Reduction of Measurement Uncertainty in Magnetic Resonance Perfusion Imaging

Perfusionsmessungen des Gehirns mittels Magnetresonanztomographie (MRT) werden im Wesentlichen mit Bolus-Track-Techniken durchgeführt. Der bisherige Ansatz hat zwei relevante Limitationen: i) Bei wiederholten Messungen am gleichen Individuum zeigen die Perfusionsparameter eine hohe Varianz und erschweren somit longitudinale Studien. ii) Die Perfusionskarten sind bislang nur unzureichend quantifizierbar, wobei im Fall einer eingeschränkten Blut-Hirn- Schranke ein besonderes Fehlerpotential vorliegt. Es wurde daher die Hypothese verfolgt, dass der Einfluss beider Faktoren durch die Anwendung zweier Postprocessing-Strategien begrenzt werden kann. Zur Überwindung dieser beiden Limitationen wurde eine verbesserte Nachverarbeitung der MRT-Daten entwickelt: i) Zur Reduktion der Varianz der Perfusionsparameter dient ein neuer Algorithmus zur Korrektur von Sättigungseffekten in der Arteriellen Inputfunktion. ii) Um eine Bestimmung der Perfusionsparameter auch bei gestörter Blut-Hirn-Schranke zu ermöglichen, wurde ein bereits publiziertes Verfahren als Software implementiert. Beide Verfahrensverbesserungen wurden in klinischen Studien angewandt bzw. evaluiert und in einem Fall auch in einer Computersimulation getestet. Schließlich wird ein Ausblick auf ein neues Konzept zur Absolutquantifizierung durch Integration individueller angiographischer Daten gegeben. Die Methode zur Varianzreduktion mittels verbesserter Darstellung der arteriellen Inputfunktion erwies sich in Monte- Carlo-Simulationen als robust. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass sich damit die Bolus-Track-Bildgebung auch bei geringem Signal-Rausch-Verhältnis oder hohen Kontrastmitteldosierungen anwenden lässt. Die Ergebnisse einer Humanstudie (n = 21) mit wiederholten Messungen am gleichen Individuum belegten ferner, dass diese Methode die Sensitivität und Reproduzierbarkeit einer Messung erhöhen kann und somit im Ausblick die Möglichkeit bietet, neue Formen longitudinaler Studien zu betreiben. In einem anderen Anwendungsfeld wurden bei Patienten mit Multipler Sklerose trotz bestehender Extravasation des Kontrastmittels longitudinale Perfusionsveränderungen mit der MRT quantifiziert. Diese Technik fand weiter in einer Studie zur Sicherheit der kontrastmittelbasierten Ultraschallbildgebung Anwendung. Erste Resultate an in-vivo-Daten weisen ferner auf die potentielle Nutzbarkeit der individuellen Gefäßgeometrie zur Quantifizierung der Bolus-Track-Technik hin.Clinical perfusion measurements of the brain were usually performed utilizing dynamic susceptibility contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DSC-MRI). However, this approach has two severe limitations: i) Repeated measurements of the same subject show large variations in the calculated parameter maps which is a disadvantage for longitudinal studies. ii) Quantification of parameter maps is currently limited, especially in the case of a disrupted blood-brain barrier. This was motivation enough to overcome both limitations and led to the hypothesis, that two different post-processing algorithms would be able to do that: i) In order to limit variations in perfusion parameter maps, a novel algorithm was developed which is able to deal with saturation effects in the arterial input function (AIF). ii) In order to estimate perfusion parameters also in case of a disrupted blood-brain barrier, an already published algorithm was implemented as a software program. Both methods were evaluated in clinical studies, and for the saturation correction also in a Monte Carlo simulation. Finally, as an outlook, a novel concept of absolute perfusion quantification by involving angiographic techniques is presented. In the Monte Carlo simulation the algorithm correcting the saturation effects was evaluated as robust and effective. Especially, this approach allows DSC-MRI also in case of low signal-to-noise ratios as well as for high dosages of the contrast agent. A human study (n = 21) with repeated measurements of the same subjects has further proven that this method is able to improve sensitivity and reproducibility in perfusion imaging, and enabling therefore new forms of longitudinal studies. In another topic of research perfusion changes in patients with multiple sclerosis were quantified longitudinally despite of an leaking blood-brain barrier. The same technique was also applied in a safety study on diagnostic ultrasound imaging. Finally, first in-vivo results combining DSC-MRI and MR angiography show the potential usability of this approach for absolute quantification in perfusion imaging