Magnetic resonance elastography: design and implementation as a clinical tool

Tese de mestrado integrado em, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia) apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A viscoelasticidade é uma propriedade física dos tecidos, que se altera quando estes sofrem modificações. Desta forma, esta característica é uma propriedade importante no diagnóstico de doenças que alteram as capacidades elásticas dos tecidos. A palpação manual é uma técnica milenar que é geralmente utilizada para identificar lesões, como por exemplo nódulos e quistos. No entanto, esta técnica depende fortemente da experiência do médico e da região onde se encontra a lesão. Deste modo, na última década tem havido um esforço acrescido para serem desenvolvidas novas técnicas de imagem médica que forneçam informação sobre a elasticidade dos tecidos de uma forma quantitativa. Surge assim a elastografia. Esta técnica é baseada na detecção da deformação do tecido provocada por stresses internos ou externos e tem sido fortemente utilizada, combinada com outras técnicas como a ultrassonografia e a ressonância magnética, no diagnóstico de doenças que influenciam as propriedades elásticas dos tecidos. Inicialmente, a técnica de elastografia começou por ser combinada apenas com ultrassons. Porém, esta técnica apresenta algumas desvantagens devido à sua baixa resolução espacial e devido a apresentar resultados apenas na direcção de propagação da onda. Estas limitações têm servido de incentivo à exploração de técnicas alternativas, como a Elastografia por Ressonância Magnética (MRE, do inglês “Magnetic Resonance Elastography”) e à sua aplicação ao diagnóstico de doenças como a cirrose hepática ou a detecção de tumores. A MRE é uma técnica não invasiva, capaz de detectar a propagação de ondas em tecidos sujeitos a estimulação mecânica, permitindo assim o cálculo do módulo de elasticidade dos tecidos in vivo. Nesta nova modalidade, é usado um sistema convencional de ressonância magnética, em simultâneo com um sistema de actuação que provoca vibrações no tecido de interesse. De modo a que seja possível medir o deslocamento sofrido pelos spins em movimento devido à vibração induzida, é adicionado um gradiente sensível ao movimento (MEG, do inglês “Motion Encoding Gradient”) a uma simples sequência spin-echo EPI. Por fim, esta técnica usa um algoritmo de inversão que se baseia nos deslocamentos medidos, para calcular os mapas de elasticidade do tecido de interesse. O desenvolvimento de equipamentos para MRE representa um desafio devido às inúmeras considerações e limitações que é necessário ter em conta. Por exemplo, o hardware tem de possuir um design que permita uma excitação mecânica dos tecidos, adequada, dentro do campo magnético do equipamento de ressonância magnética e tem de ser confortável para o sujeito que está a ser submetido ao exame. Por outro lado, a optimização dos procedimentos de análise de dados é também uma questão crucial. É no âmbito do desenvolvimento de novas técnicas, métodos e equipamentos de MRE que surge o presente projecto. Este projecto foi desenvolvido no Wolfson Brain Imaging Center (WBIC), no Hospital de Addenbrooke’s, em Cambridge, e teve como objectivos o melhoramento de vários aspectos relacionados com o equipamento e os métodos de aquisição de imagens de um sistema de MRE de aquisição recente no WBIC. Estes melhoramentos traduziram-se em alterações ao nível do hardware e do software. Ao longo dos anos têm sido desenvolvidos vários tipos de actuadores que permitem a excitação dos tecidos. Entre os mais usados estão os actuadores piezoeléctricos, os actuadores pneumáticos e os actuadores electromagnéticos. O actuador piezoeléctrico, produzido pelo grupo do Charité do Instituto de Informática Médica, da Universidade de Berlim, e adquirido pelo WBIC possui dois tipos de set-up; um para a excitação do cérebro e um para a excitação do fígado. Com vista a ter uma perspectiva geral das vantagens e desvantagens dos actuadores piezoeléctricos e dos actuadores pneumáticos, as características de cada um destes, foram criteriosamente estudadas, o que permitiu melhorar e optimizar o actuador piezoeléctrico. Assim, algumas das alterações que foram efectuadas neste sistema foram: alteração da head cradle (set-up do cérebro) para aumentar o conforto do paciente e a eficiência, e a alteração do controlo remoto do amplificador e gerador de ondas, de modo a não ser necessário o deslocamento do técnico na modificação dos parâmetros de MRE. De modo a poder comparar os dois tipos de actuação nos tecidos, foi também um dos objectivos deste projecto desenvolver um sistema pneumático e comparar a sua performance com o equipamento piezoeléctrico comercial desenvolvido pela Mayo-Clinic, Mayo Foundation for Medical Education and Research, e