Nuclear magnetic resonance and microcirculation: The influence of pulsatile brain-tissue motion on measurements of intravoxel incoherent motion and assessment of haemodynamics using exo- and endogenous tracers

Abstract

In this project, the potential of magnetic resonance (MR) imaging and spectroscopy in studies of microcirculation and haemodynamics was evaluated. The spatial and temporal characteristics of human pulsatile brain-tissue movements in healthy individuals, relevant for the understanding of the cerebrospinal-fluid (CSF) circulation and the pathogenesis of hydrocephalus, were thoroughly investigated. Abnormal motion patterns in brain tissue and CSF were demonstrated in patients with intracranial tumours, and navigator echoes were shown to reduce motion artifacts in phase images. Intravoxel phase dispersion, caused by a spatial distribution of brain-tissue velocities, was shown to act as a source of uncertainty in gradient-sensitised MR imaging of intravoxel incoherent motion (IVIM). The diffusion coefficient was considerably overestimated if measured during inappropriate periods in the cardiac cycle, a finding which may also prove important in IVIM-encoded echo-planar imaging (EPI). Using IVIM-sensitive EPI, the perfusion fraction in patients with acute ischaemic stroke was shown to be considerably smaller in the infarct region than in normal tissue in the contralateral hemisphere. In a deuterium MR spectroscopy study, the D2O washout in animals, after intratissue injection, displayed a pronounced injection-volume dependence as well as a non-physiological component of signal decay. The reproducibility was reasonable in subcutaneous tissue, but rather poor in heterogeneous tumours. In a dynamic susceptibility-contrast MR imaging study, the first passage of an exogenous tracer (Gd-DTPA- BMA) was monitored in the normal human brain, and reasonable regional cerebral blood volume (rCBV) values were observed. The rCBV and the perfusion fraction in white matter showed a promising tendency to correlate. Finally, functional MR imaging (fMRI) studies of cortical activation were initiated in a typical clinical environment, and it was verified that cortical activation is observable both at 1.0 T and 1.5 T. Investigations of the field-strength dependence might, to some extent, provide information on the origin of the fMRI contrast in gradient-echo imaging.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna doktorsavhandling i radiofysik (medicinsk strålningsfysik) behandlar metodutveckling för kvantifiering av intrakraniella rörelser samt för bestämning av blodflöde och blodvolym i olika vävnader. De tekniker som använts är bildgivande respektive spektroskopiska kärnspinnresonansmetoder (NMR-metoder). I klinisk miljö (diagnostisk radiologi) benämns den bildgivande utrustningen ofta MR-enhet eller magnetkamera. MR-bilder för diagnostiskt bruk avbildar vävnaders morfologi (form och struktur) med utmärkt mjukvävnadskontrast, men tekniken har också potential att ge värdefull information om organs funktion och fysiologi. En del av MR-teknikens funktionella tillämpningar finns i dagsläget i klinisk rutin, men många av dem är inte fullt utvecklade. I avhandlingens första delarbeten beskrivs intrakraniella pulserande rörelser (hjärnvävnadsrörelser, cerebrospinalvätskecirkulation) i friska individer, och exempel på onormala rörelsemönster i patienter med hjärntumörer påvisas. Resultaten ger ökad förståelse för hur cirkulationen av cerebrospinalvätska drivs, liksom för uppkomsten och utvecklingen av hydrocephalus. I normala individer beskriver de centrala delarna av hjärnan en pulserande rörelse i takt med hjärtslagen; maximala hastigheten är någon eller några millimeter per sekund, och maximala förflyttningen av hjärnvävnad under en hjärtcykel är någon tiondels millimeter. Förekomsten av hjärnvävnadsrörelser kan allvarligt störa vissa mätningar av mikroskopiska rörelser (diffusion och kapillära blodflöden), och denna felkälla har utvärderats i ett av avhandlingens