Magnetic resonance elastography (MRE) and ultrasound time-harmonic elas-tography (THE) are innovative imaging techniques mainly used for the in vivo quantifica-tion of viscoelastic properties of soft human tissues. Stiffness is measured as the shear wave propagation speed (SWS in m/s), which depends on the shear wave frequency; this dependence is known as dispersion. Time-averaged elastography methods have already been established as clinical standards, especially for the detection and staging of liver fibrosis. Time-resolved techniques are currently being developed to expand the potential applications of elastography. Such techniques can be used, for example, to analyze the influence of hemodynamics on the viscoelastic properties of the liver and brain. Therefore, a polymerized polyacrylamide (PAAm) liver phantom was developed, calibrated, and characterized over a frequency range of 5 to 3000 Hz. The phantom is an important tool for the comparative analysis of different elastography techniques, in-cluding THE and MRE. It allows the establishment of system-independent thresholds for disease detection. In a subsequent study, a rapid MRE sequence was developed to measure liver stiffness in vivo with an acquisition time of only 625 ms. This sequence was used to study a group of eleven healthy volunteers to determine how liver stiffness is affected by different breathing states, including end-inspiration (1.83 ± 0.22 m/s), end-expiration (1.49 ± 0.22 m/s), Valsalva maneuver (1.60 ± 0.22 m/s), and free breathing (1.62 ± 0.25 m/s). The third study introduced a novel real-time THE approach for investigating changes in cerebral stiffness resulting from cerebrovascular compli-ance and blood perfusion. Such changes are affected by the mechanical properties of the brain and the variations in arterial pressure that occur during cardiac pulsation. The aim of the study was to quantify the pulsatile characteristics of brain stiffness in a sam-ple of ten healthy volunteers. The results showed changes in SWS within the brain in synchrony with cerebral blood flow variation (4.8 % ± 1.8 % in the temporal parenchy-ma, 11 % ± 5 % in the basal cisterns, 13 % ± 9 % in the brain stem). These advances in the practical application of elastography techniques pave the way for future studies aimed at further exploring the impact of hemodynamic activity on the biomechanical properties of soft human tissues.
Die Magnetresonanzelastographie (MRE) und die Zeit-Harmonische Elastographie (THE) sind innovative bildgebende Verfahren zur in vivo Quantifizierung viskoelastischer Eigenschaften, die primär zur Charakterisierung von menschlichem Weichgewebe eingesetzt werden. Die Steifigkeit wird dabei über die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Scherwellen (SWS in m/s) gemessen, die von der Frequenz der Scherwellen abhängt; dieser Zusammenhang wird als Dispersion bezeichnet. Zeitgemittelte Elastographie-Methoden zur Erkennung und Stadieneinteilung von Fibrosen sind in der klinischen Praxis bereits etabliert. Derzeit werden zeitaufgelöste Techniken entwickelt, um die Anwendungsgebiete der Elastographie zu erweitern. Mit diesen Techniken kann zum Beispiel untersucht werden, wie die Hämodynamik die viskoelastischen Eigenschaften der Leber und des Gehirns beeinflusst. In dieser Arbeit wurde ein auf polymerisiertem Polyacrylamid (PAAm) basierendes Leberphantom entwickelt, kalibriert und über ein Frequenzspektrum von 5 bis 3000 Hz charakterisiert. Dieses neue Phantom dient als Referenzmaterial für den Vergleich verschiedener Elastographie-Techniken, einschließlich THE und MRE, und kann zur Etablierung von systemunabhängigen Schwellenwerten für die Diagnose von Krankheiten verwendet werden. In einer anschließenden Studie wurde eine schnelle MRE-Sequenz konzipiert, die in der Lage ist, die Lebersteifigkeit in vivo in nur 625 ms zu quantifizieren. Diese Sequenz wurde in einer Gruppe von elf gesunden Probanden eingesetzt, um die Auswirkungen verschiedener Atmungszustände auf die Lebersteifigkeit zu bestimmen, darunter Einatmung (1,83 ± 0,22 m/s), Ausatmung (1,49 ± 0,22 m/s), Valsalva-Manöver (1,60 ± 0,22 m/s) und freie Atmung (1,62 ± 0,25 m/s). In einer dritten Studie wurde eine neue Echtzeit-THE-Technik entwickelt, um Veränderungen der zerebralen Steifigkeit aufgrund der zerebrovaskulären Compliance und der Blutperfusion zu untersuchen. Diese Veränderungen beruhen auf der mechanischen Struktur des Gehirns und den durch die Herzpulsation verursachten arteriellen Druckschwankungen. Die Quantifizierung des pulsatilen Verhaltens der Hirnsteifigkeit bei zehn gesunden Probanden zeigte Veränderungen der SWS (4,8 % ± 1,8 % im temporalen Parenchym, 11 % ± 5 % in den basalen Zisternen, 13 % ± 9 % im Hirnstamm), die mit dem zerebralen Blutfluss synchronisiert waren. Die erzielten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zur klinischen Anwendung dieser Elastographie-Techniken dar. Sie ebnen den Weg für weitere Untersuchungen des Einflusses hämodynamischer Prozesse auf biomechanische Parameter in menschlichem Weichgewebe.