com o actuador piezoeléctrico do WBIC. Com esse fim, foi desenvolvido um actuador pneumático de raiz, a custo reduzido, e o seu desempenho foi avaliado. Para comparar os dois tipos de actuação, efectuaram-se testes de deflexão de movimento num fantoma de gelatina, através do uso de um acelerómetro comercial, para várias frequências de excitação. Três sistemas diferentes foram testados: o piezoeléctrico e dois sistemas pneumáticos: entre eles o actuador desenvolvido no WBIC e o actuador pneumático comercial, desenvolvido na clínica Mayo. A utilização de dois tipos de actuadores pneumáticos permitiu testar se a propagação da onda nos tecidos depende somente do tipo de actuação utilizada (se é através de um actuador pneumático ou piezoeléctrico) ou se está também relacionada com características específicas de hardware de cada actuador. Com este estudo concluiu-se que, tal como seria esperado, o set-up desenhado para o fígado, do actuador piezoeléctrico, induziu um maior deslocamento nos tecidos do que qualquer um dos outros actuadores, quer para baixas frequências (20Hz), quer para altas frequências (80-100 Hz). No entanto, o set-up pneumático da Clínica Mayo induziu um maior deslocamento no fantoma do que o actuador piezoeléctrico para frequências entre os 30 e os 50 Hz. Estes resultados comprovaram a consistência e reprodutibilidade do actuador piezoeléctrico, bem como a sua precisão e controlo para altas frequências. O actuador pneumático desenvolvido no WBIC provou ter pouca potência e induziu um pequeno deslocamento no material comparativamente com os outros actuadores. Contudo, este sistema é de fácil aplicação e introdução no ambiente e na sala de Ressonância Magnética, a custo reduzido. O módulo de elasticidade para um fantoma de gelatina, para o fígado e para o cérebro, foi também calculado através de MRE, quer com o actuador piezoeléctrico quer com o actuador pneumático desenvolvido no WBIC. Concluiu-se que, apesar das desvantagens do actuador pneumático desenvolvido no WBIC, obtiveram-se valores de elasticidade, com este actuador, consistentes e na mesma ordem de grandeza que os valores obtidos com o actuador piezoeléctrico. A literatura de MRE apresenta contradições em diversos estudos, sendo indicados diferentes valores do módulo da elasticidade para o mesmo tecido. Esta incongruência é em parte devida à grande variedade de parâmetros que influencia os resultados de MRE e às condicionantes e limitações do hardware. Desta forma, torna-se essencial a utilização de métodos de validação desta nova modalidade de diagnóstico médico. Neste projecto, foram utilizados modelos de elementos finitos (FEM, do inglês “Finite Element Modelling”) e foi efectuada uma análise dinâmica da elasticidade (DST, do inglês “Dynamic Shear Testing”) de modo a validar os resultados obtidos experimentalmente pela MRE. Identificaram-se dois tipos de parâmetros que influenciam os resultados de MRE: os parâmetros puramente computacionais e os parâmetros experimentais. A validação através de FEMs foi dividida em dois estudos principais: um primeiro estudo que examinou a influência dos parâmetros puramente computacionais e um segundo estudo que examinou a influência dos parâmetros experimentais nos resultados. Em ambos os estudos, desenvolveram-se modelos simétricos relativamente a um eixo e rectangulares prismáticos que representam uma secção semi-axial de um fantoma de gelatina cilíndrico. A face inferior dos modelos foi restringida na direcção y e aplicou-se uma análise dinâmica transiente. O primeiro estudo de FEMs efectuado teve como principal objectivo estudar a influência dos parâmetros puramente computacionais e tentar eliminar a sua influência nos resultados obtidos pelos FEMs. Neste estudo, as condições de fronteira (BC: do inglês “Boundary Conditions”) e a densidade da malha de elementos finitos foram alterados. Para estudar as BC, foram criados dois modelos com dimensões diferentes (100x10 mm e 100x20 mm) e concluiu-se que o modelo com espessura de 20 mm apresentou resultados mais próximos da curva teórica do comprimento de onda em função do módulo de Young. Para estudar a densidade da malha de elementos finitos, foram também criados dois modelos com elementos de dimensões diferentes (1x1 mm e 2x2 mm). As imagens de propagação da onda, ao longo da direcção x do modelo, e o respectivo perfil de deslocamento ao longo da mesma direcção da face superior do fantoma, revelaram que o modelo com elementos de dimensões 2x2mm não foi capaz de detectar a propagação da onda, ao contrário do que aconteceu com o modelo com elementos de dimensões 1x1 mm. Este estudo comprovou a importância da escolha criteriosa quer das condições de fronteira, quer da densidade da malha na criação de modelos finitos, e mostrou que os resultados sofrem modificações importantes aquando