Advanced

Real-time imaging of cerebrospinal fluid flow physiology at 7T

Haglund, Olle (2019) MSFT01 20191
Medical Physics Programme
Abstract
Background The cerebrospinal fluid (CSF) is involved in several diseases and patho- physiological states, such as Alzheimer’s disease and hydrocephalus. Previous studies CSF dynamics in the brain show that the flow of the CSF depends on cardiac pulsation, time of day and respiration.

Methods In this thesis, the validity of using real time phase contrast MRI in order to study CSF flow is evaluated in a phantom experiment. Furthermore, the same sequence is used in vivo in healthy volunteers (n = 7) to study CSF flow behaviour under differ- ent respiratory conditions. For the phantom experiment, fluid flow with two frequencies corresponding to cardiac pulsations and respiration was produced in tubes submerged in water. A comparison of the... (More)
Background The cerebrospinal fluid (CSF) is involved in several diseases and patho- physiological states, such as Alzheimer’s disease and hydrocephalus. Previous studies CSF dynamics in the brain show that the flow of the CSF depends on cardiac pulsation, time of day and respiration.

Methods In this thesis, the validity of using real time phase contrast MRI in order to study CSF flow is evaluated in a phantom experiment. Furthermore, the same sequence is used in vivo in healthy volunteers (n = 7) to study CSF flow behaviour under differ- ent respiratory conditions. For the phantom experiment, fluid flow with two frequencies corresponding to cardiac pulsations and respiration was produced in tubes submerged in water. A comparison of the two frequency components between a real-time phase contrast protocol and a gated reference protocol was made. For the in vivo study, correlation be- tween respiratory behaviour during exercises and CSF flow was evaluated. Net volumes were acquired and CSF flow deceleration in breath hold intervals was studied.

Results The frequency component comparison in the phantom study showed that high frequency amplitudes were underestimated in the real time protocol. Furthermore, it was shown that exploiting temporal sparsity allowed for a significantly better frequency ampli- tude estimation than ignoring temporal sparsity, as in conjugate gradient. For the in vivo study, there was a clear correlation between CSF flow curves and respira- tory curves, measured with respiratory bellows, with a mean R2 0.5 for the deep breath- ing exercise. The mean volume transported per breath for the deep breathing exercise was 1.6 ml (upward flow) for inspirations and 3.0 ml (downward flow) for expirations. A de- celeration of the CSF flow of 0.005 mls−2 was found for breath holding exercises.

Conclusion This method is a viable option for studying CSF flow in real-time in phan- tom measurements and could be further developed to be a means of studying CSF flow in vivo in the future. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Ryggmärgsvätskan, eller cerebrospinalvätskan, är en klar, plasmaliknande vätska som fyller ventriklarna (hålrum i hjärnan) och rummen innanför kraniet och ryggraden.
Ryggmärgsvätskan hjälper till att upprätthålla immunförsvaret och balansen av viktiga ämnen. Det agerar även som transportsystem för slaggprodukter ut ur det centrala nervsystemet för lösa ämnen som inte kan passera genom blod-hjärnbarriären. Vidare håller ryggmärgsvätskan hjärnan flytande, vilket reducerar dess vikt med 97 % och dess förflyttning agerar som mekaniskt skydd vilket reducerar effekterna av slag och stötar. Störningar i ryggmärgsvätskesystemet är involverat i flera sjukdomar som Alzheimer’s, hydrocephalus och medfödda missbildningar i hjärnan. Utöver det är... (More)
Ryggmärgsvätskan, eller cerebrospinalvätskan, är en klar, plasmaliknande vätska som fyller ventriklarna (hålrum i hjärnan) och rummen innanför kraniet och ryggraden.
Ryggmärgsvätskan hjälper till att upprätthålla immunförsvaret och balansen av viktiga ämnen. Det agerar även som transportsystem för slaggprodukter ut ur det centrala nervsystemet för lösa ämnen som inte kan passera genom blod-hjärnbarriären. Vidare håller ryggmärgsvätskan hjärnan flytande, vilket reducerar dess vikt med 97 % och dess förflyttning agerar som mekaniskt skydd vilket reducerar effekterna av slag och stötar. Störningar i ryggmärgsvätskesystemet är involverat i flera sjukdomar som Alzheimer’s, hydrocephalus och medfödda missbildningar i hjärnan. Utöver det är produktionen av ryggmärgsvätskan och dess flöde reducerat vid högre ålder. Förminskat flöde hos ryggmärgsvätskan kan även spela en viktig roll i inflammationer och problem med kärlen i hjärnan.
Ryggmärgsvätskans flöde är naturligt pulserande, vilket påvisades på 60och 70-talet med invasiva ingrepp, och bekräftades med magnetresonansbildtagning (MR) på 80-talet. Med dessa tekniker går det endast att se hjärtats påverkan på flödet. Med hjälp av detta har man sett att ryggmärgsvätskans flöde beror på tid på dygnet och andning, utöver dess beroende på puls. Nya metoder gör det möjligt att studera flöden med hjälp av MR i realtid. Med hjälp av detta är det möjligt att studera förändringar i ryggmärgsvätskans flöde till följd av andning och det går även att studera enskilda andetag.

