Intracranial fluids dynamics: a quantitative evaluation by means of phase-contrast magnetic resonance imaging

El volumen intracraneal lo integran el volumen de líquido cefalorraquídeo (LCR), el de la sangre y el del parénquima cerebral. La entrada de sangre al cráneo en la sístole incrementa el volumen intracraneal. Según la ley de Monroe-Kellie debe ocurrir una descompensación en los volúmenes restantes para mantener constante el volumen total. Los desequilibrios que se producen en este proceso de la homeostasis cerebral se han asociado tanto a enfermedades neurodegenerativas como a cerebrovasculares. Por tanto, es necesario contar con metodologías adecuadas para analizar la dinámica de los fluidos intracraneales (LCR y sangre). Las secuencias dinámicas de resonancia magnética en contraste de fase (RM-CF) con sincronismo cardíaco permiten cuantificar el flujo de LCR y de sangre durante un ciclo cardíaco. La medición de flujo mediante secuencias de RM-CF es precisa y reproducible siempre que se use un protocolo de adquisición adecuado. La reproducibilidad y exactitud de las medidas dependen también del uso de técnicas adecuadas de posproceso que permitan segmentar las regiones de interés (ROI) independientemente del operador y admitan corregir los errores de fondo introducidos por la supresión imperfecta de las corrientes inducidas y la contribución a la señal de los pequeños movimientos que presenta el mesencéfalo por la transmisión del pulso vascular así como el submuestreo (aliasing), reflejado como un cambio abrupto y opuesto del sentido original del flujo. Estas técnicas de análisis deben también tener en cuenta los errores relacionados con el efecto de volumen parcial (EVP), causado por la presencia de tejido estacionario y de flujo en el interior de los vóxeles de la periferia de la región a estudiar El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología reproducible para evaluar cuantitativamente la dinámica de los fluidos intracraneales dentro de espacios de LCR (acueducto de Silvio, cisterna prepontina y espacio perimedular C2C3) y principales vaFlórez Ordóñez, YN. (2009). Intracranial fluids dynamics: a quantitative evaluation by means of phase-contrast magnetic resonance imaging [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6029Palanci

Advancements to Magnetic Resonance Flow Imaging in the Brain

abstract: Magnetic resonance flow imaging techniques provide quantitative and qualitative information that can be attributed to flow related clinical pathologies. Clinical use of MR flow quantification requires fast acquisition and reconstruction schemes, and minimization of post processing errors. The purpose of this work is to provide improvements to the post processing of volumetric phase contrast MRI (PCMRI) data, identify a source of flow bias for cine PCMRI that has not been previously reported in the literature, and investigate a dynamic approach to image bulk cerebrospinal fluid (CSF) drainage in ventricular shunts. The proposed improvements are implemented as three research projects. In the first project, the improvements to post processing are made by proposing a new approach to estimating noise statistics for a single spiral acquisition, and using the estimated noise statistics to generate a mask distinguishing flow regions from background noise and static tissue in an image volume. The mask is applied towards reducing the computation time of phase unwrapping. The proposed noise estimation is shown to have comparable noise statistics as that of a vendor specific noise dynamic scan, with the added advantage of reduced scan time. The sparse flow region subset of the image volume is shown to speed up phase unwrapping for multidirectional velocity encoded 3D PCMRI scans. The second research project explores the extent of bias in cine PCMRI based flow estimates is investigated for CSF flow in the cerebral aqueduct. The dependance of the bias on spatial and temporal velocity gradient components is described. A critical velocity threshold is presented to prospectively determine the extent of bias as a function of scan acquisition parameters. Phase contrast MR imaging is not sensitive to measure bulk CSF drainage. A dynamic approach using a CSF label is investigated in the third project to detect bulk flow in a ventricular shunt. The proposed approach uses a preparatory pulse to label CSF signal and a variable delay between the preparatory pulse and data acquisition enables tracking of the CSF bulk flow.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Biomedical Engineering 201

Imaging of cerebrospinal fluid flow : fundamentals, techniques, and clinical applications of phase-contrast magnetic resonance imaging

