Osteoporose ist eine häufig vorkommende Erkrankung, welche durch den Verlust von Knochentrabekeln charakterisiert ist und zu einem erhöhten Knochenfrakturrisiko führt. Daraus resultierende Frakturen, meist am axialen und appendikulären Skelett, schränken die Lebensqualität betroffener Patienten stark ein und stellen einen enormen sozioökonomischen Kostenpunkt in Gesundheitssystemen dar. Eine Früherkennung von Osteoporose hat daher große klinische Relevanz. Die derzeit dafür bereitstehenden Methoden sind allerdings invasiv und in ihrer diagnostischen Präzision und der Vorhersagekraft des Frakturrisikos limitiert.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive Methode die im Stande ist quantitative Parameter zu bestimmen, welche direkt mit zugrundeliegenden Gewebeeigenschaften korrelieren und damit Kandidaten für Biomarker darstellen.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer auf MRT basierender Methodologie zur nichtinvasiven Messung der Knochentrabekeldichte unter klinischen Voraussetzungen
um damit neue Kandidaten für Biomarker zur Früherkennung von Osteoporose zu untersuchen.
In einer mehrstufigen Parameterschätzung wurde die diamagnetische Suszeptibilität von Knochengewebe ausgenutzt um Veränderungen der Knochensubstanz zu detektieren.
Knochentrabekel, welche bei Standardechozeiten in der verwendeten
monopolaren Gradientenechosequenz mit multiplen zeitversetzen Echozügen kein MR Signal zeigen, können indirekt über Suszeptibilitäts-induzierte Phasenänderungen in den umliegenden Geweben gemessen werden. Die fehlerhafte Miteinbeziehung der chemischen Verschiebung in Fettgeweben an Stellen, wo osteoporotische Frakturen auftreten, wurde durch die Anwendung von vorangestellten Methoden der Wasser--Fett-Bildgebung verhindert. Techniken zur Wasser--Fett-Separation trennen die Akkumulationen der Phase in Fett von suszeptibilitätsbedingten Phasenänderungen, bevor Phaseninformation zu ortsaufgelösten Suszeptibilitätsverteilungen invertiert wird.
Die vorliegende kumulative Dissertation enthält drei Publikationen, die zusammen Wasser--Fett-Bildgebung und quantitative Suszeptibilitätsmessung kombinieren und damit eine komplette MRT-basierte quantitative Messmethode multipler Parameter im menschlichen Körper entwickeln.
In der ersten Veröffentlichung wird eine Methode zur Initialisierung des Magnetfeldparameters in Wasser--Fett-Separationsalgorithmen beschrieben, welche durch die Demodulierung mehrere Magnetfeldterme funktioniert. Die Demodulierung der Hauptmagnetfeldinhomogenitäten, des Shimfeldes, eines Objekt-basierten und eines verbleibenden Feldes von den komplexen MR Daten vor einer Wasser--Fett-Trennung reduziert die Zahl vorhandener Wasser--Fett-Swaps signifikant und ermöglicht dabei ebenfalls eine akkurate Bestimmung des Gesamtmagnetfeldes für eine quantitative Suszeptibilitätsmessung im Körper.
Der zweite Artikel beschäftigt sich mit einer generalisierten Beschreibung von Parameterschätzung und Analyse des Rauschens in Multi-Echo MR Signalmodellen mit mehreren chemischen Spezies. Die entwickelte generalisierte Formulierung der Jacobi-Matrix mittels neuartigen Inputmatrizen ermöglicht dabei die Beschreibung der gesamten Klasse von Signalmodellen bestehend aus einer gewichteten Summe aus komplexen Exponentialfunktionen mit Echozeit-linearen Argumenten. Die Methode wurde mit Simulationen und dem Vergleich mit Wasser--Fett-Modellen aus der Literatur validiert. Die generalisierte Beschreibung war Basis für die Magnetfeldbestimmung im Körper.
Die dritte Veröffentlichung zeigt die Anwendung der simultanen Parameterschätzung von Fettanteil, R2* und Suszeptibilität von Knochentrabekelstrukturen in fettreichem gelben Knochenmark zur Messung der Knochendichte im Calcaneus in gesunden Probanden und Osteoporosepatienten. In Regionen mit verschiedener Knochendichte wurden die gemittelten Suszeptibilitäten, rekonstruiert mit drei verschiedenen Ortsverteilungsanahmen, mit R2* Werten, CT Werten und dem volumetrischen Knochenanteil geschätzt aus hochauflösender MR Bildgebung verglichen. Quantitative Suszeptibilitätsmessungen zeigten visuell und in quantitativen Analysen interessierender Regionen gute Sensitivität bezüglich des volumetrischen Knochenanteils, was durch numerische Simulation vereinfachter Knochenmodelle verifiziert wurde. Der Artikel demonstriert die klinische Umsetzbarkeit der Suszeptibilitätsmessung von Knochentrabekeln für die Osteoporosefrüherkennung.
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Osteoporose ist eine häufig vorkommende Erkrankung, welche durch den Verlust von Knochentrabekeln charakterisiert ist und zu einem erhöhten Knochenfrakturrisiko führt. Daraus resultierende Frakturen, meist am axialen und appendikulären Skelett, schränken die Lebensqualität betroffener Patienten stark ein und stellen einen enormen sozioökonomischen Kostenpunkt in Gesundheitssystemen dar. Eine Früherkennung von Osteoporose hat daher große klinische Relevanz. Die derzeit dafür bereitstehenden Metho...
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