Oxygen Extraction Fraction basierend auf der 10-echo GE-SE EPIK Sequenz

Der Sauerstoffextraktionsnanteil (OEF) ist ein wertvoller Parameter zur Bestimmung des Gesundheitszustandes des Gehirns und dessen Metabolismus und kann wertvolle Informationen zur Charakterisierung und Therapie von Schlaganfällen sowie der Heterogenität von Hirntumoren liefern. Während der aktuelle Standard zur OEF Quantifizierung 15O-PET Messungen sind und diese auf radioaktiven Tracern basieren, kommen MR Methoden immer mehr in den Fokus. Zu diesem Zweck kann man die sogenannte quantitative BOLD Methode nutzen, welche OEF direct mit dem MR Parameter R2’ verbinden [1], welcher wiederum durch die beiden transversalen Relaxationszeiten T2 und T2* definiert ist. Zur simultanen Quantifizierung von T2 und T2*, haben wir eine neue 10-echo GE-SE EPIK Sequenz entwickelt. Basierend auf der kombinierten Messung von GE und SE Kontrasten (siehe Abb. 1a), übertrifft die Sequenz zuvor publizierte Sequenzen in Hinblick auf räumliche Auflösung und der Anzahl gemessener Kontraste, darunter ein zweites SE in Echo-Zeiten innerhalb von 114ms. Die Sequenz misst 20 Schichten in 57 Sekunden und durch die Nutzung von EPIK Modulen [2] zur Datenaufnahme, wird eine hohe zeitliche Auflösung und Stabilität gewährleistet [3,4]. Die quantifizierten T2 und T2* Werte wurden gegen Referenzmethoden in verschiednen Phantomen und 15 in vivo Probanden validiert (siehe Abb.1b) [5]. Die resultierenden OEF Werte der GE-SE EPIK Methode im Ruhezustand sind in guter Übereinstimmung mit Literaturergebnissen und die Sensitivität der Methode wurde in Experimenten mit Luft anhalten untersucht. Abwechselnde Phasen normalen Atmens und Luft anhaltens wurden ausgeführt und zeigt einen sinkenden OEF Verlauf während des Luft anhaltens mit anschliessender Erholung bei normalem Atmen (Abb. 2). Die entwickelte Sequenz bietet eine schnelle Messung von simultanen T2 und T2* Werten welche zu OEF Informationen verarbeitet werden können. Alles in allem, liefert die GE-SE EPIK Methode eine vielversprechende Grundlage zu verschiedenen klinischen Fragestellungen, welche Fokus unserer zukünftigen Arbeit sein werden.

Oxygen Extraction Fraction basierend auf der 10-echo GE-SE EPIK Sequenz
10-echo Übersicht einer representative Schicht eines in vivo Probanden, gemessen von der GE-SE EPIK Sequenz.
T2 and T2* Verteilungen von 15 gesunden in vivo Probanden zum Vergleich zwischen Messergebnissen von der GE SE EPIK Sequenz und Referenz-Methoden.
Oxygen Extraction Fraction basierend auf der 10-echo GE-SE EPIK Sequenz
Abb.2: (a) OEF time envelope during a breath-hold experiment for three volunteers. The acquisition consists of 6 blocks of alternating breathing and breath-hold. (b) For each task block, a linear regression is fitted to the OEF time envelope and the obtained slopes are summarized in the box plot. A significant difference between both states is observed.

REFERENCES

  1. He X, Yablonskiy DA. Quantitative BOLD: Mapping of human cerebral deoxygenated blood volume and oxygen extraction fraction: Default state. Magn Reson Med. 2007;57(1):115-126. doi:10.1002/mrm.21108
  2. Zaitsev M, Zilles K, Shah NJ. Shared k-space echo planar imaging with keyhole. Magn Reson Med. 2001;45(1):109-17.
  3. Yun SD, Shah NJ. Whole-brain high in-plane resolution fMRI using accelerated EPIK for enhanced characterisation of functional areas at 3T. PLoS One. 2017;12(9):e0184759.
  4. Yun SD, Weidner R, Weiss PH, Shah NJ. Evaluating the Utility of EPIK in a Finger Tapping fMRI Experiment using BOLD Detection and Effective Connectivity. Sci Rep. 2019;9(1):10978.
  5. Küppers F, Yun SD, Shah NJ. Development of a novel 10-echo multi-contrast sequence based on EPIK to deliver simultaneous quantification of T2 and T2*. Magn Reson Med. 2022. In press.

Letzte Änderung: 06.03.2023