Cerebrospinal fluid (CSF) is a dynamic compartment of the brain, constantly circulating through the ventricles and subarachnoid space. In recent years knowledge about CSF has expended due to numerous applications of phasecontrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) in CSF flow evaluation, leading to the revision of former theories and new concepts about pathophysiology of CSF disorders, which are caused either by alterations in CSF production, absorption, or its hydrodynamics. Although alternative non-invasive techniques have emerged in recent years, PC-MRI is still a fundamental sequence that provides both qualitative and quantitative CSF assessment. PC-MRI is widely used to evaluate CSF hydrodynamics in normal pressure hydrocephalus (NPH), Chiari type I malformations (CMI), syringomyelia, and after neurosurgical procedures. In NPH precisely performed PC-MRI provides reliable clinical information useful for differential diagnosis and selection of patients benefiting from surgical operation. Patients with CMI show abnormalities in CSF dynamics within the subarachnoid space, which are pronounced even further if syringomyelia coexists. Another indication for PC-MRI may be assessment of post-surgical CSF flow normalisation. The aim of this review is to highlight the significance of CSF as a multifunctional entity, to outline both the physical and technical background of PC-MRI, and to state current applications of this technique, not only in the diagnosis of central nervous system disorders, but also in the further clinical monitoring and prognosis after treatment

Quantitative Susceptibility Mapping: Contrast Mechanisms and Clinical Applications.

Quantitative susceptibility mapping (QSM) is a recently developed MRI technique for quantifying the spatial distribution of magnetic susceptibility within biological tissues. It first uses the frequency shift in the MRI signal to map the magnetic field profile within the tissue. The resulting field map is then used to determine the spatial distribution of the underlying magnetic susceptibility by solving an inverse problem. The solution is achieved by deconvolving the field map with a dipole field, under the assumption that the magnetic field is a result of the superposition of the dipole fields generated by all voxels and that each voxel has its unique magnetic susceptibility. QSM provides improved contrast to noise ratio for certain tissues and structures compared to its magnitude counterpart. More importantly, magnetic susceptibility is a direct reflection of the molecular composition and cellular architecture of the tissue. Consequently, by quantifying magnetic susceptibility, QSM is becoming a quantitative imaging approach for characterizing normal and pathological tissue properties. This article reviews the mechanism generating susceptibility contrast within tissues and some associated applications

Improvements In computed tomography perfusion output using complex singular value decomposition and the maximum slope algorithm

OBJECTIVE: Determine if complex singular value decomposition (cSVD) used as preprocessing in the maximum slope algorithm reduces image noise of resultant physiologic parametric images. Noise will be decreased in the parametric maps of cerebral blood flow (CBF), cerebral blood volume (CBV) as compared to the same algorithm and data set with no cSVD applied. MATERIALS AND METHODS: A set of 10 patients (n=15) underwent a total combined 15 CT perfusion studies upon presenting with stroke symptoms. It was determined these patients suffered from occlusions resulting in a prolonged arrival time of blood to the brain. DICOM data files of these patients scans were selected based on this increased arrival delay. We compared the output of estimation calculations for cerebral blood flow (CBF), and cerebral blood volume (CBV), using preprocessing cSVD against the same scan data with no preprocessing cSVD. Image noise was assessed through the calculation of the standard deviation within specific regions of interest copied to specific areas of grey and white matter as well as CSF space. A decrease in the standard deviation values will indicate improvement in the noise level of the resultant images.. Results for the mean value within the regions of interest are expected to be similar between the groups calculated using cSVD and those calculated under the standard method. This will indicate the presence of minimal bias. RESULTS: Between groups of the standard processing method and the cSVD method standard deviation (SD) reductions were seen in both CBF and CBV values across all three ROIs. In grey matter measures of CBV, SD was reduced an average of 0.0034 mL/100g while measures of CBF saw SD reduced by an average of 0.073 mL/100g/min. In samples of white matter, standard deviations of CBV values were reduced on average by 0.0041mL/100g while CBF SD's were reduced by 0.073 mL/100g/min. CSF ROIs in CBV calculations saw SD reductions averaging 0.0047 mL/100g and reductions of 0.074 mL/100g/min in measures of CBF. Bias within CBV calculations was at most minimal as determined by no significant changes in mean calculated values. Calculations of CBF saw large downward bias in the mean values. CONCLUSIONS: The application of the cSVD method to preprocessing of CT perfusion imaging studies produces an effective method of noise reduction. In calculations of CBV, cSVD noise reduction results in overall improvement. In calculations of CBF, cSVD, while effective in noise reduction, caused mean values to be statistically lower than the standard method. It should be noted that there is currently no evaluation of which values can be considered more accurate physiologically. Simulations of the effect of noise on CBF showed a positive correlation suggesting that the CBF algorithm itself is sensitive to the level of noise

