Quantitative Gewebecharakterisierung mittels mechanischer Kenngrößen in präklinischen Kleintiermodellen

The biomechanical properties of the brain play an important role in vital functioning and disease development. Over the last decade, cerebral magnetic resonance elastography (MRE) has emerged as a valuable imaging technique, revealing important characteristics of tissue biomechanics in disease and health. However, state-of-the-art mouse brain MRE is limited by time-consuming multi-shot acquisition techniques and noise-sensitive single-frequency image reconstruction methods. Therefore, the purpose of this PhD project was the development of multifrequency mouse brain MRE based on a single-shot acquisition technique and noise-robust tomoelastography post-processing for high-resolution stiffness mapping. The feasibility of the method was demonstrated using three in vivo studies. In the first study, shear wave speed (SWS) as a surrogate of stiffness in different areas of the brain was measured. In the second study, the effect of body temperature on biophysical parameters of murine brain tissue was investigated in the normothermic to hypothermic range. Tomoelastography was combined with arterial spin labelling and diffusion-weighted imaging in order to determine the relationship between tissue stiffness, perfusion and diffusion. In the third study, mechanical brain alterations were continuously monitored during the critical phase of death in a mouse model of hypoxia. In ten animals, we quantified regional dependent SWS of 2.9 ± 0.2 m/s, 4.9 ± 0.5 m/s, 4.8 ± 0.8 m/s and 3.5 ± 0.3 m/s for the corpus callosum, hippocampus, diencephalon and cortex. In a group of six animals, we found that SWS decreased from hypothermia (28 ± 0.5 °C) to normothermia (38 ± 0.5 °C) by 6.2%, 10.1% and 7.4% in the whole brain, cortex and hippocampus, respectively. These SWS decreases were correlated with changes in water diffusion (30% increase) and blood perfusion (60% to 90% increase). Furthermore, in fourteen animals, brain death led to a 6% increase of SWS in the whole brain and 9% in the hippocampus when compared to in vivo values. Our novel multifrequency MRE method with tomoelastography processing provides mouse brain stiffness maps within shorter scan times and with greater detail resolution than a conventional MRE. Short scan times, in the order of only 40 seconds, open new horizons for continuous stiffness monitoring during different pathological processes in vivo. Clinical relevant biophysical processes in the brain, such as hypothermia and hypoxia, and the critical phase of brain death were monitored and investigated for the first time. The results show that stiffness varies across sub-regions in the murine brain, is inversely correlated with water diffusion and blood perfusion, and increases in hypoxia towards brain death. The new method contributes to the growing understanding of mechanical signatures of brain tissues and is potentially of great value for future studies of in vivo brain