Kontinuierliche Magnetresonanz-Elastographie zur Bestimmung viskoelastischer Gewebeeigenschaften

Abstract

Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ist eine nicht-invasive Bildgebungs- technik, deren Bildkontrast auf den mechanischen Eigenschaften von Weichgewebe beruht. Zu diesem Zweck werden im Gewebe harmonische Scherwellen im Frequenzbereich von 25 bis 60 Hz stimuliert und mittels bewegungssensitiver MR-Tomographie aufgenommen. Scherwellen niedrigerer Frequenzen werden wenig gedämpft, wodurch eine entfernte Gewebeanregung ermöglicht wird, was insgesamt den Patientenkomfort verbessert. Weiterhin sind Wellen niedriger Frequenzen entsprechend der Poroelastizitätstheorie sensitiv gegenüber Gefäß-Gewebe- Interaktionen. Bisher wurden Scherwellen niedriger Frequenzen nicht in der MRE eingesetzt, da insbesondere bei der Datenaufnahme und der Bildrekonstruktion Limitation bestanden. In dieser Arbeit demonstrieren wir die Durchführbarkeit der Breitband-MRE (wMRE) im Frequenzbereich von 10 bis 50 Hz und zeigen deren Anwendung im humanen in vivo Hirn- und Lebergewebe. Methoden Es wurde eine Mehrschicht-Einzelanregung MRE-Sequenz entwickelt, die es ermöglicht, die fraktionierte Kodierung und die Bildaufnahme automatisch an die kontinuierliche harmonische Bewegung anzupassen. Mittels dreidimensionaler Multifrequenz-Inversion wurden Karten der Magnitude |G*| und Phase φ des komplexen Schermoduls G* rekonstruiert, die die viskoelastischen Gewebe- eigenschaften beschreiben. Weiterhin wurde ein neues Verfahren zur Berechnung der Phase φ* entwickelt, um den systematischen Einfluss von Bildrauschen auf die Berechnung von φ zu unterdrücken. Die neue Methode wurde zunächst anhand eines Gel-Phantoms mit signifikantem Verlustmodul getestet und danach an Hirn und Leber in acht gesunden Probanden angewandt. Ergebnisse Die im Phantom mit wMRE gemessene Dispersion von G* stimmte mit den Ergebnissen der oszillatorischen Scherrheometrie überein. In vivo Werte für |G*| und Phase φ* wurden bei Vibrationsfrequenzen von 10-20 Hz, 25-35 Hz und 40-50 Hz mit 0.62±0.08, 1.56±0.16, 2.18±0.20 kPa und 0.09±0.17, 0.39±0.16, 0.20±0.13 rad im Hirn beziehungsweise mit 0.89±0.11, 1.67±0.20, 2.27±0.35 kPa und 0.15±0.10, 0.24±0.05, 0.26±0.05 rad in der Leber gemessen. Die Multifrequenzinversion aller Wellenfelder von 10 bis 50 Hz ergab die gemittelten Werte |G*|=1.38±0.12 kPa und φ*=0.24±0.10 rad im Hirn beziehungsweise |G*|=1.79±0.23 kPa, φ*=0.24±0.05 rad in der Leber mit deutlich verbesserter Auflösung anatomischer Details. Schlussfolgerung Mittels wMRE war es möglich, die stark dispersiven G*-Eigenschaften für Hirn- und Lebergewebe in vivo zu bestimmen. Zum ersten Mal wurden dabei viskoelastische Eigenschaften im Niedrigfrequenzbereich von 10-20 Hz gemessen. Leber- und Hirngewebe sind in diesem Frequenzbereich wesentlich weicher als dies von konventioneller Hochfrequenz-MRE zu erwarten war. Unsere Resultate deuten auf den starken Einfluss größerer Strukturen wie flüssigkeitsgefüllte Gefäße oder Sulci bei niedrigen Vibrationsfrequenzen hin. Die neue Aufnahmetechnik stellt eine effiziente Methode zur Unterdrückung transienter mechanischer Effekte dar und ist aufgrund effizienter Synchronisierung von Bildaufnahme und Vibration derzeit die schnellste MRE- Sequenz.

Magnetic resonance elastography (MRE) is a non-invasive imaging technique capable of generating image contrast based on the mechanical properties of in vivo soft tissues. For that purpose, MRE palpates the tissue by harmonic vibrations in the frequency range from 25 to 60 Hz. Lower frequencies are less affected by damping, which allows for remote tissue excitation, and reduce discomfort to patients from mechanical stimulation. Moreover, low frequency waves have high sensitivity to vascular-solid tissue interactions as addressed by poroelastography. However, they have never been used in MRE due to limitations in data acquisition and image reconstruction. Therefore, we demonstrate the feasibility of wideband MRE (wMRE) in the frequency range of 10-50 Hz for in vivo applications in the human liver and brain. Methods We developed a multislice, single-shot MRE imaging sequence with optimized fractional encoding, which allowed for an adaptive timing of the image acquisition relative to the continuous vibration. Multifrequency three- dimensional inversion was used to reconstruct compound maps of magnitude |G*| and phase φ of the complex shear modulus G* depicting the viscoelastic properties. Furthermore, a new phase estimation, φ*, was developed to avoid systematic bias due to noise. First, the new wMRE method was tested in a gel phantom with marked mechanical loss. Second, the brains and livers of eight healthy volunteers were investigated. Results In the phantom, G*-dispersion measured by wMRE agreed well with oscillatory shear rheometry. |G*| and φ* measured in vivo at vibrations of 10-20 Hz, 25-35 Hz and 40-50 Hz were 0.62±0.08, 1.56±0.16, 2.18±0.20 kPa and 0.09±0.17, 0.39±0.16, 0.20±0.13 rad in brain tissue and 0.89±0.11, 1.67±0.20, 2.27±0.35 kPa and 0.15±0.10, 0.24±0.05, 0.26±0.05 rad in liver tissue. Multifrequency inversion combining the wave fields of all frequencies resulted in |G*|=1.38±0.12 kPa, φ*=0.24±0.10 rad (brain) and |G*|=1.79±0.23 kPa, φ*=0.24±0.05 rad (liver) with a significantly improved resolution of anatomical details. Conclusion wMRE reveals highly dispersive G* properties of the brain and the liver. For the first time, viscoelastic constants were measured in the low frequency range from 10-20 Hz. In this frequency range, both liver and brain tissue are much softer than expected from conventional high-frequency MRE. Our results suggest that the influence of large-scale structures such as fluid-filled vessels and sulci on the MRE-measured parameters increases at low vibration frequencies. Furthermore, the new imaging sequence avoids transient effects and enables an efficient synchronization of image acquisition and vibration resulting in the fastest MRE sequence to date.