Authors:	Morbach, Andreas Emmerich
Title:	Diffusionsgewichtete Helium-3 Magnetresonanztomographie zur Untersuchung der Lunge
Online publication date:	29-Nov-2006
Year of first publication:	2006
Language:	german
Abstract:	Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) mit dem hyperpolarisierten Edelgas-Isotop 3He ist ein neues Verfahren zur Untersuchung von Erkrankungen der Atem-wege und der Lunge. Die Diffusionsbewegung der 3He-Atome in den Luftwegen der Lunge wird durch deren Wände begrenzt, wobei diese Einschränkung sowohl von den Dimensionen der Atemwege als auch von den Messparametern abhängt. Man misst daher einen scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Apparent Diffusion Coefficient, ADC) der kleiner ist als der Diffusionskoeffizient bei freier Diffusion. Der ADC gestattet somit eine qualitative Abschät-zung der Größe der Luftwege und deren krankhafte Veränderung, ohne eine direkte Abbil-dung der Luftwege selbst. Eine dreidimensionale Abbildung der räumlichen Verteilung von Lungenschädigungen wird dadurch möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes physikalisch fundiertes Verständnis der 3He-Diffusionsmessung zu ermöglichen und die Methode der diffusionsgewichteten 3He-MRT hin zur Erfassung des kompletten 3He-Diffusionstensors weiterzuentwickeln. Dazu wurde systematisch im Rahmen von Phantom- und tierexperimentellen Studien sowie Patientenmes-sungen untersucht, inwieweit unterschiedliche Einflussfaktoren das Ergebnis der ADC-Messung beeinflussen. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass residuale Luftströmungen am Ende der Einatmung keinen Einfluss auf den ADC-Wert haben. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, in welchem Maße sich die durch den Anregungspuls hervorgerufene Abnah-me der Polarisation des 3He-Gases auf den gemessenen ADC-Wert auswirkt. In einer Studie an lungengesunden Probanden und Patienten konnte die Wiederholbarkeit der ADC-Messung untersucht werden, aber auch der Einfluss von Gravitationseffekten. Diese Ergebnisse ermöglichen genauere Angaben über systematische und statistische Messfehler, sowie über Grenzwerte zwischen normalem und krankhaft verändertem Lungengewebe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestehende diffusionsgewichtete Bildgebung methodisch zur Erfassung des kompletten Diffusionstensors von 3He in der Lunge weiterentwickelt. Dies war wichtig, da entlang der Luftwege weitestgehend freie Diffusion vorherrscht, während senkrecht zu den Luftwegen die Diffusion eingeschränkt ist. Mit Hilfe von Simulationsrech-nungen wurde der kritische Einfluss von Rauschen in den MRT-Bildern auf die Qualität der Messergebnisse untersucht. Diese neue Methodik wurde zunächst an einem Phantom beste-hend aus einem Bündel aus Glaskapillaren, deren innerer Durchmesser mit dem des mensch-lichen Azinus übereinstimmt, validiert. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen. In ersten Messungen am Menschen konnten so unterschiedliche Anisotropiewerte zwischen lungengesunden Proban-den und Patienten gefunden werden. Es zeigte sich eine Tendenz zu isotroper Diffusion bei Patienten mit einem Lungenemphysem. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu einem besseren Ver-ständnis der ADC-Messmethode bei und helfen zukünftige Studien aufgrund des tieferen Verständnisses der die 3He Messung beeinflussenden Faktoren besser zu planen. Diffusion weighted magnetic resonance imaging (MRI) with the hyperpolarized noble gas isotope 3He is a new method to study diseases of the airways and of the lung. Diffusive motion of the 3He atoms in the pulmonary airways is restricted by their walls, whereas this restriction depends both on the dimensions as well as on the parameters of the MRI measurement. Therefore, an apparent diffusion coefficient (ADC) is conventionally used to describe the results in patients. The ADC is smaller than the free diffusion coefficient for 3He. The ADC allows for a qualitative estimation of the dimension of airways and the alteration of their diameter in case of airway or lung disease without a direct depiction of the airways. Thus, a three dimensional visualization of lung diseases is feasible. nIt was the aim of this work to obtain a deeper and physically based understanding of the 3He diffusion measurement and to further develop the method of the diffusion weighted 3He MRI. Therefore, different factors that might influence the ADC measurement have been examined systematically by means of phantom- and animal studies as well as measurements on human subjects. We found that residual gas flow at the end of inspiration does not influence the ADC values. By means of simulated calculations it was demonstrated that the influence of 3He depolarization introduced by radiofrequency excitation pulses of the MRI measurement is negligible. In a clinical trial on lung-healthy volunteers and patients the repeatability of the ADC measurement was examined. Furthermore, the influence of gravitation on the size of the airways and, thus, on the ADC values could be demonstrated. These measurements make possible more precise specifications of systematical and statistical measurement errors and thresholds between normal and pathologically altered lung tissue. With the first measurement of the complete diffusion tensor of 3He in the lung the MRI of lung disease was significantly further developed. This improvement is important because diffusion is expected to be anisotropic in the lung. Free diffusion is expected to occur along the airways whereas the diffusion perpendicular to the airways is restricted. By means of mathematical simulations the critical influence of noise in MRI diffusion data has been studied and compared with results obtained in-vivo. This new method has been validated on a phantom consisting of a bundle of glass capillaries with inner diameters equal to that of the human acinus. The experimental results were in good agreement with theoretical calculations. First measurements on human subjects showed different 3He anisotropy in lung-healthy volunteers and patients. A tendency towards a more isotropic diffusion in patients with emphysema of the lung was found. In conclusion the results of this work contribute to a better understanding of the ADC measurement method and help to improve future patient studies by the deeper understanding of influencing factors on the 3He diffusion measurements.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4174
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-11866
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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