MRI-­based quantification of cerebral oxygen extraction and oxygen metabolism using the relationship between phase shift and magnetic susceptibility

Abstract

Introduction: The main purpose of this study was to extract global values of oxygen
extraction fraction (OEF) and cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) in healthy
volunteers, using magnetic resonance imaging (MRI) phase maps. The repeatability of the
method was evaluated, and the age dependences of OEF and CMRO2 were analyzed.
Material and methods: Phase data were acquired using a 3T MRI scanner with an 8-
channel head coil, and a total of 20 volunteers (10 male, 10 female, age 25-84 years)
participated. Magnitude and phase data were acquired from each subject, on two different
occasions separated by 7-20 days, using a 3D double gradient echo pulse sequence. The
difference in magnetic susceptibility between venous blood and surrounding tissue was
obtained for the superior sagittal sinus (SSS) and the vein of Galen, using MRI phase data,
and estimates of OEF and CMRO2 were subsequently calculated. Results: OEF estimates
were 0.40 0.11 for vein of Galen and 0.31 0.08 for the SSS, and CMRO2 was 159.8
and 116.7 27.5 for the vein of Galen and the SSS, respectively. The
method showed promising repeatability, with intraclass correlation coefficients (ICCs) of 0.95
and 0.82 for OEF measured in the vein of Galen and the SSS, respectively, and similar
repeatability for CMRO2. The estimates showed, however, relatively large spread between
volunteers, with coefficients of variation (CoVs) of 0.25 and 0.26 for OEF measured in the
vein of Galen and the SSS, respectively, and similar CoVs for CMRO2. Finally, CMRO2
showed the anticipated relationship with age. Conclusion: Population mean values of OEF
and CMRO2 were in good agreement with literature values, and the method delivered high
repeatability, indicating stable measurements. The spread between different volunteers,
however, was somewhat larger than expected. This may suggest that the method is sensitive
towards measuring in different anatomical locations between volunteers.

Popular Abstract (Swedish)

Magnetkameran används vanligen för att generera anatomiska bilder som används vid
diagnostik av olika sjukdomstillstånd. Normala anatomiska bilder avspeglar
magnetresonanssignalens (MR-signalens) magnitud, vilket är signalvektorns längd. Denna är
proportionell mot bl.a. antalet vätekärnor i varje volymselement. Ett annat sätt att använda
MR-signalen är att skapa en bild av signalvektorns fasvinkel, vilken är relaterad till hur
snabbt vätekärnornas magnetiska moment roterar (precesserar) kring det externa
magnetfältet i magnetkameran. Precessionsfrekvensen är proportionell mot det lokala
magnetfältet i objektet och fasbilder kan därmed användas som kartor över hur magnetfältet
varierar över objektet.

Den magnetiska susceptibiliteten är ett mått på ett materials förmåga att bli magnetisterat av
ett yttre magnetiskt fält, och denna egenskap varierar mellan syrerikt och syrefattigt blod.
Följaktligen kommer arteriellt och venöst blod att ge upphov till olika lokala magnetfält och
därmed ge olika fasskift. Syrefattigt blod innehåller deoxyhemoglobin, vilket är en molekyl
som innehåller oparade elektroner. Ämnen med oparade elektroner kallas paramagnetiska
och förstärker ett eventuellt externt magnetfält eftersom de oparade elektronerna beter sig
som små magneter. Detta innebär att det lokala magnetfältet inuti en ven blir något högre än
det externa magnetfältet. Syrerikt blod är, i likhet med normal vävnad, däremot svagt
diamagnetiskt, vilket innebär att det skapas ett svagt motriktat magnetfält i dessa miljöer,
som gör att det lokala magnetfältet blir lägre än det externa magnetfältet. Skillnaden i
magnetfält mellan venöst blod och kringliggande vävnad kommer att bero på skillnaden i
magnetisk susceptibilitet, vilket i sin tur beror på hur mycket syre det finns i det venösa
blodet. Sjunker syrehalten i det venösa blodet så ökar det lokala magnetfältet. Detta gör att
protonernas precessionsfrekvens ökar, vilket resulterar i en större fasvinkel under en given
mättid. Genom att jämföra fasen i venöst blod med fasen i omkringliggande vävnad är det
möjligt att beräkna motsvarande skillnad i magnetisk susceptibilitet. Från skillnaden i
magnetisk susceptibilitet mellan venöst blod och omkringliggande vävnad kan sedan det
venösa blodets syresättning beräknas. Om genomblödningen (perfusionen) i hjärnan är känd
så är det möjligt att gå vidare med att, utifrån den venösa syresättningen, beräkna hjärnans
syreförbrukning (s.k. syremetabolism). Om den venösa syrehalten mäts i ett kärl som
dränerar hela hjärnan erhålls den globala metabolismen, d.v.s ett mått på hur mycket syre
hela hjärnan förbrukar. Detta kan ge viktig klinisk information, eftersom metabolismen av
syre är kopplad till vissa sjukdomstillstånd (t.ex. stroke och metaboliska sjukdomar) och
hjärnans allmänna hälsa. Det finns andra metoder för att ta reda på den venösa
syresättningen, men de är ofta invasiva eller innebär exponering för joniserande strålning,
och det är därför önskvärt att kunna bedöma den venösa syresättningen med hjälp av MRavbildning.

Den fasbaserade MR-metod som beskrivits ovan har, i denna studie, utvärderats med
avseende på hur väl mätningarna kan upprepas, och absolutvärdena har jämförts med
värden från andra studier. Metoden visade att mätningarna gav liknande resultat vid
upprepade mätningar och absolutvärdena stämde väl överens med andra
undersökningsmetoder, men relativt stor spridning observerades.

• author: Kämpe, Robin
• supervisor: Ronnie Wirestam; Emelie Lind
• organization: Medical Physics Programme
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 4934382
• date added to LUP: 2015-01-13 17:50:43
• date last changed: 2015-01-19 13:52:40