mechanical properties in health and disease.Die biomechanischen Eigenschaften von zerebralem Gewebe beeinflussen zahlreiche physiologische Prozesse im Gehirn. Die zerebrale Magnetresonanz-Elastographie (MRE) erwies sich dabei innerhalb des letzten Jahrzehnts als wertvolles nicht-invasives Bildgebungsverfahren und offenbarte wichtige biomechanische Merkmale im gesunden als auch kranken Gewebe. Die moderne MRE des Maushirns ist jedoch durch zeitaufwändige Multi-Shot-Bildaufnahemetechniken und rauschempfindliche monofrequente Bildrekonstruktionsmethoden begrenzt. Das Ziel dieser Promotion war die Entwicklung eines hochauflösenden Elastographie-Verfahrens mittels multifrequenter Maushirn-MRE auf der Grundlage von Einzelbildaufnahmetechniken und anschließender Tomoelastographie-Postprozessierung zur Minderung der Rauschempfindlichkeit. Die Durchführbarkeit der Methode wurde mit drei in-vivo-Studien nachgewiesen. In der ersten Studie wurden verschiedene Bereiche des Gehirns bezüglich der Scherwellengeschwindigkeit (SWS) als Surrogat der Steifigkeit vermessen. Die zweite Studie untersuchte den Einfluss der Körpertemperatur auf biophysikalische Parameter des murinen Hirngewebes im normothermen bis hypothermen Bereich. Die Tomoelastographie wurde mit arterieller Spin-Markierung und diffusionsgewichteter Bildgebung kombiniert, um mögliche Zusammenhänge zwischen Gewebesteifigkeit, Perfusion und Diffusion zu analysieren. Im Rahmen der dritten Studie wurden anhand eines hypoxischen Mausmodells die biomechanischen Veränderungen des Gehirns während der kritischen Phase des Todes kontinuierlich aufgenommen und überwacht. Für zehn Tiere wurden lokale SWS von 2,9 ± 0,2 m/s für das Corpus callosum, 4,9 ± 0,5 m/s für den Hippocampus, 4,8 ± 0,8 m/s für das Zwischenhirn und 3,5 ± 0,3 m/s für den Cortex cerebri quantifiziert. Anhand von sechs vermessenen Tieren konnte im gesamten Gehirn, Kortex und Hippocampus eine Abnahme der SWS von Hypo- (28 ± 0.5 °C) zu Normothermie (38 ± 0.5 °C) jeweils um 6,2%, 10,1% bzw. 7,4% festgestellt werden. Diese Abnahme der SWS korrelierte mit Veränderungen der Wasserdiffusion (30% Zunahme) und der Perfusion (60% bis 90% Zunahme). Darüber hinaus führte der Hirntod bei vierzehn Tieren zu einem Anstieg der SWS um 6% im gesamten Gehirn und 9% im Hippocampus gegenüber den in-vivo-Werten. Das implementierte neuartige Multifrequenz-MRE-Verfahren liefert innerhalb stark verkürzter Messzeiten Steifigkeitskarten vom Maushirn mit größerer Detailauflösung als bisherige MRE Methoden. Erstmals konnten somit klinisch relevante biophysikalische Prozesse im Gehirn wie die Hypothermie, die Hypoxie und die kritische Phase des Hirntodes beobachtet und untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit in den verschiedenen Subregionen des Gehirns der Maus variiert, mit der Wasserdiffusion und der Perfusion invers korreliert und durch Hypoxie im Rahmen des Hirntodes zunimmt. Die neuen Entwicklungen tragen zum wachsenden Verständnis der biomechanischen Eigenschaften des Hirngewebes bei

