Diffusions-Poren-Bildgebung mittels kernmagnetischer Resonanz

Diffusionsmessungen mittels Magnetresonanztomographie finden vielfältige Anwendung bei der Untersuchung biologischen Gewebes. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Methoden, um aus der nicht-gaußschen Diffusion Rückschlüsse auf die Mikrostruktur einer Probe zu ziehen. Ein indirekt mit den Diffusionshindernissen verbundener Parameter ist die Kurtosis, deren Abhängigkeit von der Diffusionszeit sowie dem Grad der Diffusionseinschränkung theoretisch und experimentell untersucht wurde. Die neu eingeführte Diffusions-Poren-Bildgebung ermöglicht erstmals eine direkte Bestimmung der Form von geschlossenen Poren oder Zellen unter Verwendung einer Kombination eines langen und eines kurzen Diffusionsgradienten. Das Signal des gesamten Meßvolumens trägt zu einem Porenbild bei; dies löst weitgehend das bei konventioneller MR-Bildgebung auftretende Problem der Signalabnahme bei Verbesserung der Auflösung. Für eine Probe mit verschiedenen Porenformen kann eine gemittelte Porengeometrie gemessen werden. Diese Technik wurde theoretisch hinsichtlich auftretender Bildgebungsartefakte untersucht. Die Diffusions-Poren-Bildgebung wurde erstmals experimentell demonstriert unter Verwendung von hyperpolarisiertem Xenon-129-Gas, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit Simulationen des Diffusionsprozesses zeigte. Ferner wurde gezeigt, daß eine Diffusions-Poren-Bildgebung auch mit mehreren kurzen Gradientenpulsen realisiert werden kann. Diese Methoden bieten Vorteile hinsichtlich der anwendbaren Sequenztechnik, jedoch Nachteile bezüglich des erforderlichen Signals und des Verhaltens in Gegenwart von Porenverteilungen. Die Diffusions-Poren-Bildgebung könnte verwendet werden, um nichtinvasiv Parameter wie Zellgröße, Zelldichte oder Axonintegrität zu bestimmen

Determination of the Defining Boundary in Nuclear Magnetic Resonance Diffusion Experiments

While nuclear magnetic resonance diffusion experiments are widely used to resolve structures confining the diffusion process, it has been elusive whether they can exactly reveal these structures. This question is closely related to X-ray scattering and to Kac's "hear the drum" problem. Although the shape of the drum is not "hearable", we show that the confining boundary of closed pores can indeed be detected using modified Stejskal-Tanner magnetic field gradients that preserve the phase information and enable imaging of the average pore in a porous medium with a largely increased signal-to-noise ratio.Comment: 13 pages, 2 figure

Revealing Hidden Potentials of the q-Space Signal in Breast Cancer

Mammography screening for early detection of breast lesions currently suffers from high amounts of false positive findings, which result in unnecessary invasive biopsies. Diffusion-weighted MR images (DWI) can help to reduce many of these false-positive findings prior to biopsy. Current approaches estimate tissue properties by means of quantitative parameters taken from generative, biophysical models fit to the q-space encoded signal under certain assumptions regarding noise and spatial homogeneity. This process is prone to fitting instability and partial information loss due to model simplicity. We reveal unexplored potentials of the signal by integrating all data processing components into a convolutional neural network (CNN) architecture that is designed to propagate clinical target information down to the raw input images. This approach enables simultaneous and target-specific optimization of image normalization, signal exploitation, global representation learning and classification. Using a multicentric data set of 222 patients, we demonstrate that our approach significantly improves clinical decision making with respect to the current state of the art.Comment: Accepted conference paper at MICCAI 201