Computer simulation of syringomyelia in dogs

Syringomyelia is a pathological condition in which fluid-filled cavities (syringes) form and expand in the spinal cord. Syringomyelia is often linked with obstruction of the craniocervical junction and a Chiari malformation, which is similar in both humans and animals. Some brachycephalic toy breed dogs such as Cavalier King Charles Spaniels (CKCS) are particularly predisposed. The exact mechanism of the formation of syringomyelia is undetermined and consequently with the lack of clinical explanation, engineers and mathematicians have resorted to computer models to identify possible physical mechanisms that can lead to syringes. We developed a computer model of the spinal cavity of a CKCS suffering from a large syrinx. The model was excited at the cranial end to simulate the movement of the cerebrospinal fluid (CSF) and the spinal cord due to the shift of blood volume in the cranium related to the cardiac cycle. To simulate the normal condition, the movement was prescribed to the CSF. To simulate the pathological condition, the movement of CSF was blocked

Whole-brain mapping of cerebrospinal fluid velocity and displacement over the cardiac cycle using phase contrast MRI and optimization of a DENSE sequence

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021O líquido cefalorraquidiano (LCR) tem um papel essencial na drenagem dos resíduos resultantes do metabolismo cerebral e o constante movimento a que este fluido está sujeito é vital para manter a homeostasia do cérebro. Com feito, alterações neste movimento, geralmente associadas com o envelhecimento ou com doença, levam a perturbações fisiológicas, como a doença de Alzheimer ou a hidrocefalia. Por esta razão, é fundamental consolidar e aprofundar o conhecimento referente a este fluido, nomeadamente perceber como varia a sua velocidade e deslocamento, pois só desta forma será possível desenvolver e aperfeiçoar a prevenção e tratamento destas perturbações. Com efeito, este fluido está em constante movimento e o seu comportamento está intimamente ligado ao ciclo cardíaco. Apesar de estudos anteriores sobre a velocidade e o deslocamento do líquido cefalorraquidiano através de métodos de Ressonância Magnética (RM), ainda não existe uma descrição completa sobre o comportamento deste fluido. O objetivo principal deste estudo, consistiu em obter uma descrição detalhada da velocidade e do deslocamento do LCR através da aquisição de imagens de ressonância magnética obtidas com contraste de fase, um método de referência no que toca ao estudo da velocidade de fluidos No entanto, utilizar RM de contraste de fase para adquirir velocidades mais baixas, como as do LCR, requer tempos de aquisição mais longos e, consequentemente, as imagens obtidas estão mais sujeitas a distorções. Assim, a segunda parte deste projecto partiu dos resultados de deslocamento obtidos através da RM com contraste de fase para otimizar os parâmetros de uma segunda sequência de MR. Esta sequência é relativamente recente e possibilita o estudo do deslocamento sub-milimétrico do LCR associado ao movimento do cérebro através da aplicação de gradientes sucessivos (DENSE). Porém, é necessária uma escolha rigorosa dos parâmetros utilizados de forma a obter resultados que retratem o deslocamento do LCR de uma forma rigorosa e exata. Na primeira parte deste projecto, quatro voluntários foram estudados utilizando RM com contraste de fase, entre outubro de 2019 e fevereiro de 2020, em concordância com as diretrizes éticas da University Medical Center em Utrecth, Países Baixos. As aquisições foram realizadas utilizando um scanner de RM Philips 7 T e dois tipos de contraste foram utilizados: contraste de fase com 1mm de resolução isotrópica e com uma codificação de velocidade de 5m/s, e imagens 3D com ponderação em T1 com 1mm de resolução isotrópica. As imagens foram obtidas para três orientações distintas: anterior posterior, inferior-superior, e direita-esquerda. Na segunda parte deste projecto, dois voluntários foram estudados, de janeiro a fevereiro de 2020, utilizando seis contrastes: contraste de fase com 1mm de resolução isotrópica, e imagens 3D com