Non-invasive multiparametric qBOLD approach for robust mapping of the oxygen extraction fraction

IntroductionThe quantitative blood oxygenation level-dependent (qBOLD) method has not become clinically established yet because long acquisition times are necessary to achieve an acceptable certainty of the parameter estimates. In this work, a non-invasive multiparametric (nimp) qBOLD approach based on a simple analytical model is proposed to facilitate robust oxygen extraction fraction (OEF) mapping within clinically acceptable acquisition times by using separate measurements.MethodsThe protocol consisted of a gradient-echo sampled spin-echo sequence (GESSE), a T2-weighted Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) sequence, and a T2*-weighted multi-slice multi-echo gradient echo (MMGE) sequence. The GESSE acquisition time was less than 5 minutes and the extra measurement time for CPMG / MMGE was below 2 minutes each. The proposed nimp-qBOLD approach was validated in healthy subjects (N = 5) and one patient.ResultsThe proposed nimp-qBOLD approach facilitated more robust OEF mapping with significantly reduced inter- and intra-subject variability compared to the standard qBOLD method. Thereby, an average OEF in all subjects of 27 ± 2 % in white matter (WM) and 29 ± 2 % in gray matter (GM) using the nimp-qBOLD method was more stable compared to 41 ± 10 % (WM) and 46 ± 10 % (GM) with standard qBOLD. Moreover, the spatial variance in the image slice (i.e. standard deviation divided by mean) was on average reduced from 35 % to 25 %. In addition, the preliminary results of the patient are encouraging.ConclusionThe proposed nimp-qBOLD technique provides a promising tool for robust OEF mapping within clinically acceptable acquisition times and could therefore provide an important contribution for analyzing tumors or monitoring the success of radio and chemo therapies.

ZusammenfassungEinleitungDie quantitative Blood Oxygenation Level-Dependent (qBOLD)-Methode hat sich bislang in der Klinik nicht etabliert, da nur durch lange Messzeiten zuverlässige Parameter Abschätzungen erreicht werden können. In dieser Arbeit wird eine nicht-invasive multiparametrische (nimp) qBOLD-Methode vorgestellt, die auf einem einfachen analytischen Modell basiert und durch separate Messungen eine robuste Kartierung des Sauerstoff-Extraktionskoeffizienten innerhalb klinischer Messzeiten ermöglicht.Material und MethodenDas Messprotokoll beinhaltete eine Gradienten-Echo-abgetastete Spin-Echo (GESSE)-Sequenz, eine T2-gewichtete Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)-Sequenz und eine weitere T2*-gewichtete Multi-Schicht-Multi-Gradienten-Echo-(MMGE)-Sequenz. Die GESSE-Akquisitionszeit betrug weniger als 5 Minuten und die extra Messzeit für CPMG/MMGE betrug jeweils weniger als 2 Minuten. Die vorgeschlagene nimp-qBOLD-Methode wurde in gesunden Probanden und einem Patienten validiert.ErgebnisseDie hier vorgestellte nimp-qBOLD-Methode ermöglichte eine robustere OEF-Messung mit signifikant reduzierter Varianz zwischen verschiedenen Probanden bzw. innerhalb eines Probanden im Vergleich zur qBOLD-Methode. Dabei war bei Verwendung der nimp-qBOLD-Methode ein über alle Probanden gemittelter OEF von 27 ± 2 % in der weißen Hirnsubstanz (WM) und von 29 ± 2 % in der grauen Hirnsubstanz (GM) stabiler als bei Verwendung der qBOLD-Methode mit einem mittleren OEF von 41 ± 10 % (WM) und 46 ± 10 % (GM). Des Weiteren konnte die Varianz innerhalb einer Messschicht (d.h. Standardabweichung normiert auf mittleren OEF) von 35 % auf 25 % reduziert werden. Zusätzlich wurden durch den nimp-qBOLD-Ansatz vielversprechende Ergebnisse bei der Patientenmessung erzielt.AusblickDie hier vorgestellte nimp-qBOLD-Technik stellt ein vielversprechendes Werkzeug für robuste OEF-Messungen innerhalb klinischer Messzeiten zur Verfügung und könnte daher einen wichtigen Beitrag bei Tumoruntersuchungen oder Verlaufskontrollen von Radio- und Chemotherapien leisten.