da modificação destes dois parâmetros. As conclusões obtidas neste estudo foram aplicadas no segundo estudo com FEMs de modo a eliminar a influência dos parâmetros computacionais. O segundo estudo de FEMs teve como principal objectivo estudar a influência dos parâmetros experimentais, como por exemplo a densidade do material. Para tal, foram criados modelos com diferentes densidades e módulos de Young. Com este estudo, concluiu-se que a propagação da onda nos tecidos (modelo de FEMs) e o correspondente comprimento de onda variam bastante consoante a densidade dos tecidos. Constatou-se que os resultados obtidos para o modelo com densidade de 1kg/mm3 foram os que mais se aproximaram da curva teórica. Por fim, concluiu-se que a densidade dos tecidos altera grandemente os resultados obtidos. A validação através da DST permitiu comparar os resultados obtidos através de MRE com os resultados obtidos através desta técnica de validação, para amostras de três fantomas de gelatina com diferentes concentrações. A análise dinâmica da elasticidade já provou ser, em estudos anteriores, uma técnica capaz de medir o módulo de elasticidade dos tecidos de forma precisa e viável, apesar das suas limitações na vibração a elevadas frequências (frequências em que a MRE opera). Com ambas as técnicas (MRE e DST), obtiveram-se resultados do módulo da elasticidade com a mesma ordem de magnitude. No entanto, com MRE os valores obtidos foram significativamente mais elevados para os três fantomas de concentração de gel diferente. Este resultado deve-se à dependência de ambas as técnicas, relativamente a factores que dificilmente podem ser controlados, como sejam: a espessura das amostras e a sua não uniformidade no caso da DST; e, no caso da MRE, todos os parâmetros que foram descritos e avaliados ao longo deste projecto como as limitações do hardware e possíveis erros induzidos pelo algoritmo de inversão. Em suma, é importante realçar a importância que este projecto teve no desenvolvimento da técnica de MRE no WBIC. É ainda de salientar que este trabalho representou um passo adicional no caminho da aprovação do projecto de MRE na prática clínica, pelo comité ético do hospital de Addenbrooke’s, e uma contribuição para a aceitação desta técnica como método de diagnóstico em meio clínico.Palpation has been used for centuries to detect changes in elasticity in several body regions. However, this technique is clearly limited to regions that are accessible to physician’s hands. Therefore, over the last decades there has been an attempt to develop methods for imaging tissue stiffness that are not hindered by this limitation, such as Magnetic Resonance Elastography (MRE). MRE is a non-invasive technique that can directly measure propagating strain waves due to harmonic mechanical excitation, hence allowing for the in vivo computation of the shear modulus of tissues. One main issue with MRE is the design of an actuation system that enables adequate mechanical excitation within the magnetic field of the magnetic resonance scanner. Pneumatic, electromagnetic, and piezoelectric actuation systems have been employed for MRE examinations of the brain, and abdominal organs such as the liver. One of the goals of the current project was the comparison between the setup already in use at the host laboratory (based on a piezoelectric actuator, connected to a wave generator and a high voltage amplifier), a custom-made pneumatic device developed from scratch during the project and a commercial pneumatic actuator developed by Mayo-Clinic. The comparison involved motion deflection tests carried out in a gelatine phantom with a commercial accelerometer, and obtaining elasticity maps of the gelatine phantom, liver and brain. It was shown that the piezoelectric actuator is more powerful and enables a higher degree of control than the pneumatic actuator. Despite the disadvantages of the custom-made pneumatic system presented, shear elasticity measurements obtained with this system were consistent with the values for elasticity obtained with the piezoelectric set-up for phantom and liver experiments. Another goal of the project was the validation and reliability test of MRE results using two different methods: Finite Element Modelling (FEM) and Dynamic Shear Testing (DST). In spite of the frequency limitations inherent to the DST technique, it was concluded that DST results can be extrapolated to higher frequencies and compared with experimental MRE. The results obtained with both techniques showed good agreement, confirming the validity of MRE for measuring tissue elasticity parameters. This project was crucial in the development of the MRE technique at the host institution and represents a step further towards the acceptance of this new and promising diagnostic technique in clinical practice

