Quantitative 7 Tesla sodium (23Na) brain magnetic resonance imaging: dynamics of spin-3/2 nuclei and their implications for clinical research studies

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2023
Authors
Wilferth, Tobias
Editor
Abstract

The aim of this work was to improve the accuracy and repeatability of quantitative 23Na brain MRI at a field strength of 7 Tesla by addressing several challenges and investigating influences that result from the physical properties of the spin-3/2 23Na nuclei.

First, a dedicated measurement setup with corresponding post-processing workflow including correction for the inhomogeneous receive sensitivity radiofrequency coil profile, partial volume effects and relaxation bias was implemented and evaluated. The proposed post-processing workflow for quantification of apparent tissue sodium concentration (aTSC) in the brain using 23Na MRI presented a high repeatability with coefficients of variation averaged over all examined subjects of 1.9% ± 0.9% for normal appearing white matter (NAWM) and 2.2% ± 1.6% for normal appearing gray matter (NAGM).

Subsequently, the established 23Na MRI approach was used to investigate the influence of residual quadrupolar interaction, which originates from the interaction of the spin-3/2-specific quadrupolar moment of the 23Na nuclei with electric field gradients of the molecular environment, on the determination of aTSC values in the brain. 23Na MRI measurements were performed on healthy volunteers and patients with multiple sclerosis (MS) using two different pulse sequences for aTSC determination: a commonly used standard sequence consisting of a 90° excitation pulse (aTSC_Std) as well as a sequence with a very short 35° excitation pulse expected to minimize signal loss resulting from residual quadrupolar interactions (aTSC_SP). Additionally, simulations of the spin dynamics of spin-3/2 nuclei were conducted to aid in the understanding of the 23Na MRI measurement results by revealing the underlying physical mechanisms. The aTSC_SP values were approximately 20% higher in NAWM, between 5% and 12% higher in MS lesions and only less than 4% higher in NAGM compared to the aTSC_Std values. In NAWM, aTSC_Std values were significantly higher in primary progressive MS compared to healthy controls (p = 0.01) as well as to relapsing-remitting MS (p = 0.03). In contrast, no significant differences between the subject cohorts were found for aTSC_SP. Assuming the occurrence of residual quadrupolar interactions following a Gaussian distribution with zero mean and a standard deviation of 625 Hz in NAWM, the spin simulations provided ratios aTSC_SP/aTSC_Std of 1.21 ± 0.03 in NAWM and 1.03 ± 0.03 in NAGM, which were in very good accordance with the 23Na MRI measurement results. Consequently, residual quadrupolar interactions show a great influence on aTSC quantification, especially in white matter regions of the human brain and are therefore highly relevant, particularly in pathologies with expected micro-structural changes such as loss of myelin in MS.

Finally, a pulse sequence for interleaved 23Na/1H MRI measurements was implemented and the feasibility of retrospective 23Na MRI motion correction based on interleaved acquired 1H 3D navigator image data sets was evaluated. The approach demonstrated a high motion-correction capability by improving the image quality for all investigated kinds of motion. The standard deviation of the differences between two consecutive scans ranged between 2.30% and 6.96% without motion correction and between 2.13% and 2.67% with motion correction. The clearly improved consistency between the consecutive scans successfully demonstrated the feasibility of motion correction for the implemented approach.

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der quantitativen 23Na Magnetresonanztomographie (MRT) des Gehirns bei einer Feldstärke von 7 Tesla zu verbessern, indem verschiedene Herausforderungen angegangen und Einflüsse untersucht wurden, welche sich aus den physikalischen Eigenschaften der Spin-3/2-Kerne ergeben.

Zunächst wurde ein geeigneter Messaufbau mit speziell abgestimmter Bild-Nachbearbeitung zur Korrektur des inhomogenen Spulenprofils, von Partialvolumeneffekten sowie von unterschiedlichen Relaxationszeiten implementiert und evaluiert. Die Quantifizierung der scheinbaren Gewebe-Natriumkonzentration (aTSC) mittels 23Na MRT unter Verwendung der entwickelten Bild-Nachbearbeitung zeigte eine hohe Reproduzierbarkeit mit über alle untersuchten Probanden gemittelten Variationskoeffizienten von 1,9% ± 0,9% für normal erscheinende weiße Substanz (NAWM) und 2,2% ± 1,6% für normal erscheinende graue Substanz (NAGM).

Anschließend wurden der entwickelte 23Na MRT-Messaufbau und die zugehörige Bild-Nachbearbeitung verwendet, um den Einfluss der resultierenden Quadrupolwechselwirkung, welche aus der Interaktion des Quadrupolmoments der Spin-3/2-Kerne mit den elektrischen Feldgradienten der molekularen Umgebung resultiert, auf die aTSC-Bestimmung im Gehirn zu untersuchen. Hierfür wurden 23Na MRT-Messungen sowohl bei gesunden Kontrollen als auch bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS) durchgeführt. Zur Bestimmung der aTSC-Werte wurden dabei eine häufig verwendete Standardsequenz bestehend aus einem gewöhnlichen 90°-Anregungspuls (aTSC_Std) sowie eine Sequenz mit einem sehr kurzen 35°-Anregungspuls, welcher den Signalverlust aufgrund von resultierender Quadrupolwechselwirkungen minimieren sollte (aTSC_SP), verwendet. Um die zugrundeliegenden physikalischen Effekte und damit auch die 23Na MRT-Messergebnisse besser verstehen und einordnen zu können, wurden zusätzlich Spindynamik-Simulationen von Spin-3/2-Kernen durchgeführt. Verglichen mit den aTSC_Std-Werten waren die aTSC_SP-Werte in NAWM um etwa 20%, in MS-Läsionen um 5% bis 12% und in NAGM nur um weniger als 4% erhöht. In NAWM waren die aTSC_Std-Werte bei primär progredienter MS signifikant höher als bei gesunden Kontrollen (p = 0,01) und schubförmiger MS (p = 0,03). Im Gegensatz dazu wurden für aTSC_SP keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Gruppen gefunden. Unter der Annahme von gaußverteilten resultierenden Quadrupolwechselwirkungen mit Mittelwert 0 und Standardabweichung 625 Hz in NAWM stimmten die simulierten Verhältnisse aTSC_SP/aTSC_Std von 1,21 ± 0,03 in NAWM und 1,03 ± 0,03 in NAGM sehr gut mit den mittels 23Na MRT gemessenen Werten überein. Resultierende Quadrupolwechselwirkungen haben also großen Einfluss auf die aTSC-Quantifizierung, insbesondere in der weißen Substanz, und müssen daher bei der Untersuchung von Pathologien mit erwartbaren mikrostrukturellen Veränderungen, wie beispielsweise dem Myelinabbau bei MS, berücksichtigt werden.

Schließlich wurde noch eine Pulssequenz zur verschachtelten Aufnahme von 23Na und 1H MRT Daten implementiert und die Machbarkeit einer retrospektiven Bewegungskorrektur für 23Na MRT basierend auf 1H-3D-Navigatordatensätzen gezeigt. Die entwickelte Bewegungskorrektur verbesserte sowohl die Bildqualität bei allen untersuchten Arten von Bewegungen als auch die Übereinstimmung zweier in aufeinanderfolgenden Scans aufgenommener Bilder bei allen untersuchten Probanden. Die Standardabweichung der Differenz der Signalintensitäten lag zwischen 2,30% und 6,96% für die unkorrigierten Bilder und zwischen 2,13% und 2,67% für die korrigierten Bilder. Die Machbarkeit der implementierten Bewegungskorrektur wurde damit erfolgreich nachgewiesen.

DOI
URN
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