Analysis of diffusion processes in the human body by means of magnetic resonance imaging, spectroscopy and tractography

The experiments presented in this thesis were designed to study diffusion processes in the human body under two distinct environmental conditions, i.e. free and restricted diffusion. In the typical timescales of milliseconds in magnetic resonance imaging (MRI), the diffusion of contrast agent molecules in blood vessels can be regarded as isotropic. However, reliably measured values of the diffusion coefficients have not been reported so far. With this thesis, a new approach to assess the diffusivity of Gd-DOTA as the most commonly used MRI contrast agent is presented. In order to enable direct observation of the complex by means of 1H NMR spectroscopy, the paramagnetic Gd3+ ion of Gd-DOTA was replaced by Ga3+. The diffusion coefficient of Ga-DOTA in D2O at body temperature was measured with high precision using 2D DOSY NMR experiments: D = 4.38(0.04)10e10 m2/s. The hydrodynamic similarity of Ga-DOTA and Gd-DOTA was verified using dielectric relaxation spectroscopy. Consequently, the diffusion coefficient of Ga-DOTA as a hydrodynamic analogue of Gd-DOTA is also valid for the MRI contrast agent. Direct diffusion measurements in human blood were not feasible due to the strong 1H signal background. However, an estimate of the diffusivity in human blood plasma at body temperature was derived using the Stokes-Einstein relation to correct for the higher solvent viscosity: D_plasma = 2.92(0.25)10e10 m2/s. Within the framework of the “Panini Project”, anisotropic diffusion along neuron fiber tracts in fixed post mortem human brain specimens was investigated. Using a highly optimized setup, unprecedented spatial resolutions of up to 350μm on a full-bore human 3T MRI system were achieved. Reconstruction of fiber pathways based on the local diffusion orientation distributions showed an impressive level of detail. However, tissue fixation imposed a strong limitation on the achievable angular resolution in the reconstruction of complex neuron microstructures. Using fixed and fresh pig hearts, the proposed method was transferred to cardiac imaging and the impact of tissue fixation on signal intensity and diffusion contrast was studied. The existence of a structurally stable state in unfixed tissue was demonstrated and allowed for continuous image acquisition over 13h. The helical structure of myocardial fiber bands was accurately reconstructed as were the vessel walls of the aorta, pulmonary trunk and right coronary artery. Analysis of spherical harmonic energy spectra and fractional anisotropy confirmed an increased angular resolution in data sets of unfixed tissue compared to fixed tissue. In a pilot study, the feasibility of high-resolution tractography of unfixed human tissue specimens was investigated. In the human brain, major white matter pathways were successfully reconstructed at 0.9mm isotropic resolution. Fiber reconstructions in the human heart were less accurate as a consequence of shorter relaxation times. However, both ventricles and parts of several vessel walls were identified in the reconstruction.In der vorliegenden Dissertation wurden Diffusionsprozesse im menschlichen Körper unter den Rahmenbedingungen der freien und eingeschränkten Diffusion untersucht. In den für die Magnetresonanztomographie (MRT) üblichen Zeitskalen von wenigen Millisekunden kann die Diffusion von Kontrastmittelmolekülen in Blutgefäßen als isotrop angesehen werden. Verlässlich gemessene Diffusionskoeffizienten wurden bisher jedoch nicht publiziert. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Gd-DOTA als dem am häufigsten verwenden Kontrastmittel entwickelt. Um eine direkte Beobachtung mittels 1H NMR Spektroskopie zu ermöglichen, wurde das paramagnetische Gd3+ Ion des Komplexes durch Ga3+ ersetzt. Der Diffusionskoeffizient von Ga-DOTA in D2O bei Körpertemperatur wurde mittels 2D DOSY NMR bestimmt zu D = 4.38(0.04)10e10 m2/s. Die hydrodynamische Ähnlichkeit von Ga-DOTA und Gd-DOTA wurde mittels dielektrischer Relaxationsspektroskopie nachgewiesen. Folglich gilt der für Ga-DOTA direkt gemessene Diffusionskoeffizient auch für das MR Kontrastmittel Gd-DOTA. Eine direkte Diffusionsmessung in menschlichem Blut war bislang aufgrund des starken 1H Hintergrundsignals nicht möglich. Allerdings konnte mit Hilfe der Stokes-Einstein Gleichung die höhere Viskosität des Blutes korrigiert und der Diffusionskoeffizient abgeschätzt werden: D_plasma = 2.92(0.25)10e10 m2/s. Im Zuge des »Panini Project« wurde die anisotrope Diffusion von Wassermolekülen in fixierten Gewebeproben des menschlichen Gehirns untersucht. Durch die Verwendung eines hoch-optimierten experimentellen Aufbaus konnten bislang unerreichte räumliche Auflösungen von bis zu 350μm auf einem 3T Ganzkörper MR-Tomographen erzielt werden. Die Rekonstruktion von Faserbündeln zeigte eine zuvor unerreichbare Detailtiefe. Allerdings wurde die maximale Winkelauflösung der Faserrekonstruktion von komplexen Mikrostrukturen erheblich durch den Einfluss der Gewebefixierung eingeschränkt. Die Methodik wurde daher auf die Bildgebung von fixierten und frischen Schweineherzen übertragen um den Einfluss der Gewebefixierung genauer zu untersuchen. Außerdem wurde die Existenz eines strukturell stabilen Zustands in unfixiertem Gewebe nachgewiesen wodurch kontinuierliche Bildaufnahmen über 13 Stunden möglich wurden. Die helikale Faserstruktur im Myokard konnte ebenso detailliert dargestellt werden wie die Gefäßwände von Aorta, arteria pulmonalis und der rechten Herzkranzarterie. Die Analyse der sphärisch-harmonischen Energiespektren und der fraktionellen Anisotropie bestätigten eine erhöhte Winkelauflösung in unfixiertem Gewebe. In einem Pilotversuch wurde außerdem die Durchführbarkeit dieser Methode an unfixiertem menschlichem Gewebe demonstriert. Im Gehirn konnten die wichtigsten Faserbündel der weißen Hirnsubstanz bei einer Auflösung von 0.9mm rekonstruiert werden. Entsprechende Rekonstruktionen im menschlichen Herzen zeigten leider eine etwas geringere Genauigkeit, konnten aber die beiden Ventrikel sowie Bruchstücke zweier Herzkranzgefäße abbilden