Elastografia rezonansu magnetycznego: przegląd piśmiennictwa

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a rapidly developing, non-invasive, precise and reproducible imaging technique used for imaging the mechanical properties of tissues and for quantitative evaluation of shear wave propagation in the examined tissues.Magnetic resonance elastography based on three general steps, which can be described as induction of shear wave with a frequency of 50 - 5000 Hz in the tissue, then imaging of propagation of the waves inside the body (organ) using a special phase-contrast MRI technique and after all processing the acquired data in order to generate images which reveal tissue stiffness.MRE enables detection and grading of chronic hepatic fibrosis. It can be used to monitor the response to treatment or to evaluate the progress of the disease. Attempts are made to use elastography in the assessment of different organs such as liver, heart, breast, lungs, kidneys, prostate, brain tissue and spinal cord, cartilages, muscles and bones.Elastografia rezonansu magnetycznego (MRE) jest szybko rozwijającą się, nieinwazyjną, dokładną i odtwarzalną metoda diagnostyczną, wykorzystywaną dla obrazowania własności mechanicznych tkanek oraz dla ilościowej oceny propagacji fal sprężystych w  badanych tkankach. Zasadniczo technika ta składa się z trzech podstawowych kroków. Po pierwsze generowanie w obszarze zainteresowania fal sprężystych o częstotliwości w zakresie 50-5000 Hz. Następnie pozyskiwanie obrazów rezonansu magnetycznego, które przedstawiają rozchodzenie się wyindukowanych fal sprężystych. Ostatecznie przetwarzanie obrazów szerzenia się fal sprężystych na ilościowe mapy sztywności tkanek zwane elastogramami.MRE umożliwia wykrywanie i stopniowanie przewle-kłego włóknienia wątroby. Sekwencja może być wyko-rzystywana dla monitorowani odpowiedzi na leczenie lub dla oceny progresji choroby.Trwają badania naukowe z użyciem elastografii rezo-nansu magnetycznego w ocenie innych organów takich jak serce, piersi, płuca, nerki, prostata, tkanka mózgowa i rdzeń kręgowy, układ mięśniowo-szkieletowy