ponderação em T1 com 1mm de resolução isotrópica, uma sequência básica DENSE com 2mm de resolução isotrópica, uma sequência básica DENSE com 3mm de resolução isotrópica, uma sequência DENSE com uma preparação T2 com 3mm de resolução isotrópica e, finalmente, uma sequência DENSE com tempo de eco prolongado com 3mm de resolução isotrópica. No entanto, e ao contrário das imagens adquiridas na primeira parte deste projecto, as imagens da segunda parte foram obtidas apenas para a orientação inferior-superior. Todas as imagens adquiridas no decorrer desta dissertação foram obtidas com gating cardíaco. O gating cardíaco foi realizado através da utilização de um eletrocardiograma e de um oxímetro de pulso de modo a relacionar o evolução da velocidade e do deslocamento com o ciclo cardíaco. Neste projecto foi também desenvolvida uma pipeline que permite que a partir das imagens adquiridas seja possível estudar a velocidade e o deslocamento do LCR. Esta pipeline inclui diversos passos. O primeiro passo consistiu em realinhar e co-registar as imagens obtidas de forma a permitir uma análise voxel a voxel. Seguidamente, as imagens foram segmentas em três tipos de tecidos: LCR, substância cinzenta, e substância branca. Adicionalmente, as primeiras etapas foram realizadas através da utilização de toolboxs disponíveis no MATLAB como o SPM e o CAT12. Posteriormente, os artefactos presentes nas imagens, tais como as correntes-eddy, foram corrigidos. No decorrer deste projecto diversas regiões foram analisadas e foram divididas em dois grupos: regiões do sistema ventricular, nas quais se incluíram os ventrículos laterais, o terceiro e quarto ventrículo, o aqueduto de Sylvius e a Cisterna Magna; e regiões mais abrangentes, como a região anterior e posterior do cérebro. Estas áreas do cérebro foram selecionadas através da segmentação das imagens anatómicas. Finalmente, a velocidade de cada uma destas regiões foi extraída e integrada ao longo do ciclo cardíaco de maneira a calcular o deslocamento do LCR. Os resultados obtidos relativamente à velocidade mostraram consistência para os quatro voluntários deste projecto. Verificou-se que as regiões do sistema ventricular demonstram valores de velocidade consideravelmente mais elevados do que as regiões mais abrangentes. Com efeito, a região que apresentou valores absolutos de velocidade mais elevados foi o aqueducto de Sylvius. Adicionalmente, verificou-se que as velocidades são superiores na orientação caudal-cranial e inferiores na orientação direita-esquerda. Concluiu-se também que o valor de velocidade escolhido não foi o mais indicado para as regiões mais abrangentes pois a velocidade destas regiões é significativamente inferior e, desta forma, poderá ter existido perda de sinal do LCR. Posteriormente, ao integrar a velocidade obtida através da RM com contraste fase obtiveram-se mapas de deslocamento para as mesmas regiões cerebrais. Estes resultados mostraram-se consistentes e, tal como anteriormente observado, o deslocamento é consideravelmente superior para as regiões do sistema ventricular. A região inferior do cérebro foi a que apresentou valores de deslocamento mais elevados, o que pode ser justificado pelo facto desta região se encontrar mais próxima do coração e, desta maneira, o LCR ser ejetado das regiões que ocupa com maior velocidade. Adicionalmente, verificou-se que as maiores alterações do deslocamento ocorrem imediatamente após a sístole cardíaca. Seguidamente, foi possível, a partir dos valores de deslocamento obtidos, determinar um valor ótimo para a sensibilidade, relativamente ao deslocamento, da sequência DENSE. Contrariamente à primeira parte deste projecto, os resultados obtidos utilizando as sequências DENSE dizem respeito exclusivamente às regiões mais abrangentes. De facto, esta exclusão das regiões do sistema ventricular foi causada pela baixa resolução das imagens obtidas que, desta forma, não permitiram uma segmentação de áreas tão reduzidas com fiabilidade razoável. Os resultados desta análise mostram que a sequência utilizada cujos resultados de deslocamento se assemelham mais aos resultados obtidos através do contraste de fase foi a sequência que