Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Tissue Microvasculature and Microstructure in Selected Clinical Applications

Abstract

This thesis is based on four papers and aims to establish perfusion and diffusion measurements with magnetic resonance imaging (MRI) in selected clinical applications. While structural imaging provides invaluable geometric and anatomical information, new disease relevant information can be obtained from measures of physiological processes inferred from advanced modelling. This study is motivated by clinical questions pertaining to diagnosis and treatment effects in particular patient groups where inflammatory processes are involved in the disease.

Paper 1 investigates acquisition parameters in dynamic contrast enhanced (DCE)-MRI of the temporomandibular joint (TMJ) with possible involvement of juvenile idiopathic arthritis. High level elastic motion correction should be applied to DCE data from the TMJ, and the DCE data should be acquired with a sample rate of at least 4 s. Paper 2 investigates choices of arterial input functions (AIFs) in dynamic susceptibility contrast (DSC)-MRI in brain metastases. AIF shapes differed across patients. Relative cerebral blood volume estimates differentiated better between perfusion in white matter and grey matter when scan-specific AIFs were used than when patient-specific AIFs and population-based AIFs were used. Paper 3 investigates DSC-MRI perfusion parameters in relation to outcome after stereotactic radiosurgery (SRS) in brain metastases. Low perfusion prior to SRS may be related to unfavourable outcome. Paper 4 applies free water (FW) corrected diffusion MRI to characterise glioma. Fractional anisotropy maps of the tumour region were significantly impacted by FW correction. The estimated FW maps may also contribute to a better description of the tumour.

Although there are challenges related to post-processing of MRI data, it was shown that the advanced MRI methods applied can add to a more accurate description of the TMJ and of brain lesions.

Denne oppgaven er basert på fire artikler, og har som mål å etablere perfusjons- og diffusjonsmålinger med magnetisk resonansavbildning (MR) i utvalgte kliniske applikasjoner. Mens strukturell MR gir uvurderlig geometrisk og anatomisk informasjon, kan ny sykdomsrelevant informasjon hentes fra målinger av fysiologiske prosesser utledet fra avansert modellering. Denne studien er motivert av kliniske spørsmål vedrørende diagnostisering og behandlingseffekter i pasientgrupper der inflammatoriske prosesser er involvert i sykdommen.

Artikkel 1 utforsker akkvisisjonsparametere i dynamisk kontrastforsterket (DCE)-MR av temporomandibulære ledd, der kjeveleddene kan være påvirket av juvenil idiopatisk artritt. Elastisk bevegelseskorreksjon bør brukes på DCE-data fra kjeveleddene, og DCE-dataene bør innhentes med en samplingshastighet på minst 4 s. Artikkel 2 utforsker valg av arterielle innputtfunksjoner (AIF) i dynamisk susceptibilitets (DSC)-MR av hjernemetastaser. Formen på AIF-kurvene var ulik i ulike pasientener. Relative cerebrale blodvolumestimater differensierte bedre mellom perfusjon i hvit substans og grå substans når skannspesifikke AIF-er ble brukt, enn når pasientspesifikke AIF-er eller populasjonsbaserte AIF-er ble brukt. Artikkel 3 utforsker om perfusjonsparametere basert på DSC-MRI kan relateres til utfall etter stereotaktisk radiokirurgi (SRS) i hjernemetastaser. Lav perfusjon før SRS kan være relatert til ugunstige utfall. Artikkel 4 bruker frivannskorrigert (FW-korrigert) diffusjons-MR for å karakterisere gliom. Fraksjonelle anisotropi-kart av tumorregionen ble påvirket betydelig av FW-korrigeringen. De estimerte FW-kartene kan bidra til en bedre beskrivelse av gliomene.

Selv om det er utfordringer knyttet til etterbehandling av MR-data, viser oppgaven at de avanserte MR-metodene som ble anvendt, kan bidra til en mer nøyaktig beskrivelse av kjeveledd og hjernelesjoner.