Evaluation of T1 relaxation time in prostate cancer and benign prostate tissue using a Modified Look-Locker inversion recovery sequence

Purpose of this study was to evaluate the diagnostic performance of T1 relaxation time (T1) for differentiating prostate cancer (PCa) from benign tissue as well as high- from low-grade PCa. Twenty-three patients with suspicion for PCa were included in this prospective study. 3 T MRI including a Modified Look-Locker inversion recovery sequence was acquired. Subsequent targeted and systematic prostate biopsy served as a reference standard. T1 and apparent diffusion coefficient (ADC) value in PCa and reference regions without malignancy as well as high- and low-grade PCa were compared using the Mann-Whitney U test. The performance of T1, ADC value, and a combination of both to differentiate PCa and reference regions was assessed by receiver operating characteristic (ROC) analysis. T1 and ADC value were lower in PCa compared to reference regions in the peripheral and transition zone (p < 0.001). ROC analysis revealed high AUCs for T1 (0.92; 95%-CI, 0.87-0.98) and ADC value (0.97; 95%-CI, 0.94 to 1.0) when differentiating PCa and reference regions. A combination of T1 and ADC value yielded an even higher AUC. The difference was statistically significant comparing it to the AUC for ADC value alone (p = 0.02). No significant differences were found between high- and low-grade PCa for T1 (p = 0.31) and ADC value (p = 0.8). T1 relaxation time differs significantly between PCa and benign prostate tissue with lower T1 in PCa. It could represent an imaging biomarker for PCa