utilizou a preparação T2. Por oposição, as sequências básicas utilizadas mostraram semelhança reduzida com o método de comparação. Esta diferença observada foi justifica pela baixa resolução das imagens adquiridas, o que contribui para que não fosse possível eliminar o efeito de volume parcial. Adicionalmente, concluiu-se que o valor de sensibilidade para o deslocamento utilizado não foi o correto para estas regiões e, desta forma, houve perda de sinal adquirido justificando assim às diferenças encontradas entre os dois métodos. Concluindo, esta dissertação cumpriu o objetivo principal proposto, nomeadamente fazer uma descrição completa e quantificar a evolução da velocidade e do deslocamento do líquido cefalorraquidiano ao longo do ciclo cardíaco. Adicionalmente, o método de RM com contraste de fase mostrou ser um método fiável para o estudo do comportamento do LCR mesmo em regiões com velocidades mais lentas. Os resultados de deslocamento obtidos através da utilização do método DENSE permitiram confirmar o potencial desta técnica para medir deslocamentos sub-milimétricos. No entanto, este método ainda necessita de ser otimizado de forma a ser uma alternativa viável ao contraste de fase. Finalmente, os resultados obtidos neste estudo permitem que estudos futuros utilizem os valores máximos de cada região obtida de forma a otimizar futuras sequências.Cerebrospinal fluid (CSF) plays an essential role in the drainage of cerebral waste, and its continuous motion is vital to maintain the brain’s homeostasis. Variations in this motion, associated with aging and disease, are observed in physical and physiological disorders, such as Alzheimer’s Disease. Therefore, a deep understating of this fluid motion, such as its velocity and displacement, is fundamental to strengthen our knowledge of these diseases and might be vital to their prevention and treatment. Despite previous studies reporting CSF velocity and displacement using magnetic resonance imaging techniques, a complete picture of this fluid motion has not yet been obtained. The aim of this study was to, first and foremost, obtain a general picture of CSF velocity and displacement using Phase Contrast (PC) MRI, a method of reference for velocity acquisition. Furthermore, this sequence was also used to optimize the parameters for an MRI technique called Displacement Encoding with Stimulated Echoes (DENSE), a sequence that was modified in order to be capable of measuring small displacements. Four healthy subjects were studied using whole-brain ultra-high field (UHF) MRI at 7 Tesla (T). The volunteers were scanned using two different MRI imaging sequences: Phase Contrast MRI at 1 mm isotropic resolution and 3D T1-weighted (T1w) at 1 mm isotropic resolution. Additionally, two healthy subjects were scanned using PC and four different DENSE acquisitions. Firstly, two basic DENSE sequences with 2mm and 3mm isotropic resolution were acquired. Next, a DENSE acquisition with a T2 prepared magnetization, and a DENSE sequence with a long echo time were acquired to avoid confounding effects from partial volume between tissue and CSF. The image processing pipeline included coregistration, segmentation, eddy current correction. Moreover, mean velocity and displacement maps were calculated for regions of interest previously selected. The results in this study obtained from the PC acquisitions show consistent velocity and displacement values across all subjects. Furthermore, CSF shows higher values for the ventricular regions, such as the aqueduct, and predominant motion in the anterior and feet direction. Comparatively, regions in the periphery of the brain display slower velocities and smaller displacements. The displacement values obtained with PC were used to optimize the displacement sensitivity used in the DENSE acquisition. The DENSE sequence acquired with a T2 magnetization preparation showed the most consistent results when compared to the Phase Contrast. In conclusion, this project managed to study and quantify CSF behavior in the brain, which allows for the optimization of future sequences that desire a more detailed study of this fluid’s in specific brain regions