Characterizing anisotropy in fibrous soft materials by MR elastography of slow and fast shear waves

The general objective of this work was to develop experimental methods based on magnetic resonance elastography (MRE) to characterize fibrous soft materials. Mathematical models of tissue biomechanics capable of predicting injury, such as traumatic brain injury (TBI), are of great interest and potential. However, the accuracy of predictions from such models depends on accuracy of the underlying material parameters. This dissertation describes work toward three aims. First, experimental methods were designed to characterize fibrous materials based on a transversely isotropic material model. Second, these methods are applied to characterize the anisotropic properties of white matter brain tissue ex vivo. Third, a theoretical investigation of the potential application of MRE to probe nonlinear mechanical behavior of soft tissue was performed. These studies provide new methods to characterize anisotropic and nonlinear soft materials as well as contributing significantly to our understanding of the behavior of specific biological soft tissues

Magnetic Resonance Elastography of the Brain: from Phantom to Mouse to Man

The overall objective of this study is to develop magnetic resonance elastography: MRE) imaging to better understand brain deformation, brain tissue mechanical properties, and brain-skull interaction in vivo. The findings of this study provide parameters for numerical models of human head biomechanics, as well as data for validation of these models. Numerical simulations offer enormous potential to the study of traumatic brain injury: TBI) and may also contribute to the development of prophylactic devices for high-risk subjects: e.g., military personnel, first-responders, and athletes). Current numerical models have not been adequately parameterized or validated and their predictions remain controversial. This dissertation describes three kinds of MRE experiments, conducted in phantom: physical model), mouse, and man. Phantom studies provide a means to experimentally confirm the accuracy of MRE estimates of viscoelastic parameters in relatively simple materials and geometries. Studies in the mouse provide insight into the dispersive nature of brain tissue mechanical properties at frequencies beyond those that can be measured in humans. Studies in human subjects provide direct measurements of the human brain\u27s response to dynamic extracranial loads, including skull-brain energy transmission and viscoelastic properties

An analytical solution to the dispersion‐by‐inversion problem in magnetic resonance elastography