optimizing acquisition and diagnostic use of multiparametric imaging

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Bildqualität der MRT des Auges und der Orbita im Rahmen der technischen Möglichkeiten zu optimieren und den Einsatz innovativer Sequenzen hinsichtlich des klinischen Nutzens zu evaluieren. Die systematischen Untersuchungen mittels Empfangsspulen und Spulenkombinationen an Phantomen und 20 Patienten konnten zeigen, dass kleine Oberflächenringspulen das höchste SRV im Auge und der Orbita erzielen (Originalarbeit 1 und 2). Das Hinzuschalten der Kopfspule für eine Untersuchung des Auges sollte vermieden werden, da Kopplungseffekte das gemessene SRV und damit die Bildqualität negativ beeinflussen können. Das höchste mittlere SRV von 13,1 wurde mit der kleinsten Oberflächenspule (4 cm) bei 3 Tesla erzielt, gefolgt von 1,5 Tesla (9,6). Die in der Arbeit erzielten quantitativen und qualitativen Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächenspule einen höheren Einfluss auf die Bildqualität hat, als die Feldstärke, d.h. optimale Bildqualität kann auch bei niedrigerer Feldstärke (1,5 Tesla) unter Einsatz einer kleinen Oberflächenspule erreicht werden (Originalarbeit 2). Mittels hochaufgelöster T1- und T2-gewichteter Datensätze von insgesamt 62 Patientenaugen konnte ein PLS (Partial least square) -Regressionsmodell entwickelt werden, welches einen statistischen Zusammenhang zwischen biometrischen Parametern des Augapfels und der Linsengröße herstellt. Die Linsengröße ist mit herkömmlichen Methoden präoperativ nicht genau bestimmbar, allerdings für Kataraktoperationen eine entscheidende Größe (Originalarbeit 3). Der Einsatz diffusionsgewichteter Sequenzen (DWI) beim Aderhautmelanom machte erstmals eine quantifizierbare Unterscheidung zur häufig vergesellschafteten Netzhautablösung möglich. Die quantitative Auswertung von DWI-Datensätzen von 40 Aderhautmelanomen ergab einen mittleren ADC-Wert von 891 (172) * 10-6 mm2/s (Originalarbeit 4). Zudem gelang es mit dem Einsatz von dynamischen, kontrastmittelgestützten Sequenzen (DCE) das Signalverhalten nach Kontrastmittelgabe von Aderhautmelanomen zu quantifizieren. Es wurde erstmals an einem großen Kollektiv (n = 40) demonstriert, dass Aderhautmelanome ähnlich zu anderen malignen Veränderungen einen raschen Signalanstieg nach Kontrastmittelgabe aufweisen und anschließend eine ‚Washout‘- oder ‚Plateau- Phase‘ zeigen. Zudem beobachteten wir bei jenen Patienten ein signifikant höheres Signal nach Kontrastmittelgabe, welche auch im Verlauf ein schlechteres klinisches Ergebnis (Lebermetastasen oder extraokuläres Wachstum) zeigten (Originalarbeit 5). Der vorteilhafte Einsatz der multiparametrischen Bildgebung (DWI und DCE) bei der Einordnung orbitaler Raumforderungen in benigne und maligne konnte in der vorliegenden Arbeit im Rahmen einer prospektiven Studie unter Einschluss von 65 Patienten demonstriert werden. Der ADC zeigte zwischen benignen und malignen Läsionen statistisch signifikante Unterschiede (1258 (577) * 10-6 mm2/s bei benignen Läsionen und 825 (437) * 10-6 mm2/s bei malignen Läsionen, p=0,001). Auch die Auswertung der DCE- Datensätze ergab signifikante Unterschiede und zeigte bei malignen Läsionen deutlich höhere Ktrans-, kep-, und iAUC-Werte (p < 0,01). Auch nahm die Übereinstimmung der Radiologen untereinander bei Hinzunahme der DWI und DCE deutlich zu (κ = 0,644). Es wird daher die Ergänzung von DWI- und DCE- Sequenzen im Routineprotokoll zur Diagnostik okulärer und orbitaler Pathologien empfohlen (Originalarbeit 6). Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Ergebnisse der morphologischen Analyse des sogenannten ‚dritten' oder 'parietalen' Auges, der Glandula pinealis bei Patienten mit Retinoblastom können als Größenreferenz bei der diagnostischen Aufarbeitung hinsichtlich eines Pineoblastoms dienen (Originalarbeit 7). Insgesamt liefert diese Habilitationsschrift einen wissenschaftlichen Beitrag zu technischen Einflussgrößen zur Optimierung der Bildqualität und demonstriert den klinischen Nutzen der multiparametrischen Bildgebung bei der MRT-Diagnostik des Auges und der Orbita.The aim of this study was to optimize the image quality of magnetic resonance imaging (MRI) of the eye and orbit and to evaluate the clinical benefit of innovative pulse sequences. The application of various coils and coil combinations was evaluated on phantoms and 20 patients. Small surface coils were found to yield the highest signal-to-noise ratio (SNR) in the eye and orbit (Original papers 1 and 2). Adding the head coil for eye examinations should be avoided as coupling effects decrease the SNR and therefore may adversely affect image quality. The highest average SNR of 13.1 was achieved with the smallest surface coil (4 cm) at 3 Tesla, followed by 1.5 Tesla (9.6). Both quantitative and qualitative results indicate that the surface coil has a higher influence on image quality than magnetic field strength, showing that optimal image quality can also be achieved at lower field strength (1.5 Tesla) when a small surface coil is used (Original paper 2). High-resolution T1- and T2-weighted datasets of 62 patient eyes were used to develop a partial least square (PLS) regression model, which establishes a statistical relationship between biometric parameters of the eye and lens size. The lens size cannot be determined precisely with conventional methods preoperatively although it is crucial in cataract surgery (Original paper 3). The use of diffusion-weighted imaging (DWI) sequences in uveal melanoma for the first time enabled quantifiable differentiation from retinal detachment, which is frequently associated with this malignancy. Quantitative analysis of DWI datasets of 40 uveal melanomas revealed a mean apparent diffusion coefficient (ADC) of 891 (172) * 10-6 mm2 / s (Original paper 4). Furthermore, dynamic contrast- enhanced (DCE) MRI was used to quantify the signal behavior of uveal melanoma after contrast medium administration. This was the first study in a large population (n = 40) demonstrating that uveal melanomas show similar dynamic contrast behavior as other malignancies with a rapid initial increase in signal intensity followed by washout or a plateau phase. Moreover, we observed that patients with significantly higher signal intensity after contrast medium administration had a poorer clinical outcome (liver metastases or extraocular tumor spread) (Original paper 5). The benefit of multiparametric MRI (DWI and DCE) in differentiating benign and malignant orbital masses was demonstrated in a prospective study including 65 patients. Benign and malignant orbital lesions had statistically significant different ADC values (1258 (577) * 10-6 mm2 / s for benign lesions versus 825 (437) * 10-6 mm2 / s for malignant lesions; P = 0.001). Analysis of the DCE datasets also revealed significant differences, showing significantly higher Ktrans, kep, and iAUC values ​​for malignant lesions (p <0.01). Interobserver variability among the radiologists classifying the lesions improved markedly when DWI and DCE were added (κ = 0.644). Therefore, adding DWI and DCE sequences to the routine MRI protocol for imaging patients with ocular and orbital pathology is recommended (Original paper 6). The results of the morphological analysis of the so-called 'third' or 'parietal' eye, i.e., the pineal gland, in patients with retinoblastoma may serve as a size reference in the diagnostic work-up of pineoblastomas (Original paper 7). Overall, this habilitation thesis contributes scientific evidence for optimizing image quality and demonstrates the clinical benefit of multiparametric imaging in MRI of the eye and orbit

Magnetic resonance imaging in patients with Multiple sclerosis and olfactory dysfunction: Significance of diffusion-weighted imaging and volumetry of the olfactory bulb

