Quantification of porosity, separated fluid-solid shear wave fields and coupling density with inversion recovery magnetic resonance elastography in porous phantoms and in vivo brain

Abstract

Magnetic resonance elastography (MRE) is an emerging noninvasive technique based on magnetic resonance imaging (MRI) and shear waves that depicts biomechanical properties of biological tissues. In MRE, quantitative parameter maps are usually reconstructed under the assumption of monophasic viscoelastic media. Conversely, the poroelastic model, consisting of a solid porous matrix permeated by a fluid, can better describe the behavior of multiphasic soft tissues, e.g., the brain. However, the assumption of two media and their interactions increases the complexity of the underlying motion equations, impeding their solution without independent information on fluid and solid wavefields and prior porosity quantification. Therefore, the aim of this thesis was threefold: 1) to develop an MRI method for determining porosity; 2) to develop an MRE method for separately encoding shear wave fields of fluid and solid fractions in biphasic tissues; and 3) to estimate coupling density ρ12 and thus experimentally validate the poroelastic model equations. Methods Inversion recovery MRI (IR-MRI) and IR-MRE are introduced for voxel-wise quantification of porosity, shear strain of solid and fluid compartments, and ρ12. Porosity was estimated in fluid phantoms of different relaxation times, fluid-solid tofu phantoms, and in in vivo, in the brains of 21 healthy volunteers. Reference values of phantom porosity were obtained by microscopy and draining the fluid from the matrix. Solid and fluid shear-strain amplitudes and ρ12 were quantified in three tofu phantoms and seven healthy volunteers. Results Phantom porosity measured by IR-MRI agreed well with reference values (R=0.99, P<.01). Average brain tissue porosity was 0.14–0.02 in grey matter and 0.05–0.01 in white matter (P<.001). Fluid shear strain was phase-locked with solid shear strain but had lower amplitudes in both phantoms and brains (P<.05). ρ12 was negative in all materials and biological tissues investigated. Conclusions IR-MRI for the first time allowed noninvasive mapping of in vivo brain porosity and yielded consistent results in tissue-mimicking phantoms. IR-MRI combined with IR-MRE allowed us to separately encode shear strain fields of solid and fluid motion in phantoms and human brain. This led to the quantification of coupling density ρ12, which was negative, as predicted. IR-MRE opens horizons for the development and application of novel imaging markers based on the poroelastic behavior of soft biological tissues. Moreover, quantification of subvoxel multicompartmental interactions provides insight into multiscale mechanical properties, which are potentially relevant for various diagnostic applications.

Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ist eine neuartige Technik, welche die Magnetresonanztomographie (MRT) mit Scherwellen kombiniert, um so die nichtinvasive Darstellung der biomechanischen Gewebeeigenschaften zu ermöglichen. In der MRE werden quantitative Parameterkarten von Weichgewebe unter der Annahme monophasischer, viskoelastischer Materialeigenschaften rekonstruiert. Das in dieser Arbeit verwendete poroelastische Modell hingegen berücksichtigt bei Weichgewebe wie dem Gehirn die Mehrphasigkeit des Gewebe bestehend aus einer festen porösen Matrix und flüssigen Kompartimenten. Deren unabhängige mechanische Eigenschaften und ihre Wechselwirkungen erhöhen die Komplexität der zugrundeliegenden Bewegungsgleichungen in der Poroelastographie, wodurch die Lösung ohne zusätzliche Informationen über die Wellenfelder und vorherige Quantifizierung der Gewebeporosität erschwert wird. Diese Arbeit hatte daher drei Ziele: 1) eine MRT-Methode zur Messung der Gewebeporosität zu entwickeln, 2) eine MRE-Methode zur getrennten Kodierung der Scherwellenfelder von flüssigen und festen Anteilen in biphasischen Geweben zu entwickeln, und 3) die Kopplungsdichte p12 zu bestimmen um so die biphasischen Modellgleichungen experimentell zu validieren. Methoden: Diese Arbeit stellt die Inversion-Recovery-MRT (IR-MRI) sowie die neuartige Inversion-Recovery-MRE (IR-MRE) vor, womit sich die Porosität, die Scherwellenauslenkung der festen und porösen flüssigen Phasen sowie die Kopplungsdichte p12 in Weichgeweben quantifizieren lassen. Porosität wurde in Flüssig-Phantomen unterschiedlicher Relaxationszeiten, Flüssig- Festkörper-Phantomen auf Tofubasis sowie in vivo im Gehirn bei 21 gesunden Probanden ermittelt. Referenzwerte der Porosität wurden in Phantomen durch Mikroskopie sowie Flüssigkeitsdrainage bestimmt. Feste und flüssige Scherauslenkungsamplituden und p12 wurden in drei Tofuphantomen und bei sieben gesunden Probanden quantifiziert. Ergebnisse: Die mittels IR-MRI gemessene Porosität der Phantome stimmte gut mit den Referenzwerten überein (R=0.99, P<.01). Die durchschnittliche Porosität der grauen und weißen Substanz betrug 0.14±0.02 und 0.05±0.01 (P<.001). Die Scherwellenamplituden der flüssigen Anteile und der festen Matrix waren phasengekoppelt, jedoch geringer in den flüssigen Anteilen (P<.05). p12 war in allen untersuchten Materialien und Geweben negativ. Schlussfolgerung: Mittels der IR-MRI konnten erstmals die Porosität von Hirngewebe in vivo nichtinvasiv abgebildet und die Konsistenz der Werte in gewebeähnlichen, porösen Phantomen nachgewiesen werden. Die Kombination von IR-MRI mit IR-MRE ermöglichte die getrennte Kodierung von Scherwellenfeldern fester und flüssiger Phasen und damit die Quantifizierung der Kopplungsdichte p12, welche, wie theoretisch vorhergesagt, negative Werte aufwies. Die IR-MRE eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Entwicklung und Anwendung neuartiger Bildgebungsmarker auf der Grundlage poroelastischer Kenngrößen von Weichgeweben und ermöglicht somit potenziell eine Vielzahl diagnostischer Anwendungen.