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Hintergrund und Ziele Die Magnetresonanz-Bildgebung (MRT) wird wegen ihres guten Weichgewebe-Kontrasts für viele klinische Fragestellungen eingesetzt. Von besonderem Interesse ist die Darstellung von Karzinomen zur Diagnose und Behandlungsplanung. Brustkrebs ist dabei als häufigster Krebs bei Frauen ein oft vorkommender Anwendungsfall. Die diffusionsgewichtete MR-Bildgebung (DWI) ist eine Technik, mit der ein hoher Kontrast zwischen gesundem Gewebe und Karzinomherden erzeugt werden kann. Aus der DWI können neben den Bildkontrasten auch quantitative Gewebeparameter bestimmt werden. Dazu zählen unter anderem der scheinbare Diffusionskoeffizient (ADC), die Kurtosis (K) und der Kurtosis-korrigierte Diffusionskoeffizient (DK). Diese Parameter können verwendet werden, um die Mikrostruktur von Tumoren zu untersuchen, und sie zu klassifizieren. Für fortgeschrittene DWI-Methoden werden hohe Gradientenfeldstärken benötigt. Zu diesem Zweck ist eine lokale Brust-Gradientenspule in Planung, die neue Einblicke in die Gewebe-Mikrostruktur ermöglichen soll. In dieser Arbeit wird der Einfluss der freien Atmung auf DWI-Bilder quantifiziert. Des Weiteren wird eine Patientenstudie ausgewertet, um den diagnostischen Wert von der Diffusionsparameter ADC, DK und Kurtosis zur Klassiffizierung von Tumoren zu untersuchen. Als letztes werden die technischen Implikationen von hohen Gradientenstärken untersucht. Dazu wird das Design der geplanten Brust-Gradientenspule verwendet. Bei bestimmten Anwendungen treten unerwünschte Begleitfelder auf, die DWI-Messungen stören. Eine Kompensationsmethode für diese Begleitfelder wird vorschlagen und ihre Wirksamkeit an einem klinischen MRT-Gerät demonstriert. Methoden Um den Einfluss der Atmung auf die diffusionsgewichtete MR-Mammographie zu analysieren wurden 11 gesunde Probandinnen an einem 3T-MRT-Gerät mit einer Brustspule untersucht. ADC-Karten wurden aus DWI-Aufnahmen mit b = 50 und 800 s/mm² berechnet. Um den Einfluss der freien Atmung zu untersuchen, wurden die Aufnahmen mit solchen verglichen, bei denen die Probandinnen die Luft in der Exspirations-Phase anhielten. Die Bildschärfe der ADC-Karten wurde mit dem Blanchet- Schärfemaß und der Gesamtvariation quantifiziert. 6 Kurzzusammenfassung In der Patientenstudie zur Klassifizierung von Brust-Läsionen wurden 382 Patientinnen untersucht, von denen 84 die Einschlusskriterien erfüllten. Für eine ergänzende Studie wurden weitere sieben Patientinnen und eine Probandin untersucht. Die Messungen wurden an einem 3T-MRT-Gerät mit einer Brustspule durchgeführt. Als Goldstandard für maligne Läsionen wurde der histopathologische Befund herangezogen. Benigne Läsionen wurden in Zusammenschau mit klinischen Angaben, Sonographie und Folge- Untersuchungen im Rahmen der regulären Befundung von Radiologen klassifiziert. Aus den b-Werten 50, 750 und 1500 s/mm² wurden ADC, DK und K berechnet. Der diagnostische Wert dieser Parameter wurde mit ROC-Analysen untersucht. Ergänzend wurde der Einfluss der verwendeten b-Werte auf den Nutzen der Parameter untersucht, indem eine zweite Patientenkohorte mit 10 verschieden b-Werten bis zu 2500 s/mm² untersucht wurde. Die Ergebnisse wurden mit Simulationen unterstützt. Mit Berechnungen, Simulationen und Phantommessungen wurde der Einfluss von hohen Gradientenstärken auf die DWI untersucht. Für die Berechnungen und Simulationen wurden die Gradientenfeldstärken der geplanten Brust-Gradientenspule zugrunde gelegt. Dabei wurde die Notwendigkeit von hohen Gradienten-Anstiegsraten untersucht, um mit starken Gradientenfeldern DWI-Messungen durchführen zu können. Die aus hohen Gradienten-Anstiegsraten resultierenden Änderungsraten des Magnetfelds wurden in der Herz- und Brustregion berechnet und mit Sicherheits-Grenzwerten für Nervenstimulation verglichen. Als letztes wurde eine Kompensationsmethode für Begleitfelder vorgeschlagen und in Simulationen und Phantommessungen getestet. Die Phantommessungen wurden an einem klinischen 1,5 T-MRT-Gerät durchgeführt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Bildschärfe von ADC-Karten, die bei freier Atmung aufgenommen wurden, lag signifikant unter der von Messungen bei angehaltenem Atem. Die beobachteten Fluktuationen des Magnetfelds konnten durch Frequenzanalysen auf die Atmung zurückgeführt werden. Die Auswertung der Parameter ADC, DK und K in Brust-Läsionen ergab, dass zur Unterscheidung von malignen und benignen Läsionen der weniger komplexe ADC-Wert genauso gut geeignet ist, wie die Kurtosis und der kurtosis-korrigierter Diffusionskoeffizient. Die AUC-Werte der Parameter lagen bei AUC(ADC) = 0,92, AUC(DK) = 0,91 und AUC(K) = 0,89. Auch bei der Unterscheidung von soliden benignen Tumoren von Karzinomen, und bei der Differenzierung von