Cerebral multifrequency MR elastography by remote excitation of intracranial shear waves

Abstract

Hintergrund: In der Medizin besitzt die Palpation zur Untersuchung von Gewebeveränderungen und somit zur Erkennung von Krankheitsprozessen große Bedeutung. Elastische Gewebeeigenschaften des lebenden Gehirns sind durch Palpation nicht zugänglich. Mit der Elastographie werden mechanische Gewebeeigenschaften unter Verwendung moderner medizinischer Bildgebungsmodalitäten auch im Gehirn nicht-invasiv quantifizierbar. Dazu werden mechanische Wellen im Gehirn angeregt und aus den aufgenommenen Wellenbildern Karten viskoelastischer Gewebekenngrößen berechnet. Das Ziel der Studie bestand darin, eine effektive und gleichzeitig Patienten schonende Mechanik zur Wellenanregung über das Brustbein für die hochaufgelöste zerebrale Multifrequenz-Magnetresonanzelastographie (mMRE) zu entwickeln und als klinisch anwendbare Methode zu validieren. Methoden: Bei 12 Probanden wurde die bisherige direkte Wellenanregung über eine Kopfwippe mit der neu entwickelten indirekten Anregungstechnik mittels thorakaler Brustmatte verglichen. Dazu wurde die mMRE mit fünf Anregungsfrequenzen von 25 bis 45 Hz angewandt. Eine koronare Schichtorientierung wurde gewählt, um verschiedene Regionen entlang des pyramidalen Systems abzubilden. Anhand der gemessenen Scherwellen wurden mittels Multifrequenz-Inversion hochaufgelöste Karten der viskoelastischen Gewebeparameter |G*| und φ rekonstruiert. Weiterhin wurden die Amplituden der Scherwellen im Gehirn quantifiziert. Komfort und Benutzerfreundlichkeit beider Anregungsmethoden wurden von allen Probanden und den 3 Untersuchern anhand eines Fragebogens beurteilt. Ergebnisse: Durch die indirekte mechanische Anregung wurde der Patientenkomfort signifikant verbessert (p = 0,02) und der Bedienungsaufwand verringert. Gleichzeitig konnten Schwankungen der Scherwellenamplituden zwischen den Probanden, wie sie mit dem herkömmlichen Anregungskonzept auftreten, verringert werden. Die gemessenen viskoelastischen Kenngrößen waren mit beiden Anregungsmethoden vergleichbar. Elastische Eigenschaften von spezifischen anatomischen Gehirnregionen wie des Pons (|G*| = 0,97 ± 0,08 kPa), der Capsula Interna (|G*| = 1,29 ± 0,14 kPa) und des Crus Cerebri (|G*| = 1,64 ± 0,26 kPa) wurden im Rahmen dieser Studie erstmals gemessen. Diskussion: Bisher ist die neuronale mMRE trotz vielversprechender Pilotstudien an Patienten mit Multipler Sklerose, Alzheimer, Parkinson und Gehirntumoren noch nicht in der Klinik etabliert, da unter anderem der mechanische Stimulus durch die direkte Wellenanregung am Kopf von Patienten oft als unangenehm empfunden wird. Die neue Methode erlaubt hingegen erstmalig Scherwellenanregungen ohne direkte Kopfvibration, was wesentlich zu einer Steigerung des Patientenkomforts beiträgt und längere Wiederholungsmessungen mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen bei reproduzierbaren Anregungsamplituden ermöglicht. Durch die beschriebenen Verbesserungen ergibt sich in künftigen Studien für die mMRE das Potential, lokale viskoelastische Veränderungen mit höherer Sensitivität zu detektieren. Die indirekte Anregungstechnik vereinfacht und verbessert die klinische Anwendbarkeit der mMRE bei neuroradiologischen Untersuchungen.

Introduction: Palpation is an important diagnostic method to assess elasticity changes which indicate the presence of disease processes. Using modern medical imaging methods, elastography allows quantitative evaluation of mechanical changes in living tissue. This technique enables the investigation of organs like the human brain, which cannot be palpated. Mechanical waves are generated in the brain, and the acquired wave images are used to produce maps of viscoelasticity parameters. The major goal of this study was to develop an effective and gentle indirect wave excitation setup for high-resolution cerebral multifrequency magnetic resonance elastography (mMRE) and validate it as a clinically applicable method. Methods: The new remote wave excitation based on a thorax mat was compared to the established head rocker stimulation in 12 volunteers. A driving frequency range of 25–45 Hz was used for the excitation. Images were acquired in a coronal slice orientation in order to analyze specific anatomical regions along the spinothalamic pathway. A multifrequency inversion provided high-resolution maps of the viscoelastic parameters |G*| and φ. The amplitudes of the waves were quantified. After the measurements, the volunteers and the three operators completed a questionnaire rating the comfort and convenience of mMRE using the two methods of mechanical excitation. Results: The remote wave excitation setup was rated more comfortable (p = 0.02) and easier to set up than the head rocker. Additionally, the variability of the shear wave amplitudes between the subjects, which occur with the conventional setup, was reduced. The viscoelastic parameters obtained with both setups were comparable. Specific elasticity values in the brain regions of pons (|G*| = 0.97 ± 0.08 kPa), capsula interna (|G*| = 1.29 ± 0.14 kPa) and crus cerebri (|G*| = 1.64 ± 0.26 kPa) were measured in this study for the first time. Discussion: Although pilot studies showed encouraging results in patients with multiple sclerosis, Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease and brain tumors, cerebral mMRE has not been established in the clinic, due in part to discomfort from onerous mechanical stimulation applied directly to the head. The new method allows remote excitation, which improves patient comfort, and allows repeatable measurements with comparable wave amplitudes. As a result of these improvements, future mMRE studies have the potential to detect local viscoelasticity changes with higher sensitivity and in a wider range of patients. The indirect wave excitation setup simplifies and enhances the clinical applicability of mMRE for neuroradiological examinations.