Magnetic resonance elastography: a review

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a rapidly developing, non-invasive, precise and reproducible imaging technique used for imaging the mechanical properties of tissues and for quantitative evaluation of shear wave propagation in the examined tissues. Magnetic resonance elastography based on three general steps, which can be described as induction of shear wave with a frequency of 50 - 5000 Hz in the tissue, then imaging of propagation of the waves inside the body (organ) using a special phase-contrast MRI technique and after all processing the acquired data in order to generate images which reveal tissue stiffness. MRE enables detection and grading of chronic hepatic fibrosis. It can be used to monitor the response to treatment or to evaluate the progress of the disease. Attempts are made to use elastography in the assessment of different organs such as liver, heart, breast, lungs, kidneys, prostate, brain tissue and spinal cord, cartilages, muscles and bones.Elastografia rezonansu magnetycznego (MRE) jest szybko rozwijającą się, nieinwazyjną, dokładną i odtwarzalną metoda diagnostyczną, wykorzystywaną dla obrazowania własności mechanicznych tkanek oraz dla ilościowej oceny propagacji fal sprężystych w  badanych tkankach. Zasadniczo technika ta składa się z trzech podstawowych kroków. Po pierwsze generowanie w obszarze zainteresowania fal sprężystych o częstotliwości w zakresie 50-5000 Hz. Następnie pozyskiwanie obrazów rezonansu magnetycznego, które przedstawiają rozchodzenie się wyindukowanych fal sprężystych. Ostatecznie przetwarzanie obrazów szerzenia się fal sprężystych na ilościowe mapy sztywności tkanek zwane elastogramami. MRE umożliwia wykrywanie i stopniowanie przewle-kłego włóknienia wątroby. Sekwencja może być wyko-rzystywana dla monitorowani odpowiedzi na leczenie lub dla oceny progresji choroby. Trwają badania naukowe z użyciem elastografii rezo-nansu magnetycznego w ocenie innych organów takich jak serce, piersi, płuca, nerki, prostata, tkanka mózgowa i rdzeń kręgowy, układ mięśniowo-szkieletowy

Liver Investigation: Testing Marker Utility in Steatohepatitis (LITMUS): Assessment & validation of imaging modality performance across the NAFLD spectrum in a prospectively recruited cohort study (the LITMUS imaging study): Study protocol

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is the liver manifestation of the metabolic syndrome with global prevalence reaching epidemic levels. Despite the high disease burden in the population only a small proportion of those with NAFLD will develop progressive liver disease, for which there is currently no approved pharmacotherapy. Identifying those who are at risk of progressive NAFLD currently requires a liver biopsy which is problematic. Firstly, liver biopsy is invasive and therefore not appropriate for use in a condition like NAFLD that affects a large proportion of the population. Secondly, biopsy is limited by sampling and observer dependent variability which can lead to misclassification of disease severity. Non-invasive biomarkers are therefore needed to replace liver biopsy in the assessment of NAFLD. Our study addresses this unmet need. The LITMUS Imaging Study is a prospectively recruited multi-centre cohort study evaluating magnetic resonance imaging and elastography, and ultrasound elastography against liver histology as the reference standard. Imaging biomarkers and biopsy are acquired within a 100-day window. The study employs standardised processes for imaging data collection and analysis as well as a real time central monitoring and quality control process for all the data submitted for analysis. It is anticipated that the high-quality data generated from this study will underpin changes in clinical practice for the benefit of people with NAFLD. Study Registration: clinicaltrials.gov: NCT0547972

Ultrasound shear wave imaging for diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease

