Kahteen gradienttipariin perustuvan diffuusiopainotetun magneettikuvaussekvenssin in vivo -implementointi ja testaus

Abstract

Uusien magneettikuvausmenetelmien, kuten diffuusiopainotetun magneettikuvauksen kehittyminen, on mahdollistanut uudenlaisen informaation saamisen aivokudoksen mikrorakenteiden muodosta ja orientaatiosta sekä niiden muutoksista erilaisten aivosairauksien, kuten esimerkiksi epilepsian aikana. Tähän tarkoitukseen yleisesti käytetty menetelmä, diffuusiotensorikuvaus (DTI), luo vahvan kontrastin aivojen valkean ja harmaan aineen välille. Menetelmän heikkous on kuitenkin se, että harmaan aineen alueilla kontrasti keskiarvottuu rakenteiden satunnaisuuden takia, eikä sillä siten saada luotua kontrastia esimerkiksi eri harmaan aineen alueiden välille. Viimeisen vuosikymmenen aikana nopeasti kehittyneen kahteen diffuusiogradienttipariin perustuvan kulmariippuvan d-PFG-menetelmän on havaittu toimivanparemmin myös harmaan aineen alueilla. Menetelmä on kuitenkin vielä vahvasti kehitysvaiheessa ja sitä ei ole juurikaan käytetty in vivo -olosuhteissa. Diplomityön tavoitteena oli implementoida kulmariippuva d-PFG-sekvenssi Itä-Suomen yliopiston biolääketieteellinen NMR -tutkimusryhmän in vivo -käytössä olevalle magneettikuvauslaitteelle ja testata sen toimivuutta. Työ koostui aluksi pulssisekvenssin ohjelmoinnista sekä ex vivo- ja in vivo -optimoinnista. Tämän jälkeen sekvenssillä suoritettiin in vivo -mittauksia Wistar-urosrotilla ja tuloksia verrattiin samoilla eläimillä tehtyihin DTI-mittauksiin. Lisäksi in vivo d-PFG -tuloksia verrattiin ex vivo -olosuhteissa tehtyyn d-PFG-mittaukseen sekä mikroskooppisuurennoksiin histologialeikkeistä. Vaikka erilaiset mittausparametrit ja -olosuhteet eivät sallineet saatujen tulosten tarkkaa kvantitatiivista vertailua in vivo DTI- tai ex vivo d-PFG -menetelmiin, tuloksista voidaan silti päätellä, että implementoitu d-PFG-sekvenssi toimii ja tuottaa odotettuja tuloksia. Sen todettiin tuottavan erilaista kontrastia kuin DTI, ja jossain määrin kontrastia saatiin myös harmaan aineen alueille. Menetelmä on lupaava, mutta sen tuottamien parametrien tarkoitus ei kuitenkaan ole vielä täysin tunnettu. Lisäksi sen antamat tulokset riippuvat gradienttien rotaatiotasosta, minkä takia kulmariippuva d-PFG vaatii sekä teoreettista että kokeellista kehitystyötä kehittyäkseen varteenotettavaksi työkaluksi aivokudoksen karakterisoinnissa.

The development of novel magnetic resonance imaging (MRI) methods, such as diffusion weighted MRI, has allowed to discover new kind of information of the shapes and orientations found in the brain tissue microstructures and of their alterations during different brain diseases, such as epilepsy. Diffusion tensor imaging (DTI), which is the method commonly used for this purpose, creates a strong contrast between the white and the gray matter tissues of the brain. However, the weakness of the method is that within gray matter areas the contrast is averaged due to the randomness of the structures and thus the method cannot create contrast for example between different gray matter areas. Based on two diffusion gradient pairs, the angular double-pulsed-field-gradient (d-PFG) method has been reported to function better also within gray matter areas. However, the method is still very new and developing and it has not been used in in vivo almost at all yet. The objective of this thesis was to implement the angular d-PFG sequence to the in vivo MRI device of the biomedical NMR research group of the University of Eastern Finland and to test its functionality. The research consisted of programming the pulse sequence and its ex vivo and in vivo optimization. After this, in vivo measurements were performed with the sequence using male Wistar rats and the results were compared to in vivo DTI measurements performed with the same animals. In addition, the in vivo d-PFG results were compared to ex vivo d-PFG measurements and photomicrographs of histology sections. Although the different measurement parameters and conditions did not allow accurate quantitative comparison of the results to in vivo DTI or ex vivo d-PFG methods, it can be still concluded from the results that the implemented d-PFG sequence works correctly and produces expected data. It was observed to produce a different kind of contrast than DTI, also to gray matter areas. Although the method is promising, the meaning of the parameters produced by it is not yet well known and in addition the results depend on the rotation plane of the gradients, so both theoretical and experimental research is needed in order for angular d-PFG to develop into a considerable tool for characterizing brain tissue.