Entwicklung und Anwendung der Mehrfrequenz-Magnetresonanzelastographie

Abstract

Magnetresonanzelastographie (MRE) bietet die Möglichkeit, über die Aufnahme mechanischer Scherwellen im Körper auf die mechanischen Eigenschaften lebender Gewebe zu schließen. Dabei werden in der klassischen MRE Wellen mittels Einkopplung externer Vibrationen einer einzelnen Frequenz angeregt. Wegen der starken Absorption der Vibrationsenergie in biologischen Geweben und der damit verbundenen Dispersion der Phasengeschwindigkeit sowie der Dämpfung der Wellen können mit dieser Methode nur frequenzabhängige Größen, jedoch keine Materialkonstanten bestimmt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt die synchrone Einkopplung und Aufnahme multipler Gewebeschwingungen, wodurch viskoelastische Gewebekenngrößen in einer zeitlich-zyklisierten MRE-Untersuchung erfasst werden können. Diese Technik wird in Phantomstudien, an Gewebeproben sowie am Menschen evaluiert. Mittels verschiedener rheologischer Modelle werden erstmalig die viskoelastischen Eigenschaften der Leber und des Gehirns in ihrem intakten, lebenden Umfeld bestimmt. Dabei zeigt sich die Überlegenheit eines zweiparametrischen Modells, mit dessen Hilfe die gewonnene, spektrale Information des komplexen Moduls des Gewebes in eine einzige diagnostisch-relevante Kenngröße zusammengefasst werden kann.

Magnetic resonance elastography (MRE) is capable of measuring the mechanical properties of living tissue by using externally introduced vibrations and phase contrast magnetic resonance imaging techniques. Until now, monofrequency shear wave excitation techniques have been used in conventional MRE. However, since biological tissue is highly dispersive due to its strong damping characteristics, the study of tissue rheology requires knowledge of wave propagation at multiple frequencies. The multifrequency-MRE method, which was engineered in this thesis, applies a superposition of multiple harmonics as the shear wave excitation signal. All vibrations are acquired simultaneously, which enables the determination of viscoelastic tissue parameters in one time-resolved MRE experiment. This technique is evaluated in studies on gel phantoms and excised tissue samples, as well as in human in-vivo studies. The viscoelastic properties of human brain and liver are determined in their in-vivo environment using several rheological models. A two-parameter fractional model demonstrates excellent stability and allows for combining the spectral information of the complex modulus acquired by multifrequency-MRE, which then results in a single viscoelastic parameter that is diagnostically relevant.