Pour le diagnostic et la stratification de la fibrose hépatique, la rigidité du foie est un biomarqueur quantitatif estimé par des méthodes d'élastographie. L'élastographie par ondes de cisaillement (« shear wave », SW) utilise des ultrasons médicaux non invasifs pour évaluer les propriétés mécaniques du foie sur la base des propriétés de propagation des ondes de cisaillement. La vitesse des ondes de cisaillement (« shear wave speed », SWS) et l'atténuation des ondes de cisaillement (« shear wave attenuation », SWA) peuvent fournir une estimation de la viscoélasticité des tissus. Les tissus biologiques sont intrinsèquement viscoélastiques et un modèle mathématique complexe est généralement nécessaire pour calculer la viscoélasticité en imagerie SW. Le calcul précis de l'atténuation est essentiel, en particulier pour une estimation précise du module de perte et de la viscosité. Des études récentes ont tenté d'augmenter la précision de l'estimation du SWA, mais elles présentent encore certaines limites. Comme premier objectif de cette thèse, une méthode de décalage de fréquence revisitée a été développée pour améliorer les estimations fournies par la méthode originale de décalage en fréquence [Bernard et al 2017]. Dans la nouvelle méthode, l'hypothèse d'un paramètre de forme décrivant les caractéristiques spectrales des ondes de cisaillement, et assumé initialement constant pour tous les emplacements latéraux, a été abandonnée permettant un meilleur ajustement de la fonction gamma du spectre d'amplitude. En second lieu, un algorithme de consensus d'échantillons aléatoires adaptatifs (« adaptive random sample consensus », A-RANSAC) a été mis en œuvre pour estimer la pente du paramètre de taux variable de la distribution gamma afin d’améliorer la précision de la méthode. Pour valider ces changements algorithmiques, la méthode proposée a été comparée à trois méthodes récentes permettant d’estimer également l’atténuation des ondes de cisaillements (méthodes de décalage en fréquence, de décalage en fréquence en deux points et une méthode ayant comme acronyme anglophone AMUSE) à l'aide de données de simulations ou fantômes numériques. Également, des fantômes de gels homogènes in vitro et des données in vivo acquises sur le foie de canards ont été traités. Comme deuxième objectif, cette thèse porte également sur le diagnostic précoce de la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) qui est nécessaire pour prévenir sa progression et réduire la mortalité globale. À cet effet, la méthode de décalage en fréquence revisitée a été testée sur des foies humains in vivo. La performance diagnostique de la nouvelle méthode a été étudiée sur des foies humains sains et atteints de la maladie du foie gras non alcoolique. Pour minimiser les sources de variabilité, une méthode d'analyse automatisée faisant la moyenne des mesures prises sous plusieurs angles a été mise au point. Les résultats de cette méthode ont été comparés à la fraction de graisse à densité de protons obtenue de l'imagerie par résonance magnétique (« magnetic resonance imaging proton density fat fraction », MRI-PDFF) et à la biopsie du foie. En outre, l’imagerie SWA a été utilisée pour classer la stéatose et des seuils de décision ont été établis pour la dichotomisation des différents grades de stéatose. Finalement, le dernier objectif de la thèse consiste en une étude de reproductibilité de six paramètres basés sur la technologie SW (vitesse, atténuation, dispersion, module de Young, viscosité et module de cisaillement). Cette étude a été réalisée chez des volontaires sains et des patients atteints de NAFLD à partir de données acquises lors de deux visites distinctes. En conclusion, une méthode robuste de calcul du SWA du foie a été développée et validée pour fournir une méthode de diagnostic de la NAFLD.For diagnosis and staging of liver fibrosis, liver stiffness is a quantitative biomarker estimated by elastography methods. Ultrasound shear wave (SW) elastography utilizes noninvasive medical ultrasound to assess the mechanical properties of the liver based on the monitoring of the SW propagation. SW speed (SWS) and SW attenuation (SWA) can provide an estimation of tissue viscoelasticity. Biological tissues are inherently viscoelastic in nature and a complex mathematical model is usually required to compute viscoelasticity in SW imaging. Accurate computation of attenuation is critical, especially for accurate loss modulus and viscosity estimation. Recent studies have made attempts to increase the precision of SWA estimation, but they still face some limitations. As a first objective of this thesis, a revisited frequency-shift method was developed to improve the estimates provided by the original implementation of the frequency-shift method [Bernard et al 2017]. In the new method, the assumption of a constant shape parameter of the gamma function describing the SW magnitude spectrum has been dropped for all lateral locations, allowing a better gamma fitting. Secondly, an adaptive random sample consensus algorithm (A-RANSAC) was implemented to estimate the slope of the varying rate parameter of the gamma distribution to improve the accuracy of the method. For the validation of these algorithmic changes, the proposed method was compared with three recent methods proposed to estimate SWA (frequency-shift, two-point frequency-shift and AMUSE methods) using simulation data or numerical phantoms. In addition, in vitro homogenous gel phantoms and in vivo animal (duck) liver data were processed. As a second objective, this thesis also aimed at improving the early diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), which is necessary to prevent its progression and decrease the overall mortality. For this purpose, the revisited frequency-shift method was tested on in vivo human livers. The new method's diagnosis performance was investigated with healthy and NAFLD human livers. To minimize sources of variability, an automated analysis method averaging measurements from several angles has been developed. The results of this method were compared to the magnetic resonance imaging proton density fat fraction (MRI-PDFF) and to liver biopsy. SWA imaging was used for grading steatosis and cut-off decision thresholds were established for dichotomization of different steatosis grades. As a third objective, this thesis is proposing a reproducibility study of six SW-based parameters (speed, attenuation, dispersion, Young’s modulus, viscosity and shear modulus). The assessment was performed in healthy volunteers and NAFLD patients using data acquired at two separate visits. In conclusion, a robust method for computing the liver’s SWA was developed and validated to provide a diagnostic method for NAFLD

