Kidney diseases are a major health issue. To address this clinical need, non-invasive imaging may provide markers to inform on the different stages of pathophysiology. Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI) is a non-invasive imaging technique sensitive to tissue water movement and can be used to differentiate between tissue properties. DWI studies commonly make use of single-shot Echo-Planar Imaging (ss-EPI) techniques that are prone to suffering from geometric distortion. Fast spin-echo imaging techniques (e.g. Rapid Acquisition Relaxation Enhancement - RARE) are less susceptible image distortions and can be an alternative to ss-EPI. Renal-DWI studies commonly use a mono or bi-exponential signal decay model which does not differentiate between the different water diffusion sources. Firstly, this thesis focuses in the implementation of a novel image acquisition technique: diffusion sensitized split-echo RARE technique. Secondly, show the feasibility of a novel image analysis approach: continuum modeling, using non-negative least squares (NNLS) for separate the different renal water diffusion sources.
Nierenerkrankungen sind ein großes Gesundheitsproblem. Um diesen dringenden, ungedeckten klinischen Bedarf zu decken, kann die nicht-invasive Bildgebung Marker liefern, die über die verschiedenen Stadien der Pathophysiologie informieren. Die Diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI) ist ein nicht-invasives Verfahren, das auf die Wasserbewegung im Gewebe reagiert. Die DWI kann zur Differenzierung von Gewebeeigenschafte beitragen. Bei DWI-Studien werden üblicherweise single-shot-echo-planar-imaging (ss-EPI)-Techniken verwendet, die anfällig für geometrische Verzerrungen sind. Schnelle Spin-Echo-Bildgebungstechniken (z. B. Rapid Acquisition Relaxation Enhancement - RARE) sind weniger anfällig für B0-Inhomogenitäts-bedingte Bildverzerrungen und können eine gute Alternative zu ss-EPI sein. Nieren-DWI-Studien verwenden üblicherweise ein mono- oder bi-exponentielles Signalabklingmodell, das nicht zwischen den verschiedenen Wasserdiffusionsquellen unterscheidet. Diese Arbeit konzentriert sich erstens auf die Implementierung einer neuartigen Bildaufnahmetechnik: die diffusionssensibilisierte Split-Echo-RARE-Technik. Zweitens wird die Machbarkeit eines neuartigen Bildanalyseansatzes aufgezeigt: Kontinuumsmodellierung unter Verwendung der non-negative least squares (NNLS) zur Trennung der verschiedenen renalen Wasserdiffusionsquellen. Methoden Die Stejskal-Tanner-Vorbereitung wurde verwendet, um eine Diffusionssensibilisierung in eine RARE-Variante einzuführen, die eine Nieren DWI frei von geometrischer Verzerrung für präklinisches DWI im Hochfeld bei 9.4 T ermöglicht. Es wurden Validierungsstudien in Standardflüssigkeiten und in vivo durchgeführt, um die Implementierung von DW Split-Echo RARE zu validieren. Es wurden numerische Simulationen durchgeführt, um die Leistung des datengesteuerten NNLS-Ansatzes unter Verwendung der konventionellen least-square Anpassung (LS) als Referenz zu bewerten. Die Simulationen zielten darauf ab, die renalen DWI Protokolle (Anzahl der Messpunkte auf dem Signalabfall, SNR, Stärke der letzten Diffusionswichtung) für die Trennung der verschiedenen renalen Wasserdiffusionsquellen für zwei physiologische Bedingungen zu bewerten. Ergebnisse Validierungsstudien lieferten Diffusionskoeffizienten, die mit den berichteten Werten aus der Literatur übereinstimmen. Die Split-Echo-RARE übertraf den konventionellen ss-EPI, wobei der ss-EPI eine 3.5-mal größere geometrische Verzerrung (2.60 vs. 0.75) hat. Die NNLS zeigte den gleichen hohen Grad an Zuverlässigkeit wie die LS, da sie in der Lage ist, die drei wichtigsten renalen Wasserdiffusionsquellen zu trennen. Der mittlere relative Fehler (MAPE) der tubulären Volumenfraktion (ftubuli) nahm mit zunehmendem SNR ab. Die Fixierung Dblood und Dtissue reduzierte die Unsicherheiten der Volumenfraktionen sehr stark. NNLS in der Lage, das (vierte) fibrotische Kompartiment zu erkennen und zwischen 10 % und 30 % Fibrose zu unterscheiden. Fazit In dieser Arbeit habe ich die Machbarkeit des Split-Echo-RARE als Alternative zur üblichen ss-EPI Technik in DWI Studien demonstriert. Diese Arbeit demonstriert die Durchführbarkeit der Kontinuummodellierung mit NNLS, einem datengesteuerten Ansatz für renale DWI als eine Alternative zur Trennung der verschiedenen renalen Wasserdiffusionsquellen unter verschiedenen (patho)physiologischen Bedingungen, einschließlich eines erhöhten tubulären Volumenanteils und verschiedener Fibrosegrade.