invasiv duktalen und invasiv lobulären Karzinomen waren DK und K diagnostisch nicht signifikant besser als der einfacher zu erhaltene ADC. In einem erweiterten Protokoll mit mehr b-Werten ergaben sich andere Kurtosis- und DK-Werte, allerdings nicht für Läsionen, deren Klassifizierung kritisch war. Beim Einsatz hoher Gradientenstärken bis G = 1 T/m müssen hohe Gradienten- Anstiegsraten von bis zu 1000 T/(m*s) verwendet werden, die bisher verwendete Anstiegsraten übersteigen. Die resultierenden Magnetfeld-Änderungsraten, die sich in einer lokalen Brust-Gradientenspule ergaben, stellten in einem Volumen im Herzen und in der Brust kein Risiko für Nervenstimulationen dar. Sie lagen mindestens 10% unter den Sicherheits-Grenzwerten. Phantommessungen zeigten, dass Begleitfelder bereits bei klinischen Gradientenfeldstärken Dephasierungen und Signalverluste verursachen können. Die vorgeschlagene Kompensationsmethode minderte in allen Fällen die Signalverluste und Dephasierungen durch Begleitfelder. Für einige Konfigurationen wurden die Begleitfeld-Effekte komplett kompensiert. Simulationen legten nahe, dass die Methode für weitere Anwendungen eingesetzt werden kann. Schlussfolgerungen Die in der Klinik übliche Praxis, ADC-Messungen bei Patientinnen unter freier Atmung durchzuführen, erweist sich als anfällig für Unschärfe in der ADC-Karte. Durch Anhalten des Atems können diese Effekte reduziert werden. Weitere Methoden für schärfere ADC-Karten, die für Patientinnen tragbarer sind, wären beispielsweise Aufnahmen mit einem Brustgurt, der die Atembewegung aufzeichnet, und die Verwendung höherer Bandbreiten und paralleler Bildgebungstechniken. Die Auswertung mehrerer Diffusionsparameter in Patientinnen hat gezeigt, dass bei einem kurzen Protokoll der ADC als diagnostisches Werkzeug ausreicht. Mit dem ADC ist eine gute Sensitivität und Spezifität für die Differenzierung von malignen und benignen L� asionen zu erreichen. Die Parameter K und DK bringen keinen weiteren Vorteil. Bei der Untersuchung der Implikationen hoher Gradientenfeldstärken wurde deutlich, dass hohe Gradienten- Anstiegsraten für die Umsetzung notwendig sind. Für Brust-Messungen ergeben sich in ersten Berechnungen keine Sicherheitsrisiken. Begleitfelder stören die Signalaufnahme bei bestimmten Aufnahmetechniken bereits bei klinischen Gradientenstärken. Mit der vorgestellten Methode lassen sich diese ohne zeitlichen Mehraufwand effektiv kompensieren. Besonders für Aufnahmetechniken mit sehr starken und unsymmetrischen Gradientenpulsen ist die Kompensation der Begleitfeld-Effekte unerlässlich. Mit der vorgeschlagenen Kompensationsmethode könnten sehr hohe Gradientenstärken in der Praxis verwendet werden, um die Gewebestruktur auf einer noch kleineren Größenskala zu untersuchen. Background and purpose Magnetic resonance imaging (MRI) is used for many clinical applications due to its good soft tissue contrast. Imaging of carcinomas is of particular interest for diagnosis and treatment planning. As breast cancer is the most common cancer in women, it is a common application. Diffusion-weighted MR imaging (DWI) is a technique used to create a high contrast between healthy tissue and malignant lesions. In addition to image contrast, DWI also yields quantitative tissue parameters. These include the apparent diffusion coefficient (ADC), the kurtosis (K) and the kurtosis-corrected diffusion coefficient (DK). DWI parameters can be used to study and classify tumor microstructure. Advanced DWI methods require high gradient field strengths. For this purpose, a local breast gradient coil is being designed to provide new insights into tissue microstructure. In this work, the impact of free breathing on DWI images is quantified. Furthermore, a patient study is evaluated to investigate the diagnostic value of the diffusion parameters ADC, DK, and K for the classification of tumors. Finally, the technical implications of high gradient strengths are investigated. The design of the planned breast gradient coil is used. In certain applications, undesirable concomitant fields occur that interfere with DWI measurements. A compensation method for concomitant fields is proposed and its feasibility is demonstrated on a clinical MRI device. Methods In order to investigate the impact of respiration on diffusion-weighted MR mammography, eleven healthy subjects were examined on a 3T MRI device with a breast coil. ADC maps were calculated from DWI images with b = 50 and 800 s/mm². To isolate the influence of free breathing, the images were compared to those in which the subjects held their breath in expiration. The image sharpness of the ADC maps was quantified by the Blanchet sharpness measure and the total variation. In the patient study, 382 patients were examined, 84 of whom met the inclusion