Entwicklung und Anwendung der in vivo abdominellen Magnetresonanzelastographie

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a well-established non-invasive imaging technique used to quantify the mechanical properties of tissues in vivo for the diagnosis of liver fibrosis. However, MRE is limited by its spatial resolution, sensitivity to motion artifacts, and insensitivity to metabolic function. Therefore, three studies of abdominal MRE were conducted to improve the quality of mechanical maps for characterizing liver tumors, to correct for motion artifacts induced by breathing, and to implement MRE on a PET/MRI scanner to correlate mechanical liver properties with metabolic functions in small animals through technical improvements in image acquisition and post-processing. High-resolution stiffness (shear wave speed in m/s), wave penetration (penetration rate in m/s), and fluidity (phase of the complex shear modulus in rad) maps were generated using multifrequency MRE, novel actuators, and tomoelastography post-processing. The first study characterized the stiffness and fluidity of a total of 141 liver tumors in 70 patients. The second study analyzed the motion of abdominal organs and its effect on their stiffness using different acquisition paradigms and image registration in 12 subjects. The third study examined the relationship of liver stiffness and wave penetration to central metabolic liver functions in 19 rabbits. Malignant liver tumors were distinguished from the surrounding liver (stiffness area under the curve [AUC]: 0.88 and fluidity AUC: 0.95) and benign tumors (stiffness AUC: 0.85 and fluidity AUC: 0.86) due to their increased stiffness and fluidity. In the second study, no significant differences in stiffness were observed despite significant differences in examination time, organ motion, and image quality with different image acquisition paradigms. Motion correction by image registration increased image sharpness, so that no significant difference was measurable between MRE in free breathing and breath-hold. Healthy rabbit livers showed heterogeneous liver stiffness, such that division into low and high stiffness (>1.6 m/s) groups resulted in significant differences in central metabolic functions. Stiffness and fluidity measured by multifrequency MRE hold promise as quantitative biomarkers for the diagnosis of malignant liver tumors. Abdominal MRE with free breathing, followed by image registration, is recommended as the best balance between fast examination time and good image quality. Additionally, the applicability of abdominal MRE in small animals in a clinical MRI was demonstrated, and correlations between mechanical liver properties and metabolic functions were found. This study demonstrates improvements in the quality of maps of biophysical parameters for both clinical and preclinical studies, making an important contribution to the clinical translation of multifrequency MRE as a non-invasive imaging modality for abdominal organs and pathologies.Die Magnetresonanzelastographie (MRE) ist eine nichtinvasive Bildgebungsmethode zur Quantifizierung mechanischer Gewebeeigenschaften in vivo bei der Diagnose von Leberfibrose. Limitationen bestehen aufgrund örtlicher Bildauflösung, Bewegungsempfindlichkeit und Insensitivität zu metabolischen Funktionen. Aufgrund technischer Verbesserung in der Bildaufnahme und der Bildauswertung wurde daher anhand von drei Studien zur abdominellen MRE die Bildqualität mechanischer Karten zur Charakterisierung von Lebertumoren verbessert, atmungsinduzierte Organbewegungen korrigiert und die MRE an klinischen PET/MRT implementiert, um an Kleintieren die mechanischen Lebereigenschaften mit metabolischen Funktionen zu korrelieren. Mittels multifrequenter MRE, neuartiger Aktoren und tomoelastographischer Auswertung wurden hochaufgelöste Karten der Steifigkeit (Scherwellengeschwindigkeit in m/s), Wellenpenetration (Wellenpenetrationsrate in m/s) und Fluidität (Phase des komplexen Schermoduls in rad) generiert. Die erste Studie charakterisierte die Steifigkeit und Fluidität von insgesamt 141 Lebertumoren an 70 Patienten. Eine zweite Studie analysierte die Bewegung und den Einfluss auf die Steifigkeit abdomineller Organe mittels unterschiedlicher Aufnahmeparadigmen und Bildregistrierung in 12 Probanden. In einer dritten Studie wurde der Zusammenhang von Lebersteifigkeit und Wellenpenetration zu zentralen metabolischen Leberfunktionen an 19 Kaninchen untersucht. Maligne Lebertumoren können durch erhöhte Steifigkeit und Fluidität (Steifigkeit AUC: 0.88 und Fluidität AUC: 0.95) gut von gutartigen Tumoren (Steifigkeit AUC: 0.85 und Fluidität AUC: 0.86) unterschieden werden. In der zweiten Studie wurden trotz verschiedener Aufnahmeparadigmen und Unterschiede in Untersuchungsdauer, Organbewegung und Bildqualität keine signifikanten Unterschiede in der Organsteifigkeit festgestellt. Die Bildregistrierung verbesserte die Bildschärfe, sodass kein signifikanter Unterschied zwischen freier Atmung und Atempause messbar war. Kaninchenlebern zeigten heterogene Steifigkeiten, sodass eine Zweiteilung in niedrige und hohe Steifigkeit (>1.6 m/s) signifikante Unterschiede in zentralen metabolischen Funktionen zeigte. Steifigkeit und Fluidität, die mittels der Mehrfrequenz-MRE gemessen werden, stellen vielversprechende quantitative Biomarker für die Diagnose maligner Lebertumoren dar. Abdominelle MRE in freier Atmung mit Bildregistrierung ist der beste Kompromiss aus schneller Untersuchungsdauer und guter Bildqualität. Die Anwendbarkeit an Kleintieren in einem klinischen MRT wurde gezeigt, inklusive Korrelationen zwischen mechanischen Lebereigenschaften und metabolischen Funktionen. Diese Arbeit konnte somit die Bildqualität mechanischer Karten sowohl für klinische als auch präklinische Untersuchungen verbessern und damit einen wichtigen Beitrag zur Translation der Multifrequenz-MRE als klinisch angewandte nichtinvasive Bildgebungsmethode abdomineller Organe und Pathologien leisten