Purpose: Magnetic resonance elastography (MRE) measures stiffness of soft tissues by analyzing their spatial harmonic response to externally induced shear vibrations. Many MRE methods use inversion-based reconstruction approaches, which invoke first- or second-order derivatives by finite difference operators (first- and second-FDOs) and thus give rise to a biased frequency dispersion of stiffness estimates. Methods: We here demonstrate analytically, numerically, and experimentally that FDO-based stiffness estimates are affected by (1) noise-related underestimation of values in the range of high spatial wave support, that is, at lower vibration frequencies, and (2) overestimation of values due to wave discretization at low spatial support, that is, at higher vibration frequencies. Results: Our results further demonstrate that second-FDOs are more susceptible to noise than first-FDOs and that FDO dispersion depends both on signal-to-noise ratio (SNR) and on a lumped parameter A, which is defined as wavelength over pixel size and over a number of pixels per stencil of the FDO. Analytical FDO dispersion functions are derived for optimizing A parameters at a given SNR. As a simple rule of thumb, we show that FDO artifacts are minimized when A/2 is in the range of the square root of 2SNR for the first-FDO or cubic root of 5SNR for the second-FDO. Conclusions: Taken together, the results of our study provide an analytical solution to a long-standing, well-recognized, yet unsolved problem in MRE postprocessing and might thus contribute to the ongoing quest for minimizing inversion artifacts in MRE

MAGNETIC RESONANCE ELASTOGRAPHY FOR APPLICATIONS IN RADIATION THERAPY

Magnetic resonance elastography (MRE) is an imaging technique that combines mechanical waves and magnetic resonance imaging (MRI) to determine the elastic properties of tissue. Because MRE is non-invasive, there is great potential and interest for its use in the detection of cancer. The first part of this thesis concentrates on parameter optimization and imaging quality of an MRE system. To do this, we developed a customized quality assurance phantom, and a series of quality control tests to characterize the MRE system. Our results demonstrated that through optimizing scan parameters, such as frequency and amplitude, MRE could provide a good qualitative elastogram for targets with different elasticity values and dimensions. The second part investigated the feasibility of integrating MRE into radiation therapy (RT) workflow. With the aid of a tissue-equivalent prostate phantom (embedded with three dominant intraprostatic lesions (DILs)), an MRE-integrated RT framework was developed. This framework contains a comprehensive scan protocol including Computed Tomography (CT) scan, combined MRI/MRE scans and a Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) technique for treatment delivery. The results showed that using the comprehensive information could boost the MRE defined DILs to 84 Gy while keeping the remainder of the prostate to 78 Gy. Using a VMAT based technique allowed us to achieve a highly conformal plan (conformity index for the prostate and combined DILs was 0.98 and 0.91). Based on our feasibility study, we concluded that MRE data can be used for targeted radiation dose escalation. In summary, this thesis demonstrates that MRE is feasible for applications in radiation oncology

Novel applications, model, and methods in magnetic resonance elastography

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a non-invasive imaging technique that maps and quantifies the mechanical properties of soft tissue related to the propagation and attenuation of shear waves. There is considerable interest in whether MRE can bring new insight into pathologies. Brain in particular has been of utmost interest in the recent years. Brain tumors, Alzheimer's disease, and Multiple Sclerosis have all been subjects of MRE studies. This thesis addresses four aspects of MRE, ranging from novel applications in brain MRE, to physiological interpretation of measured mechanical properties, to improvements in MRE technology. First, we present longitudinal measurements of the mechanical properties of glioblastoma tumorigenesis and progression in a mouse model. Second, we present a new finding from our group regarding a localized change in mechanical properties of neural tissue when functionally stimulated. Third, we address contradictory results in the literature regarding the effects of vascular pressure on shear wave speed in soft tissues. To reconcile these observations, a mathematical model based on poro-hyperelasticity is used. Finally, we consider a part of MRE that requires inferring mechanical properties from MR measurements of vibration patterns in tissue. We present improvements to MRE reconstruction methods by developing and using an advanced variational formulation of the forward problem for shear wave propagation