criteria. A further seven patients and one volunteer were enrolled in a complementary study. The measurements were performed with a 3T MRI device with a breast coil. Histopathological findings were used as the gold standard for malignant lesions. Benign lesions were classified by radiologists in conjunction with clinical data, sonography and follow-up examinations as part of the regular radiological findings. ADC, DK and K were calculated from b values 50, 750 and 1500 s/mm². The diagnostic value of the diffusion parameters was examined with ROC analyses. In addition, the impact of the b value choice on the diagnostic value of the parameters was investigated by examining the second patient cohort with 10 different b values up to 2500 s/mm². The results were supported by simulations. The implications of high gradient strengths in DWI were investigated by calculations, simulations and phantom measurements. The calculations and simulations were based on the gradient field strengths of the planned chest gradient coil. The necessity of high gradient slew rates was investigated for DWI measurements with strong gradient fields. The magnetic field change rates resulting from high gradient slew rates were calculated in the heart and chest region and were compared to nerve stimulation safety limits. Finally, a compensation method for concomitant fields was implemented and tested in simulations and phantom measurements. The phantom measurements were performed on a clinical 1,5 T MRI device. Results The image sharpness of ADC maps that were acquired with free breathing was significantly lower than sharpness of ADC maps from breath hold measurements. The observed fluctuations of the magnetic field were be attributed to respiration by frequency analyses. The evaluation of ADC, DK and K in breast lesions showed that the simple ADC value is just as suitable for differentiating between malignant and benign lesions as the kurtosis K and the kurtosis-corrected diffusion coefficient DK. The AUC values of the parameters amounted to AUC(ADC) = 0,92, AUC(DK) = 0,91 and AUC(K) = 0,89. The same held true for differentiation of solid benign tumors from carcinomas, and for differentiation of invasive ductal and invasive lobular carcinomas: DK and K did not significantly improve the diagnostics. In an extended protocol with more b values, the kurtosis and DK values differed from those obtained with the original protocol, but not in lesions whose classification was critical. When using high gradient strengths up to G = 1 T/m, high gradient slew rates of up to 1000 T/(m*s) have to be used, which exceed previously used slew rates. The resulting magnetic field change rates that occur in a local breast gradient coil do not pose a risk for nerve stimulation in the heart and breast. The change rates are at least 10% below the safety limits. Phantom measurements showed that concomitant fields can cause dephasing and signal loss even at clinical gradient field strengths. The proposed compensation method mitigated signal loss and dephasing caused by concomitant fields in all cases. For some configurations, the accompanying field effects were completely compensated. Simulations indicated the applicability of the method to other diffusion imaging techniques. Conclusions The clinical practice of performing ADC measurements on patients under free breathing is prone to blurring of the ADC map. These effects can be mitigated by breath hold acquisition. Other possible remedies that are more comfortable for patients include acquisition with a respiration belt that tracks the breathing motion, larger bandwidths and parallel imaging techniques. The evaluation of several diffusion parameters in patients has shown that the ADC is sufficient as a diagnostic tool using a short protocol. The ADC provides good sensitivity and specificity for the differentiation of malignant and benign lesions. The parameters K and DK do not add value to the ADC's diagnostic performance. When investigating the implications of high gradient field strengths, it becomes clear that high gradient slew rates are necessary for their applicability. In initial calculations, no safety risks were identified for breast measurements with a local breast gradient coil. Concomitant fields were found to interfere with signal acquisition at clinical gradient strengths for particular acquisition techniques. With the method presented, the concomitant fields can be effectively compensated without the need for longer acquisition times. Especially for acquisition methods that employ very strong and asymmetrical gradient pulses, concomitant field compensation is crucial. With the proposed compensation method, high gradient strengths could be used in practice to examine tissue microstructure at even smaller scales. |
