Magnetic resonance elastography (MRE) is an emerging technique for the quantitative imaging of the biophysical properties of soft tissues in humans. Following its successful clinical application in detecting and characterizing liver fibrosis, the scientific community is investigating the use of viscoelasticity as a biomarker for neurological diseases. Clinical implementation requires a thorough understanding of brain tissue mechanics in conjunction with innovative techniques in new research areas. Therefore, three in vivo studies were conducted to analyze the inherent stiffness dispersion of brain tissue over a wide frequency range, to investigate real-time MRE in monitoring the viscoelastic response of brain tissue during the Valsalva maneuver (VM), and to study mechanical alterations of small lesions in multiple sclerosis (MS). Ultra-low frequency MRE with profile-based wave analysis was developed in 14 healthy subjects to determine large-scale brain stiffness, from pulsation-induced shear waves (1 Hz) to ultra-low frequencies (5 – 10 Hz) to the conventional range (20 – 40 Hz). Furthermore, multifrequency real-time MRE with a frame rate of 5.4 Hz was introduced to analyze stiffness and fluidity changes in response to respiratory challenges and cerebral autoregulation in 17 healthy subjects. 2D and 3D wavenumber-based stiffness reconstruction of the brain was established for conventional MRE in 12 MS patients. MS lesions were analyzed in terms of mechanical contrast with surrounding tissue in relation to white matter (WM) heterogeneity. We found superviscous properties of brain tissue at large scales with a strong stiffness dispersion and a relatively high model-based viscosity of η = 6.6 ± 0.3 Pa∙s. The brain’s viscoelasticity was affected by perfusion changes during VM, which was associated with an increase in brain stiffness of 6.7% ± 4.1% (p<.001), whereas fluidity decreased by -2.1 ± 1.4% (p<.001). In the diseased brain, the analysis of 147 MS lesions revealed 46% of lesions to be softer and 54% of lesions to be stiffer than surrounding tissue. However, due to the heterogeneity of WM stiffness, the results provide no significant evidence for a systematic pattern of mechanical variations in MS. Nevertheless, the results may explain, for the first time, the gap between static ex vivo and dynamic in vivo methods. Fluidity-induced dispersion provides rich information on the structure of tissue compartments. Moreover, viscoelasticity is affected by perfusion during cerebral autoregulation and thus may be sensitive to intracranial pressure modulation. The overall heterogeneity of stiffness obscures changes in MS lesions, and MS may not exhibit sclerosis as a mechanical signature. In summary, this thesis contributes to the field of human brain MRE by presenting new methods developed in studies conducted in new research areas using state-of-the-art technology. The results advance clinical applications and open exciting possibilities for future in vivo studies of human brain tissue.
Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) ist ein Verfahren zur quantitativen Darstellung der viskoelastischen Eigenschaften von Weichgewebe. Nach der erfolgreichen klinischen Anwendung in der Leberdiagnostik wird versucht, Viskoelastizität als Biomarker für neurologische Krankheiten zu nutzen. Hierzu bedarf es einer genauen Analyse der Gewebemechanik und innovativen Anwendungsgebieten. Daher, wurden drei Studien durchgeführt, um die Steifigkeitsdispersion von Hirngewebe zu analysieren, das viskoelastische Verhalten während des Valsalva Manövers (VM) abzubilden, und die mechanischen Veränderungen in Läsionen bei Multipler Sklerose (MS) zu untersuchen. Niedrigfrequenz-MRE mit profilbasierter Wellenanalyse wurde in 14 Probanden entwickelt, um die Steifigkeit des Gesamthirns von pulsationsinduzierten Scherwellen (1 Hz) über ultraniedrige Frequenzen (5 – 10 Hz) bis hin zum konventionellen Bereich (20 – 40 Hz) zu bestimmen. Außerdem wurde die multifrequente Echtzeit-MRE mit einer Bildfrequenz von 6.4 Hz eingeführt, um die viskoelastische Antwort des Gehirns auf respiratorische Herausforderungen bei 17 gesunden Probanden zu untersuchen. Neue 2D- und 3D-Wellenzahl-basierte Steifigkeitsrekonstruktionen für das Gehirn wurden in 12 MS Patienten und konventioneller MRE entwickelt. Die Steifigkeitsänderungen in MS-Läsionen wurden mit umliegender weißer Substanz und dessen Heterogenität verglichen. Wir fanden superviskose Eigenschaften des Hirngewebes mit einer starken Dispersion und relativ hohen, modellbasierten Viskosität von η = 6,6 ± 0,3 Pa∙s. Die mechanischen Gewebeeigenschaften wurden durch Perfusionsänderungen während VM beeinflusst und die Hirnsteifigkeit erhöhte sich um 6,7 ± 4,1% (p<.001) wobei sich die Fluidität um -2,1 ± 1,4% (p<.001) verringerte. Die Analyse von 147 MS-Läsionen ergab, dass 54% bzw. 46% der Läsionen steifer bzw. weicher sind als das umgebende Gewebe. Aufgrund der Heterogenität der WM-Steifigkeit konnte jedoch kein Hinweis auf ein systematisches Muster mechanischer Veränderungen in MS-Läsionen gefunden werden. Die Ergebnisse können zum ersten Mal die Lücke zwischen statischen ex vivo und dynamischen in vivo Methoden erklären. Die fluiditätsinduzierte Dispersion liefert interessante Informationen über die zugrundeliegende Gewebestruktur. Darüber hinaus wird die Viskoelastizität durch die Perfusion während der zerebralen Autoregulation beeinflusst und kann daher empfindlich auf intrakranielle Druckschwankungen reagieren. Die allgemeine Heterogenität der Steifigkeit überschattet die Veränderungen in MS-Läsionen, und somit ist Sklerose möglicherweise kein prominentes Merkmal von MS. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Dissertation einen Beitrag zum Gebiet der MRE leistet, indem neue Methoden und Anwendungen in neuen Forschungsgebieten mit modernster Technologie dargestellt werden. Hierdurch wird die klinische Translation gefördert und spannende Möglichkeiten für zukünftige Studien eröffnet.