Heterogeneous multifrequency direct inversion (HMDI) for magnetic resonance elastography with application to a clinical brain exam

A new viscoelastic wave inversion method for MRE, called Heterogeneous Multifrequency Direct Inversion (HMDI), was developed which accommodates heterogeneous elasticity within a direct inversion (DI) by incorporating first-order gradients and combining results from a narrow band of multiple frequencies. The method is compared with a Helmholtz-type DI, Multifrequency Dual Elasto-Visco inversion (MDEV), both on ground-truth Finite Element Method simulations at varied noise levels and a prospective in vivo brain cohort of 48 subjects ages 18–65. In simulated data, MDEV recovered background material within 5% and HMDI within 1% of prescribed up to SNR of 20 dB. In vivo HMDI and MDEV were then combined with segmentation from SPM to create a fully automated “brain palpation” exam for both whole brain (WB), and brain white matter (WM), measuring two parameters, the complex modulus magnitude |G*| , which measures tissue “stiffness”, and the slope of |G*| values across frequencies, a measure of viscous dispersion. |G*| values for MDEV and HMDI were comparable to the literature (for a 3-frequency set centered at 50 Hz, WB means were 2.17 and 2.15 kPa respectively, and WM means were 2.47 and 2.49 kPa respectively). Both methods showed moderate correlation to age in both WB and WM, for both |G*| and |G*| slope, with Pearson’s r ≥ 0.4 in the most sensitive frequency sets. In comparison to MDEV, HMDI showed better preservation of recovered target shapes, more noise-robustness, and stabler recovery values in regions with rapid property change, however summary statistics for both methods were quite similar. By eliminating homogeneity assumptions within a fast, fully automatic, regularization-free direct inversion, HMDI appears to be a worthwhile addition to the MRE image reconstruction repertoire. In addition to supporting the literature showing decrease in brain viscoelasticity with age, our work supports a wide range of inter-individual variation in brain MRE results

Entwicklung der multifrequenten Magnetresonanz-Elastographie zur Quantifizierung der biophysikalischen Eigenschaften von menschlichem Hirngewebe

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

In silico evaluation and optimisation of magnetic resonance elastography of the liver

Objective. Magnetic resonance elastography (MRE) is widely adopted as a biomarker of liver fibrosis. However, in vivo MRE accuracy is difficult to assess. Approach. Finite element model (FEM) simulation was employed to evaluate liver MRE accuracy and inform methodological optimisation. MRE data was simulated in a 3D FEM of the human torso including the liver, and compared with spin-echo echo-planar imaging MRE acquisitions. The simulated MRE results were compared with the ground truth magnitude of the complex shear modulus (∣G*∣) for varying: (1) ground truth liver ∣G*∣; (2) simulated imaging resolution; (3) added noise; (4) data smoothing. Motion and strain-based signal-to-noise (SNR) metrics were evaluated on the simulated data as a means to select higher-quality voxels for preparation of acquired MRE summary statistics of ∣G*∣. Main results. The simulated MRE accuracy for a given ground truth ∣G*∣ was found to be a function of imaging resolution, motion-SNR and smoothing. At typical imaging resolutions, it was found that due to under-sampling of the MRE wave-field, combined with motion-related noise, the reconstructed simulated ∣G*∣ could contain errors on the scale of the difference between liver fibrosis stages, e.g. 54% error for ground truth ∣G*∣ = 1 kPa. Optimum imaging resolutions were identified for given ground truth ∣G*∣ and motion-SNR levels. Significance. This study provides important knowledge on the accuracy and optimisation of liver MRE. For example, for motion-SNR ≤ 5, to distinguish between liver ∣G*∣ of 2 and 3 kPa (i.e. early-stage liver fibrosis) it was predicted that the optimum isotropic voxel size is 4–6 mm