Den här studien består av två delar. Den ena delen utvärderar denna realtidsteknik genom att jämföra den med äldre tekniker i en så kallad fantomstudie. I fantomstudien har en uppställning konstruerats för att efterlikna mätning på människor. Den andra delen använder sig av realtidstekniken för att studera andningens påverkan på ryggmärgsvätskans flöde, genom att studera dess förändringar hos volontärer som utför olika andningsövningar medan realtidssekvensen är aktiv.
Efter utförandet av fantomstudien visade det sig att realtidstekniken visar liknande resultat som den gamla tekniken för låga frekvenser (som andning), men att den underskattar styrkan hos signalen från höga frekvenser (som hjärtslag). Eftersom realtidstekniken, till skillnad från den gamla tekniken, kan användas för att studera enskilda andetag och utvärdera beteendet vid oregelbunden andning och samtidigt visar liknande resultat som tidigare tekniker för låga frekvenser är realtidstekniken ett dugligt alternativ för att studera detta.
Efter utförandet av studien på människor gick det att klargöra att det finns en koppling mellan andning och förändring i ryggmärgsvätskans flöde. Det visade sig att djupandningsövningar visar starkast koppling, medan en mindre koppling syns i friandningsövningar och instruerad andning. För djupandningsövningarna upptäcktes att snittvolymen av ryggmärgsvätskan som transporteras genom akvedukten upp mot resten av hjärnan vid inandningar är mindre än den som transporteras ned mot fötterna vid utandningar. Således transporteras en nettovolym av ryggmärgsvätska ned mot fötterna i ett komplett andetag. Övningarna visade liknande resultat vid upprepade mätningar.
Utöver regelbundna andingsövningar studerades även övningar där volontärerna ombads hålla andan, både på inandning och utandning. Här upptäcktes ett avtagande i hastigheten hos ryggmärgsvätskan. Detta upptäcktes för både inandning och utandning och de var i samma storleksordning.
Den här typen av teknik kan fortsatt vara ett möjligt alternativ för att studera och diagnosticera sjukdomar där ryggmärgsvätskans flöde är involverat i framtiden (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Haglund, Olle
supervisor
organization
course
MSFT01 20191
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8999110
date added to LUP
2020-01-07 09:33:42
date last changed
2020-01-07 09:33:42
@misc{8999110,
  abstract     = {Background The cerebrospinal fluid (CSF) is involved in several diseases and patho- physiological states, such as Alzheimer’s disease and hydrocephalus. Previous studies CSF dynamics in the brain show that the flow of the CSF depends on cardiac pulsation, time of day and respiration.

Methods In this thesis, the validity of using real time phase contrast MRI in order to study CSF flow is evaluated in a phantom experiment. Furthermore, the same sequence is used in vivo in healthy volunteers (n = 7) to study CSF flow behaviour under differ- ent respiratory conditions. For the phantom experiment, fluid flow with two frequencies corresponding to cardiac pulsations and respiration was produced in tubes submerged in water. A comparison of the two frequency components between a real-time phase contrast protocol and a gated reference protocol was made. For the in vivo study, correlation be- tween respiratory behaviour during exercises and CSF flow was evaluated. Net volumes were acquired and CSF flow deceleration in breath hold intervals was studied.

Results The frequency component comparison in the phantom study showed that high frequency amplitudes were underestimated in the real time protocol. Furthermore, it was shown that exploiting temporal sparsity allowed for a significantly better frequency ampli- tude estimation than ignoring temporal sparsity, as in conjugate gradient. For the in vivo study, there was a clear correlation between CSF flow curves and respira- tory curves, measured with respiratory bellows, with a mean R2 0.5 for the deep breath- ing exercise. The mean volume transported per breath for the deep breathing exercise was 1.6 ml (upward flow) for inspirations and 3.0 ml (downward flow) for expirations. A de- celeration of the CSF flow of 0.005 mls−2 was found for breath holding exercises.

Conclusion This method is a viable option for studying CSF flow in real-time in phan- tom measurements and could be further developed to be a means of studying CSF flow in vivo in the future.},
  author       = {Haglund, Olle},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Real-time imaging of cerebrospinal fluid flow physiology at 7T},
  year         = {2019},
}