Rapid myelin water content mapping on clinical MR systems

We present an algorithm for the fast mapping of myelin water content using standard multiecho gradient echo acquisitions of the human brain. The method extents a previously published approach for the simultaneous measurement of brain T1, T2* and total water content. Employing the multiexponential T2* decay signal of myelinated tissue, myelin water content was measured based on the quantification of two water pools (“myelin water” and “rest”) with different relaxation times. As the existing protocol was focussed on the fast mapping of quantitative MR parameters with whole brain coverage in clinically relevant measurement times, the sampling density of the T2* curve was compromised to 10 echo times with a T Emax of approx. 40 ms. Therefore, pool amplitudes were determined using a quadratic optimisation approach. The optimisation was constrained by including à priori knowledge about brain water pools. All constraints were optimised in a simulation study to minimise systematic error sources given the incomplete knowledge about the real pool-specific relaxation properties. Based on the simulation results, whole brain in vivo myelin water content maps were acquired in 10 healthy controls and one subject with multiple sclerosis. The in vivo results obtained were consistent with previous reports which demonstrates that a simultaneous whole brain mapping of T1, T2*, total and myelin water content is feasible on almost any modern MR scanner in less than 10 minutes.

ZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem der Myelin-Wassergehalt des menschlichen Gehirns mit konventionellen Multiecho-Gradientenecho-Sequenzen bestimmt werden kann. Das Verfahren basiert dabei auf Datensätzen, die mit einer bereits publizierten Methode zur schnellen simultanen Quantifizierung von T1, T2* und absolutem Wassergehalt aufgenommen werden. Die entsprechenden Rekonstruktionsmethoden werden dabei erweitert, um zusätzlich zu den erwähnten drei Parametern auch den Myelin-Wassergehalt bestimmen zu können. Der Ansatz nutzt dabei den multiexponentiellen T2*-Zerfall in myelinisiertem Gewebe aus, um basierend auf einer Zweikompartment-Analyse (Myelinwasser und „Rest“) den myelingebundenen Wasseranteil zu messen. Da das bereits existierende quantitative Messprotokoll für eine schnelle Ganzhirnmessung optimiert wurde, stehen für die Analyse des multiexponentiellen Zerfalls lediglich 10 Datenpunkte mit einer maximalen Echozeit von 40 ms zur Verfügung. Daher wurde ein quadratisches Optimierungsverfahren zur Bestimmung der Amplituden beider Kompartimente eingesetzt, bei dem lineare Constraints den möglichen Lösungsraum einschränken. Die spezifischen Constraints wurden in einer Simulation bestimmt und optimiert, um die durch inkorrekte À-priori-Annahmen erzeugten systematischen Fehler zu minimieren. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationsstudie wurden Myelinwasserkarten des kompletten Gehirns in einer Gruppe von 10 gesunden Probanden und einem Patienten, der unter Multipler Sklerose leidet, angefertigt. Die Resultate der In-vivo-Studie sind dabei konsistent mit Literaturangaben. Zusammenfassend konnte somit in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass eine simultane Quantifizierung von T1, T2*, totalem und myelingebundenem Wassergehalt mit Ganzhirnabdeckung auf fast jedem modernen MR-Scanner in weniger als 10 Minuten durchführbar ist.