Advanced

Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Angiography - Development and optimization of techniques for paramagnetic and hyperpolarized contrast media

Svensson, Jonas LU (2002)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Magnetkameran är ett diagnostiskt instrument med vilket man kan ta skiktbilder av kroppen. Den började användas i sjukvården för drygt 20 år sedan och baseras på ett fysikaliskt fenomen som kallas för kärnmagnetisk resonans (MR). Detta innebär att vissa atomkärnor som placeras i ett starkt magnetfält kan avge en radiosignal när de utsätts för korta radiopulser. Radiosignalen utnyttjas för att bygga upp en digital MR-bild.



Magnetkameran kan bland annat användas för att undersöka kärlsjukdomar genom att avbilda kroppens blodkärl – så kallad angiografi. MR-angiografi (MRA) kan utföras på flera olika sätt, men det var först när man i början av 1990-talet började utnyttja... (More)
Popular Abstract in Swedish

Magnetkameran är ett diagnostiskt instrument med vilket man kan ta skiktbilder av kroppen. Den började användas i sjukvården för drygt 20 år sedan och baseras på ett fysikaliskt fenomen som kallas för kärnmagnetisk resonans (MR). Detta innebär att vissa atomkärnor som placeras i ett starkt magnetfält kan avge en radiosignal när de utsätts för korta radiopulser. Radiosignalen utnyttjas för att bygga upp en digital MR-bild.



Magnetkameran kan bland annat användas för att undersöka kärlsjukdomar genom att avbilda kroppens blodkärl – så kallad angiografi. MR-angiografi (MRA) kan utföras på flera olika sätt, men det var först när man i början av 1990-talet började utnyttja kontrastmedel som MRA fick sitt stora kliniska genombrott. Kontrastmedlet injiceras intravenöst och får blodkärl med kontrastmedel att lysa upp i MR-bilden. Denna teknik har snabbt blivit ett viktigt och skonsamt komplement till traditionell angiografi som utförs med röntgenstrålning och injektion av kontrastmedel direkt i artärerna.



Syftet med denna avhandling har dels varit att optimera de befintliga tekniker som finns för kontrastmedelsförstärkt MRA och dels att studera en ny typ av kontrastmedel baserade på så kallade hyperpolariserade atomkärnor. Detta har gjorts i ett antal delprojekt som i korthet beskrivs nedan.



Datorsimuleringar visade att fel i bilderna kan uppstå om koncentrationen av kontrastmedel varierar när MR-signalen samlas in. Blodkärlen kan till exempel bli suddiga eller helt enkelt se tjockare eller tunnare ut än de egentligen är. Därför är det viktigt att kontrastmedelsinjektion och bildinsamling är korrekt synkroniserade. Felaktig synkronisering kan leda till försvårad, eller i värsta fall, fel diagnos.



Vid vissa undersökningar finns en risk för att både artärer och vener lyser upp samtidigt i bilden, vilket kan leda till svårigheter att skilja på de två kärltyperna. För att minska detta problem utvecklades en metod för att släcka ut den ena kärltypen i den färdiga bilden. Metoden testades på två frivilliga och visade sig fungera bra för större kärl i benen.



Ett möjligt sätt att förbättra dagens MRA-tekniker kan vara att utnyttja en helt ny typ av kontrastmedel baserade på hyperpolariserade atomkärnor. Dessa har potential att förstärka signalen från blodet ytterligare, jämfört med dagens kontrastmedel. Teoretiska signalnivåer för hyperpolariserade kontrastmedel beräknades. Teorin bekräftades med mätningar, dels på hyperpolariserat 129Xe, och dels på ett nytt kontrastmedel baserat på hyperpolariserat 13C. Det nya kontrastmedlet gav mycket hög signal och god bildkontrast.



Resultaten i den här avhandlingen har bidragit till ökad kunskap om hur undersökningar med kontrastmedelsförstärkt MRA kan optimeras. Studierna av nya hyperpolariserade kontrastmedel är ett steg på vägen för att ytterligare förbättra befintliga tekniker för MRA. (Less)
Abstract
Contrast-enhanced magnetic resonance angiography (CE-MRA) is a diagnostic method for imaging of vascular structures based on nuclear magnetic resonance. Vascular enhancement is achieved by injection of a contrast medium (CM). Studies were performed using two different types of CM: conventional paramagnetic CM, and a new type of CM based on hyperpolarized (HP) nuclei.



The effects of varying CM concentration with time during image acquisition were studied by means of computer simulations using two different models. It was shown that a rapid concentration variation during encoding of the central parts of k-space could result in signal loss and severe image artefacts. The results were confirmed qualitatively with phantom... (More)
Contrast-enhanced magnetic resonance angiography (CE-MRA) is a diagnostic method for imaging of vascular structures based on nuclear magnetic resonance. Vascular enhancement is achieved by injection of a contrast medium (CM). Studies were performed using two different types of CM: conventional paramagnetic CM, and a new type of CM based on hyperpolarized (HP) nuclei.



The effects of varying CM concentration with time during image acquisition were studied by means of computer simulations using two different models. It was shown that a rapid concentration variation during encoding of the central parts of k-space could result in signal loss and severe image artefacts. The results were confirmed qualitatively with phantom experiments.



