Development and optimization of methods for quantitative Magnetic Resonance Imaging: QSM and DCE-MR

Abstract

Goal: Development and optimization of quantitative Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods to provide enhanced image contrasts which can be used as potential biomarkers.

Methods: To achieve this goal, two studies were carried out: (i) optimization of Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) in the brain. This study, based on 16 healthy volunteers, has consisted in evaluating reproducibility and consistency of QSM reconstructions obtained at 1.5T and 3T and in optimizing a sequence acquisition protocol to increase image contrast-to-noise ratio (CNR) at 1.5T. Four spoiled gradient echo (SPGR) acquisition sequences with different acquisition bandwidths were tested. (ii) implementation of a non-rigid respiratory motion correction (MC) framework for dynamic contrast enhanced MR (DCE-MR) imaging of the liver. DCE-MRI data was acquired at 3T during free breathing for 5 min, using a 3D T1-weighted Golden Angle Radial Phase Encoding (GRPE) sequence. Non-rigid respiratory motion information was extracted from the acquired data and used in a motion corrected image reconstruction to obtain high quality DCE-MRI images with temporal resolution of 6 s and isotropic resolution of 1.5 mm. An extended Tofts’ model was fitted to the dynamic datasets, yielding quantitative parametric maps of endothelial permeability using the hepatic artery as input function. This new technique was evaluated on 11 oncological patients.

Results: As for the evaluation of reproducibility and consistency of QSM across field strengths in (i), all four acquisition sequences reported very good correlation (Pearson correlation coefficient R ≥ 0.96, widest limits of agreement I from -18.7 to 25.8 ppb). The CNR evaluation reported a statistically significant increase (p < 0.05) in four out of seven regions of interest (ROIs) for the lowest bandwidth employed with respect to the highest (25% increase in CNR of caudate nucleus). Motion correction in (ii), successfully removed respiratory motion artifacts and ensured accurate alignment between time points in the DCE-MR time-series, improving the average CNR of hepatic lesions in later phases of DCE-MR images by 47% (p < 0.01). CNR of endothelial permeability derived from motion corrected data was improved by 62% (p < 0.01) compared to images without motion correction. Motion correction also led to better identification and differentiation of pathologies such as hemangiomas, cysts and necrotic core tumors.

Conclusions: Both the optimized QSM acquisition protocol for 1.5T and the 3D non-rigid respiratory motion correction framework for DCE-MR images presented in this thesis improved the quality of quantitative MR images and led to a signfician increase of CNR over various features of interest.

Zielsetzung: Entwicklung und Optimierung von quantitativen Magnetresonanztomographie (MRI)-Methoden, zur Verbesserung von Bildkontrasten als neue Biomarker Methoden: Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei Studien durchgeführt: (i) Optimierung des Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) im Gehirn. Diese Studie, die auf 16 gesunden Freiwilligen basiert, bestand in der Bewertung der Reproduzierbarkeit und Konsistenz der QSM Rekonstruktionen, die bei 1,5T und 3T erhalten wurden, sowie in der Optimierung eines Sequenzaufnahmeprotokolls zur Erhöhung des contrast-to-noise-ratio (CNR) bei 1,5T. Es wurden vier Spoiled-Gradient-Echo (SPGR) Aufnahmesequenzen mit unterschiedlichen Aufnahmebandbreiten getestet. (ii) Implementierung einer nicht-rigiden Methode zur Korrektur der Atembewegung (MC) für die Dynamic Contrast Enhanced MR (DCE-MR) Bildgebung der Leber. Die DCE-MR Daten wurden bei freier Atmung bei 3T für 5 Minuten unter Verwendung einer 3D T1-gewichteten Golden Angle Radial Phase Encoding (GRPE) Sequenz erfasst. Aus den erhaltenen Daten wurden Informationen über nicht-rigide Atembewegungen extrahiert und in einer bewegungskorrigierten Bildrekonstruktion verwendet um qualitativ hochwertige DCEMRI Bilder mit einer zeitlichen Auflösung von 6 s und einer isotropen Auflösung von 1,5 mm zu erhalten. Ein erweitertes Tofts Modell wurde an die dynamischen Datensätze angepasst, wodurch sich quantitative parametrische Karten der endothelialen Permeabilität unter Verwendung der Leberarterie als Eingangsfunktion ergaben. Diese neue Technik wurde an 11 onkologischen Patienten evaluiert. Resultate: Bezüglich der Bewertung der Reproduzierbarkeit und Konsistenz des QSM über Feldstärken in (i), wiesen alle vier Aufnahmesequenzen eine sehr gute Korrelation auf (Pearson- Korrelationskoeffizient R ≥ 0,96, breiteste Grenzen der Übereinstimmung I von -18,7 bis 25,8 ppb). Die CNR-Auswertung wies einen statistisch signifikanten Anstieg (p < 0,05) in vier von sieben Regionen von Interesse (ROI) für die niedrigste verwendete Bandbreite im Vergleich zur höchsten (25% Anstieg des CNR des Nucleus Caudatus) auf. Die Bewegungskorrektur in (ii) minimierte erfolgreich Atembewegungsartefakte und gewährleistete eine genaue Ausrichtung zwischen den Zeitpunkten in der DCE-MR-Zeitreihe, wodurch sich die durchschnittliche CNR der Leberläsionen in späteren Phasen der DCE-MR-Bilder um 47% verbesserte (p < 0,01). Die CNR der endothelialen Permeabilität, die aus bewegungskorrigierten Daten abgeleitet wurde, verbesserte sich um 62% (p <0,01) im Vergleich zu Bildern ohne Bewegungskorrektur. Die Bewegungskorrektur führte auch zu einer besseren Identifizierung und Differenzierung von Pathologien wie Hämangiomen, Zysten und nekrotischen Kerntumoren. Schlussfolgerungen: Sowohl das optimierte QSM-Erfassungsprotokoll für 1,5T als auch die in dieser Arbeit vorgestellte 3D Methode zur nicht-rigiden Atembewegungskorrektur für DCE-MR Bilder verbesserte die Qualität der quantitativen MR Bilder und führte zu einem deutlichen Anstieg der CNR.