Ziel der Arbeit war es Riechstörungen bei multipler Sklerose (MS) Patienten mit Veränderungen am Bulbus olfactorius sowie intrazerebralen Veränderungen zu korrelieren, wobei insbesondere der Stellenwert der diffusionsgewichteten Sequenzen herausgearbeitet werden sollte. Die Ethikkommission der Charité - Universitätsmedizin Berlin genehmigte diese Studie. Insgesamt konnten 36 MS Patienten in die Studie eingeschlossen werden, welche neurologisch sowie HNO- ärztlich untersucht wurden. Das Riechvermögen der MS Patienten wurde mittels TDI Test ermittelt, welcher die Riechschwelle (T), das Unterscheidungsvermögen von Gerüchen (D) und die Identifikation von Gerüchen (I) testet. Die Ergebnisse des Riechtests wurden mit jenen gesunder Probanden verglichen. Bei den Patienten wurde eine Magnetresonanztomographie (MRT) mit besonderer Berücksichtigung des Riechhirnes durchgeführt. Das Volumen des Bulbus olfactorius wurde mittels Segmentierung ermittelt. Ein Diffusionstensor Datensatz (DTI) wurde verwendet um die fraktionale Anisotropie (FA) in den MS Läsionen im gesamten Gehirn sowie im segmentierten Riechhirn zu bestimmen. Mittels Tract-based spatial statistics (TBSS) wurden die DTI-Datensätze mit jenen gesunder Probanden verglichen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der Studie, dass ein höherer Behinderungsgrad im Rahmen der MS mit einem schlechteren Riechvermögen einhergeht. Eine Korrelation zwischen Bulbus olfactorius-Volumina und dem Riechvermögen von MS Patienten besteht nur bei kleinen Bulbus-Volumina. Im Vergleich zu gesunden Probanden war die Geruchsidentifikation (I) des Riechvermögens bei MS Patienten signifikant schlechter. Das schlechtere Geruchsidentifikationsvermögen (I) korreliert mit schlechteren FA-Werten aus DTI-Datensätzen des Riechhirns der Patienten. Die TBSS-Analyse identifiziert dabei Regionen rechts frontobasal, welche bei Patienten mit einem schlechten Geruchsidentifikationsvermögen (I) auch schlechtere FA- Werte aufweisen.The aim of the study was to correlate olfactory dysfunction in multiple sclerosis (MS) patients with olfactory bulb and intracerebral abnormalities. In this context, the significance of diffusion-weighted sequences was investigated. The ethics committee of the Charité - Universitätsmedizin Berlin approved this study. A total of 36 MS patients were included in the study, which were examined by a neurologist and an ENT physician. The olfactory function of MS patients was measured by the TDI test, which investigates the olfactory threshold (T), the discrimination of odors (D) and the identification of odors (I). The results of the smelling test were compared with those of healthy volunteers. Magnetic resonance imaging (MRI) was performed with special emphasis on the olfactory system. The volume of the olfactory bulb was determined by segmentation. Diffusion tensor imaging (DTI) was used to evaluate fractional anisotropy (FA) determined in MS lesions within the brain and within the segmented olfactory brain. Tract-based spatial statistics (TBSS) was used to compare the DTI data with those of healthy subjects. In summary, the results of the study indicate that a higher level of disability in MS is associated with a poorer sense of smell. A correlation between olfactory bulb volume and olfactory function of MS patients is only true in small bulb volumes. Compared with healthy subjects, the odor identification (I) of the olfactory function was significantly worse in MS patients. The decreased odor identification ability (I) correlated with poorer FA values derived from DTI data of the olfactory brain of MS patients. The TBSS analysis identifies regions within the right frontobasal brain where decreased FA values are shown in patients with reduced smell identification ability (I)

Magnetic resonance imaging based morphologic evaluation of the pineal gland for suspected pineoblastoma in retinoblastoma patients and age-matched controls

AbstractPurposeThe purpose of this study was to evaluate the morphologic magnetic resonance imaging (MRI) characteristics of the pineal gland in retinoblastoma (Rb) patients without and with pineoblastoma in comparison to age-matched controls to improve early identification of pineoblastomas (trilateral retinoblastoma, TRb).Methods and materials80 patients with retinoblastoma and 80 age-matched controls who had undergone brain MRI were included in this retrospective institutional review board approved cohort study. Two readers analyzed the following MR characteristics of the pineal gland: signal intensity on T1- and T2-weighted images, enhancement pattern, delineation of the gland, presence of cystic component, size of pineal gland and size of pineal cysts, respectively. A third reader assessed all images for the presence or absence of pineoblastoma.Results3 patients were positive (TRb cohort) and 77 negative for pineoblastoma (non-TRb cohort). The mean maximum diameter of the pineal gland was 6.4mm in Rb patients and 6.3mm in age-matched controls. The mean volume of the pineal gland in Rb patients was 93.1mm3 and was 87.6mm3 in age-matched controls. Considering all available MRI scans the mean maximum diameter of the pineal gland in TRb patients was 11.2mm and the mean volume in TRb patients was 453.3mm3. The third reader identified pineoblastomas with a sensitivity of 100% (3 of 3) and a specificity of 94% (72 of 77).ConclusionOur non-TRb patients did not show significant differences in the size of the pineal gland and pineal gland cysts compared to age-matched controls. The presented data can serve as a reference for the volume of normal pineal glands and pineal cysts in the diagnostic work-up of Rb patients with suspected pineoblastoma