A post-processing method was developed to address problems with simultaneous enhancement of arteries and veins in CE-MRA of the lower extremities. The method was based on the difference in flow-induced phase in the two vessel types. Evaluation of the method was performed with flow phantom measurements and with CE-MRA in two volunteers using standard pulse sequences. The flow-induced phase in the vessels of interest was sufficient to distinguish arteries from veins in the superior-inferior direction. Using this method, the venous enhancement could be extinguished.



The possibility of using HP nuclei as CM for CE-MRA was evaluated. Signal expressions for a flow of HP CM imaged with a gradient echo sequence were derived. These signal expressions were confirmed in phantom experiments using HP 129Xe dissolved in ethanol.



Studies were also performed with a new CM based on HP 13C. The CM had very long relaxation times (T1/T2 = 38/1.3 s, in vivo). The long relaxation times were utilized in imaging with a fully balanced steady-state free precession pulse sequence (trueFISP), where the optimal flip angle was found to be 180º. CE-MRA with the 13C-based CM in rats resulted in images with high vascular SNR (~500).



CE-MRA is a useful clinical tool for diagnosing vascular disease. With the development of new contrast media, based on hyperpolarized nuclei for example, there is a potential for further improvement in the signal levels that can be achieved, enabling a standard of imaging of vessels that is not possible today. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Assoc. Prof Korosec, Frank R., Madicon, Wisconsin, USA
organization
alternative title
Utveckling av teknik för kontrastmedelsförstärkt angiografi med magnetkamera
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
egenskaper (elektriska, Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur, spectroscopy, relaxation, Angiography, Magnetic resonance, Contrast-enhanced, Hyperpolarized, Condensed matter:electronic structure, 13C, supraconductors, electrical, magnetic and optical properties, magnetiska och optiska), supraledare, magnetisk resonans, spektroskopi
pages
58 pages
publisher
Jonas Svensson, Dept Radiation Physics, Malmö University Hospital, SE-205 02 Malmö, Sweden,
defense location
Kirurgiska klinikens föreläsningssal, ing. 42, plan 1, Universitetsjukhuset MAS, Malmö
defense date
2002-10-05 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUNDFD6/NFRF 02/1017 -- SE
  • Other:ISRN: LUMEDW/MEMR – 02/1017 -- SE
ISBN
91-628-5322-8
language
English
LU publication?
yes
id
936e5c4d-6fc1-4bf4-b7bd-83271a5042fa (old id 464941)
date added to LUP
2007-10-08 11:05:03
date last changed
2016-09-19 08:45:11
@misc{936e5c4d-6fc1-4bf4-b7bd-83271a5042fa,
  abstract     = {Contrast-enhanced magnetic resonance angiography (CE-MRA) is a diagnostic method for imaging of vascular structures based on nuclear magnetic resonance. Vascular enhancement is achieved by injection of a contrast medium (CM). Studies were performed using two different types of CM: conventional paramagnetic CM, and a new type of CM based on hyperpolarized (HP) nuclei.<br/><br>
<br/><br>
The effects of varying CM concentration with time during image acquisition were studied by means of computer simulations using two different models. It was shown that a rapid concentration variation during encoding of the central parts of k-space could result in signal loss and severe image artefacts. The results were confirmed qualitatively with phantom experiments.<br/><br>
<br/><br>
A post-processing method was developed to address problems with simultaneous enhancement of arteries and veins in CE-MRA of the lower extremities. The method was based on the difference in flow-induced phase in the two vessel types. Evaluation of the method was performed with flow phantom measurements and with CE-MRA in two volunteers using standard pulse sequences. The flow-induced phase in the vessels of interest was sufficient to distinguish arteries from veins in the superior-inferior direction. Using this method, the venous enhancement could be extinguished.<br/><br>
<br/><br>
The possibility of using HP nuclei as CM for CE-MRA was evaluated. Signal expressions for a flow of HP CM imaged with a gradient echo sequence were derived. These signal expressions were confirmed in phantom experiments using HP 129Xe dissolved in ethanol.<br/><br>
<br/><br>
Studies were also performed with a new CM based on HP 13C. The CM had very long relaxation times (T1/T2 = 38/1.3 s, in vivo). The long relaxation times were utilized in imaging with a fully balanced steady-state free precession pulse sequence (trueFISP), where the optimal flip angle was found to be 180º. CE-MRA with the 13C-based CM in rats resulted in images with high vascular SNR (~500).<br/><br>
<br/><br>
CE-MRA is a useful clinical tool for diagnosing vascular disease. With the development of new contrast media, based on hyperpolarized nuclei for example, there is a potential for further improvement in the signal levels that can be achieved, enabling a standard of imaging of vessels that is not possible today.},
  author       = {Svensson, Jonas},
  isbn         = {91-628-5322-8},
  keyword      = {egenskaper (elektriska,Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur,spectroscopy,relaxation,Angiography,Magnetic resonance,Contrast-enhanced,Hyperpolarized,Condensed matter:electronic structure,13C,supraconductors,electrical,magnetic and optical properties,magnetiska och optiska),supraledare,magnetisk resonans,spektroskopi},
  language     = {eng},
  pages        = {58},
  publisher    = {ARRAY(0x9881928)},
  title        = {Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Angiography - Development and optimization of techniques for paramagnetic and hyperpolarized contrast media},
  year         = {2002},
}