Magnetic resonance elastography (MRE) is an emerging modality for quantitative viscoelasticity mapping of soft tissues in vivo. However, long acquisition times and poor temporal resolution limit the capacity of MRE to study moving organs and short-term temporal variations of viscoelasticity. Therefore, a new method for rapid time-resolved MRE has been developed based on a cardiac-gated steady-state MRE (ssMRE) pulse sequence with a multi-shot segmented spiral readout and respiratory navigation combined with stroboscopic displacement encoding and an adapted reconstruction algorithm. The method was extended to a single-shot real-time ssMRE (rtMRE) variant that can map non-periodic processes in a single measurement without any repeated readout. The feasibility of the developed methods was demonstrated in 3 in vivo studies. In each study, time-resolved viscoelasticity maps on the order of 6–29 Hz depicting stiffness (shear wave speed in m/s or magnitude of the complex shear modulus in Pa) and fluidity (phase of complex shear modulus in rad) were inverted and analyzed. In the first study, the influence of cerebral arterial pulsation (CAP) on the brain viscoelasticity was investigated in 12 healthy participants. In the second study, 20 healthy participants were examined to quantify differences in viscoelasticity along the aortic tree, including the ascending thoracic (AA), descending thoracic (AD), and abdominal (AAb) aorta. In a third study, rtMRE was applied to investigate dynamic muscle activation in the lower extremities during isometric plantar flexion and dorsiflexion in 15 healthy participants. A global systolic CAP-induced decrease in stiffness of 6.6 ± 1.9% (p < .001) and a weak increase in fluidity of 0.5 ± 0.5% (p = .002) was found in the brain parenchyma. In the aorta, an increase in stiffness from the aortic root to the aortic bifurcation was found with 1.6 ± 0.2 m/s in AA, 2.4 ± 0.3 m/s in AD and 2.5 ± 0.6 m/s in AAb. In the muscle, it was observed that muscle activation is associated with significantly increased stiffness and fluidity. The most pronounced increase in viscoelastic parameters was observed in the soleus during plantar flexion (stiffness: 20.0 ± 3.6%, fluidity: 41.3 ± 12.0%, p < .001) and in the tibialis anterior during dorsiflexion (stiffness: 41.8 ± 10.2%, fluidity: 27.9 ± 2.8%, p < .001). ssMRE and rtMRE proved to be versatile methods, yielding viscoelasticity maps with high spatial and temporal resolution. The results show CAP-induced transient effects on brain viscoelasticity, stiffness differences along the aortic tree, and an abrupt increase in stiffness and fluidity resulting from muscle activation. This dissertation contributes to the field of MRE by providing, for the first time, time-resolved viscoelasticity maps of soft tissues to study physiological processes in future diagnostic applications.
Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ist eine neue Methode zur quantitativen viskoelastischen Bildgebung von Weichgewebe in vivo. Allerdings sind die Möglichkeiten der MRE, bewegte Organe und kurzzeitige Variationen der Viskoelastizität zu untersuchen, aufgrund langer Messzeiten und geringer zeitlicher Auflösung begrenzt. Daher wurde eine schnelle zeitaufgelöste MRE-Methode auf Grundlage einer herzgetriggerten steady-state MRE-Pulssequenz (ssMRE) mit segmentierter Spiralauslese und Atemnavigation in Kombination mit stroboskopartiger Schwingungskodierung und angepasstem Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt. Die Methode wurde zu einer Echtzeit-ssMRE-Variante (rtMRE) erweitert, die selbst nicht-periodische Prozesse in einer einzigen Messung ohne wiederholte Auslese abbilden kann. Die Durchführbarkeit der Methoden wurde in 3 In-vivo-Studien überprüft. Dafür wurden zeitaufgelöste Viskoelastizitätskarten mit einer Bildrate von 6–29 Hz rekonstruiert, die die Steifigkeit (Scherwellengeschwindigkeit in m/s bzw. Magnitude des komplexen Schermoduls in Pa) und die Fluidität (Phase des komplexen Schermoduls in rad) der jeweiligen Gewebe abbilden. In der ersten Studie wurde der Einfluss der zerebral-arteriellen Pulsation (CAP) auf die Viskoelastizität des Gehirns von 12 gesunden Teilnehmern untersucht. In der zweiten Studie wurde bei 20 gesunden Teilnehmern die Viskoelastizität entlang des Aortenbaums, einschließlich der Aorta ascendens thorakal (AA), descendens thorakal (AD) und abdominales (AAb) quantifiziert. In der dritten Studie wurde mit der rtMRE dynamische Muskelaktivierung in den unteren Extremitäten während isometrischer Plantar- und Dorsalflexion bei 15 gesunden Teilnehmern analysiert. Im Hirnparenchym wurde eine globale systolische Abnahme der Steifigkeit um 6,6±1,9% (p<.001) und eine geringe Zunahme der Fluidität um 0,5±0,5% (p=.002) festgestellt. Der Aortenbaum zeigte eine Zunahme der Steifigkeit von der Aortenwurzel bis zur Aortenbifurkation mit 1,6±0,2 m/s in AA, 2,4±0,3 m/s in AD und 2,5±0,6 m/s in AAb. Ferner konnten bei Muskelaktivierung eine erhöhte Steifigkeit und Fluidität beobachtet werden. Den stärksten Anstieg wiesen der Soleus während der Plantarflexion (Steifigkeit: 20,0±3,6%, Fluidität: 41,3±12,0%, p<.001) und der Tibialis anterior während der Dorsalflexion (Steifigkeit: 41,8±10,2%, Fluidität: 27,9±2,8%, p<.001) auf. ssMRE und rtMRE erwiesen sich als erfolgreiche Methoden für die Bildgebung von Viskoelastizität mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Die Ergebnisse zeigen CAP-induzierte transiente Effekte auf die Viskoelastizität des Gehirns, Steifigkeitsunterschiede entlang des Aortenbaums und einen abrupten Anstieg der Steifigkeit und der Fluidität in Folge von Muskelaktivierung. Diese Dissertation leistet einen wichtigen Beitrag auf dem Gebiet der MRE, indem sie erstmalig zeitaufgelöste Viskoelastizitätskarten von Weichgewebe zur Untersuchung physiologischer Prozesse für zukünftige diagnostische Anwendungen bereitstellt.
