods of assessing iron accumulation and myelin integrity.