Titelaufnahme

Titel
Dynamic magnetic resonance imaging of skeletal muscle at 7 Tesla / submitted by Kiril Schewzow
VerfasserSchewzow, Kiril
Begutachter / BegutachterinSchmid, Albrecht Ingo ; Moser, Ewald
Erschienen2014
Umfang87 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Magnetresonanztomographie / Tesla / Perfusion / Arterial Spin Labeling / Muskulatur / * / P-MRS / BOLD
Schlagwörter (EN)MRI / Tesla / Perfusion / Arterial Spin Labeling / Skeletal Muscle / * / P-MRS / BOLD
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-1744 Persistent Identifier (URN)
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Dynamic magnetic resonance imaging of skeletal muscle at 7 Tesla [3.67 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Kernspin-Magnetresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) ist ein etabliertes Verfahren in der medizinischen Diagnostik. Die nicht invasive Natur der Messmethode und das Fehlen der ionisierenden Strahlung erlauben den Einsatz von Protonen-basierter NMR in allen Patientengruppen ohne zusätzliche gesundheitliche Belastung. Neben der Abbildung von anatomischen Strukturen besteht ebenfalls die Möglichkeit physiologische Prozesse und Funktionen des Körpers darzustellen. So kann zum Beispiel die Mikroperfusion des Gewebes ortsaufgelöst mittels magnetischer Spin-Markierung vom arteriellen Blut gemessen werden (Arterial Spin Labeling, ASL) oder die relative Blut-Oxygenierung mit Hilfe von T2*-gewichteten Bildgebung bestimmt werden (Blood Oxygen Level Dependent Imaging, BOLD). ASL stellt dabei die einzige völlig nicht invasive Methode zur Perfusionsbildgebung ohne Applikation von exogenen Kontrastmitteln dar. Beide Techniken können sowohl im Gehirn als auch in Muskeln eingesetzt werden. Neben der Bildgebung kann NMR auch für Spektroskopie (MRS) benutzt werden. Für die Erforschung von Muskelstoffwechsel ist 31P-MRS vom besonderen Interesse, da damit die Dynamik von Phosphokreatin, anorganischen Phosphaten, pH und ATP gemessen werden kann. Die Verbreitung von ASL innerhalb von klinischen Routineuntersuchungen ist momentan noch relativ beschränkt, da ASL auf einer Subtraktionstechnik basiert und daher einen niedrigen intrinsischen Kontrast aufweist und relativ lange Messzeiten benötigt.

Des Weiteren existieren keine standardisierten Auswerteprotokolle für in Muskeln aufgenommenen ASL und BOLD Daten. In dieser Arbeit wurden beide Problempunkte adressiert. Im Allgemeinen profitiert NMR von den ultra-hohen Magnetfeldstärken (UHF) wegen des besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR). ASL gewinnt zusätzlich durch die längeren Relaxationszeiten und damit verbundenen langsameren Zerfall der Spin-Markierung. So wurde eine Bildgebungssequenz für die gleichzeitige Messung von Perfusion und T2*-gewichteten Daten am 7 Tesla MR-Tomographen implementiert und optimiert. Mit dieser Sequenz wurden erstmals dynamische Messungen von Muskelperfusion während und nach Belastung bei 7 Tesla durchgeführt. Für die Auswertung von BOLD- bzw.

T2*-gewichteten Signalverläufen nach Ischämie oder mechanischer Belastung wurde ein Modell entwickelt und ein Software Tool implementiert, das die automatische Parameterbestimmung ermöglicht und dabei die Abhängigkeit der Ergebnisse vom Operator eliminiert.

Letztendlich wurden T2*-gewichtete Messungen mit 31P-MRS in einem Messprotokoll kombiniert, um direkte Zusammenhänge zwischen T2*-Verläufen und dem Metabolismus der hochenergetischen Phosphate zu untersuchen. Die Experimente, die im Rahmen diese Arbeit durchgeführt wurden, kombinieren verschiedene Methoden zu Untersuchung von dynamischen Prozessen in Muskeln während mechanischer Belastung und sollen dazu beitragen in weiterführenden klinischen Studien ein tieferes Verständnis von Gefäß- und Stoffwechselerkrankungen, wie Diabetes mellitus und Periphere Arterielle Verschlusskrankheit, zu erlangen.

Zusammenfassung (Englisch)

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is an established diagnostic method in modern medicine. Due to the non-invasive nature of the technique and the absence of ionizing radiation, NMR can be used in all patients groups without additional health hazard. Furthermore, besides imaging of anatomical structures, proton NMR is also capable to visualize physiological processes and functions of the human body. For example, the specific tissue perfusion rate can be determined using magnetically labeled arterial blood (Arterial Spin Labeling, ASL) or the relative blood oxygenation can be measured using blood oxygen level dependent imaging (BOLD). Hereby, ASL represents the only one completely non-invasive method for perfusion measurements without application of contrast media. These techniques can be used both in the brain and in the skeletal musculature. In addition to imaging, NMR can also be used for spectroscopy (MRS). Especially 31P-MRS is of particular interest for skeletal muscle studies, since the metabolism of phosphocreatine, inorganic phosphate, pH and ATP can be dynamically measured. The spread of ASL within clinical routines is still slow at the moment because ASL is based on a subtraction technique and therefore yields a low intrinsic contrast and relatively long measurement times. Furthermore, there are no standardized and sophisticated data processing tools for skeletal muscle ASL and BOLD data available yet. In this work, both of the above mentioned issues were addressed. In general, NMR benefits from ultra high magnetic field strength (UHF) due to higher overall signal-to-noise ratio (SNR). ASL gains additionally from longer longitudinal relaxation times and the slower decay of the spin label. Therefore, an imaging sequence for simultaneous measurement of perfusion and T2*-weighted data has been implemented and optimized on a 7 Tesla MR-scanner. Using this sequence dynamic measurements of muscle perfusion and T2*-weighted time courses during and after exercise were performed for the first time at 7 Tesla. For the analysis of ASL or T2*-weighted time courses after ischemia or exercise a mathematical model was developed and implemented in a software tool that allows for the automatic determination of muscle BOLD parameters, thus eliminating the dependence of the results on the operator. Finally, T2*-weighted measurements were combined with 31P-MRS in one study protocol to investigate direct correlations between T2*-dynamics and the metabolism of high-energy phosphates. The experiments developed in this work, combine different dynamic measurement methods for studying physiological processes in exercising muscles and should contribute to better understanding of vascular and metabolic disorders such as diabetes mellitus and peripheral arterial occlusive disease.