MONITORING OF MESENCHYMAL BASED CONSTRUCTS USING MAGNETIC RESONANCE ELASTOGRAPHY

Evaluating the functionality of an engineered material lies in the proper characterization of its material and functional properties. In the treatment of musculoskeletal disorders, engineered bone or fat tissue must behave as an adequate replacement else failure of the material could result in discomfort and further surgical procedures. A significant material characteristic that reflects tissue development is the mechanical properties (i.e. shear strength and viscosity). Shear strength and viscosity provide an indication of how efficient the material is in dissipating energy. Energy dissipation occurs naturally in many tissues including fat and can prevent damage to deeper tissues. Many of the techniques for determining a material’s shear modulus result in the destruction of the construct. However, few methods exist that can assess this property by evaluating a noninvasive cross-section of the construct. As a result a need exists for the development of a nondestructive way to assess the biomechanical properties of engineered materials both before and after they have been implanted. In an effort to improve the quality of constructs being produced, a recently developed magnetic resonance imaging (MRI) technique termed magnetic resonance elastography (MRE) was applied to evaluate the development of adipogenic (fat) and osteogenic (bone) tissue constructs derived from mesenchymal stem cells. MRE is a technique in which motion from a mechanical actuator is synchronized to a phase contrast imaging pulse sequence and used to measure the generated displacement. The captured displacement is displayed in shear wave images from which the properties of shear stiffness can be derived. For differentiation of the bone marrow-derived mesenchymal stems cells, the use of differentiation media kits was applied. Change in stiffness was observed over the four weeks of in vitro growth. Constructs initially measured at approximately 3 kPa developed into 22 kPa osteogenic and 1 kPa adipogenic tissues. Following four weeks in vitro growth, constructs were implanted in athymic mice and assessed with an MRE system custom built for animal imaging. The following thesis demonstrates the application of MRE to evaluate the mechanical properties of engineered constructs through in vitro growth and in vivo regeneration in an animal model. Advisor: Shadi F. Othma

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

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

Reduction of breathing artifacts in multifrequency magnetic resonance elastography of the abdomen

Purpose: With abdominal magnetic resonance elastography (MRE) often suffering from breathing artifacts, it is recommended to perform MRE during breath-hold. However, breath-hold acquisition prohibits extended multifrequency MRE examinations and yields inconsistent results when patients cannot hold their breath. The purpose of this work was to analyze free-breathing strategies in multifrequency MRE of abdominal organs. Methods: Abdominal MRE with 30, 40, 50, and 60 Hz vibration frequencies and single-shot, multislice, full wave-field acquisition was performed four times in 11 healthy volunteers: once with multiple breath-holds and three times during free breathing with ungated, gated, and navigated slice adjustment. Shear wave speed maps were generated by tomoelastography inversion. Image registration was applied for correction of intrascan misregistration of image slices. Sharpness of features was quantified by the variance of the Laplacian. Results: Total scan times ranged from 120 seconds for ungated free-breathing MRE to 376 seconds for breath-hold examinations. As expected, free-breathing MRE resulted in larger organ displacements (liver, 4.7 ± 1.5 mm; kidneys, 2.4 ± 2.2 mm; spleen, 3.1 ± 2.4 mm; pancreas, 3.4 ± 1.4 mm) than breath-hold MRE (liver, 0.7 ± 0.2 mm; kidneys, 0.4 ± 0.2 mm; spleen, 0.5 ± 0.2 mm; pancreas, 0.7 ± 0.5 mm). Nonetheless, breathing-related displacement did not affect mean shear wave speed, which was consistent across all protocols (liver, 1.43 ± 0.07 m/s; kidneys, 2.35 ± 0.21 m/s; spleen, 2.02 ± 0.15 m/s; pancreas, 1.39 ± 0.15 m/s). Image registration before inversion improved the quality of free-breathing examinations, yielding no differences in image sharpness to uncorrected breath-hold MRE in most organs (P > .05). Conclusion: Overall, multifrequency MRE is robust to breathing when considering whole-organ values. Respiration-related blurring can readily be corrected using image registration. Consequently, ungated free-breathing MRE combined with image registration is recommended for multifrequency MRE of abdominal organs