delarbeten. MR-baserade mätningar av vattenmolekylers diffusion (termiska rörelser) är väletablerade, och har under senare år fått betydelse vid diagnostisering och karakterisering av infarkter i hjärnan vid stroke. Visualiseringen av infarktområdet bygger på att vattenmolekylernas rörlighet i denna region minskar kraftigt i sjukdomens akuta skede. Diffusionsmätningar kan också ge viss information om kapillärsystemets funktion, d.v.s. om blodflödet, och i en studie av patienter med akut ischemisk stroke observerades en tydligt lägre diffusionskoefficient i infarktområdet jämfört med normal vävnad, men också en minskad blodvolym (perfusionsfraktion). I avhandlingen redovisas även blodflödesmätningar som baseras på injektion av ett spårämne (tracer) eller ett kontrastmedel, varefter spårämnets koncentration som funktion av tiden detekteras med bildgivande eller spektroskopisk MR-utrustning. Via monitering av kontrastmedlets transport med blodet kan information om blodflöde eller blodvolym erhållas. Ett kontrastmedel för MR, som används rutinmässigt i normal diagnostik, kan utnyttjas även för mätning av regional cerebral blodvolym (rCBV) och regionalt cerebralt blodflöde (rCBF). Man följer då kontrastmedlets första-passage genom hjärnan via en serie snabba MR-bildtagningar (1 bild per sekund under ca 1.5 minut). Kontrastmedlet påverkar bildintensiteten under passagen genom vävnaden, och bilden påverkas mer i regioner med god blodförsörjning (eftersom mer kontrastmedel når dessa regioner), och mindre i regioner med dålig blodförsörjning. Utifrån denna regionalt varierande bildintensitetspåverkan kan blodvolym och blodflöde beräknas. Slutligen beskrivs initiala resultat av en MR-metod som kan visualisera hur olika hjärncentra aktiveras i samband med yttre påverkan eller medvetna handlingar. Syncentrum kan t.ex. avbildas vid visuell stimulering (ljus riktas mot försökspersonens ögon) och rörelsecentrum kan visualiseras när personen utför en bestämd rörelse med någon kroppsdel. Effekten bygger på att syresatt och icke-syresatt blod har olika magnetiska egenskaper, och vid stimulering transporteras syresatt blod i överskott till den aktiverade regionen, varvid MR-bildens intensitet ökas i det aktiverade området. Metoden kan t.ex. utnyttjas för att ge information om vitala funktioners lokalisation i hjärnan, så att dessa områden kan bevaras intakta i samband med kirurgiska ingrepp. Tekniken har bl.a. använts för lokalisation av rörelsecentrum före operation av hjärntumör. En fascinerande observation som gjorts är att även resultatet av ren tankeverksamhet kan observeras i MR-bilden. Om en person exempelvis ligger helt stilla, men tänker på att handens fingrar rörs, så aktiveras rörelsecentrum och detta område kan identifieras i MR-bilden - trots att ingen verklig rörelse eller yttre påverkan förekommer. Vill man uttrycka sig lite spektakulärt kan man säga att en bild av tankeverksamheten har skapats.

• author: Wirestam, Ronnie
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Nordell, Bo, Avdelningen för Sjukhusfysik, Karolinska Sjukhuset, 171 76 Stockholm
• organization: Medical Radiation Physics, Lund
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: diagnostic radiology, cortical activation, diffusion, tumor, tumour, ischemic stroke, ischaemic stroke, tracer kinetics, bolus tracking, phase mapping, brain motion, intracranial dynamics, blood flow, haemodynamics, vascularity, MRS, perfusion, MRI, magnetic resonance, Clinical physics, radiology, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 78 pages
• defense location: Föreläsningssal F1, Centralblocket, Lunds Universitetssjukhus, Lund
• defense date: 1997-04-10 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNFD6/(NFRA-1034)/1-78/1997; LUMEDW/(MERI-1034)/1-78/1997
• ISBN: 91-628-2435-X
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b52715bc-683e-4a83-8509-e7570fbe859f (old id 29089)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:02:13
• date last changed: 2018-11-21 21:08:38