Quantification of modulated blood oxygenation levels in single cerebral veins by investigating their MR signal decay

The transverse magnetization of a single vein and its surrounding tissue is subject to spin dephasing caused by the local magnetic field inhomogeneity which is induced by the very same vessel. This phenomenon can be approximated and simulated by applying the model of an infinitely long and homogeneously magnetized cylinder embedded in a homogeneous tissue background. It is then possible to estimate the oxygenation level of the venous blood by fitting the simulated magnetization-time-course to the measured signal decay. In this work we demonstrate the ability of this approach to quantify the blood oxygenation level (Y) of small cerebral veins in vivo, not only under normal physiologic conditions (Ynative=0.5–0.55) but also during induced changes of physiologic conditions which affect the cerebral venous blood oxygenation level. Changes of blood's oxygenation level induced by carbogen (5% CO2, 95% O2) and caffeine were observed and quantified, resulting in values of Ycarbogen=0.7 and Ycaffeine=0.42, respectively. The proposed technique may ultimately help to better understand local changes in cerebral physiology during neuronal activation by quantifying blood oxygenation in veins draining active brain areas. It may also be beneficial in clinical applications where it may improve diagnosis of cerebral pathologies as well as monitoring of responses to therapy.

ZusammenfassungDie transversale Magnetisierung eines venösen Gefäßes und dessen Umgebung unterliegt der Spindephasierung, die durch die vom selben Gefäß erzeugten, lokalen Magnetfeldinhomogenitäten verursacht wird. Dieses Phänomen kann unter Zuhilfenahme des Modells eines unendlich langen, homogen magnetisierten Zylinders, der in einer homogenen Umgebung eingebettet ist, approximiert und simuliert werden. Durch Anpassen des simulierten Verlaufes an die Messdaten ist es möglich, auf den Blutoxygenierungsgrad (Y) in der Vene zu schließen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieser Ansatz erfolgreich angewendet und die Blutoxygenierung kleiner, zerebraler Venen in vivo bestimmt. Unter normalen physiologischen Bedingungen wurde Ynativ=0,5–0,55 ermittelt. Änderungen der venösen Blutoxygenierung, die durch Atmung von Karbogen (5%CO2, 95%O2) bzw. Koffeineinnahme induziert wurden, konnten detektiert und quantifiziert werden (YKarbogen=0,7, YKoffein=0,42). Basierend auf diesen Ergebnissen könnte die hier vorgestellte Methode zu einem besseren Verständnis lokaler Änderungen zerebraler physiologischer Parameter bei neuronaler Aktivierung beitragen. Auch bei klinischen Anwendungen könnte die Methode hilfreich sein, zerebrale Läsionen genauer zu charakterisieren und den Verlauf einer Therapie zu überwachen.