title: Quantitative analysis of flow effects on signal characteristics in volume-selective 1H spectroscopy – Theory and experiments on whole-body MRI scanners
Creators: name: Oberparleiter, Moritz
Publisher: name: Universität Tübingen
Year: 2025
Subjects: subject: Kernspintomografie , Spektroskopie , Radiologie
subject: 610
subject: MR-Spektroskopie
subject: PRESS
subject: STEAM
subject: MRI
subject: STEAM
subject: MRS
subject: MR Spectroscopy
subject: Blood-oxygen-level-dependent imaging
subject: Flusseffekte
subject: BOLD effect
subject: Kernspin
subject: flow effects
subject: MRT
subject: BOLD-Effekt
subject: nuclear spin
subject: Suszeptibilität
subject: Radiology
subject: PRESS
subject: susceptibility

description: Flussmessungen mittels MR-Bildgebung sind in der klinischen Routine etabliert, da sie für viele Indikationen einen Mehrwert bieten. Ergo sind Flusseffekte in der MR-Bildgebung gut erforscht. Flusseffekte lassen sich jedoch auch in der MR-Spektroskopie beobachten. Schick et al. konnten zeigen, dass sich Flusseffekte in vivo im roten Knochenmark messen lassen und diese potenziell diagnostisch relevant sind. Allerdings existiert kaum Literatur über die zugrunde liegenden Mechanismen und die Auswirkungen der Flusseffekte auf die Spektren. Ziel dieser Dissertation ist es, die ursächlichen Mechanismen zu identifizieren und die Relevanz der einzelnen Effekte zu evaluieren. Ein weiteres Ziel war es zu eruieren, welche Sequenzparameter die Flusseffekte beeinflussen. Es lassen sich zwei mechanistische Hauptgruppen identifizieren, von denen anzunehmen ist, dass sie das Gros der beobachtbaren Flusseffekte bedingen. Zum einen sind dies suszeptibilitätsbedingte und zum anderen durch Gradientenschaltungen hervorgerufene Effekte. Beide Gruppen wurden in der Dissertation erforscht. PRESS und STEAM Sequenzen wurden bezüglich beider Effektgruppen untersucht. Dabei wurden diese Effekte vor allem im Bereich der Flussgeschwindigkeiten der Mikrozirkulation untersucht, da dies für die Spektroskopie von Organgewebe am relevantesten ist. Mittels mathematischer Simulationen wurde zunächst abgeschätzt, wie groß die Gradienten-assoziierten Flusseffekte sind. Zusätzlich wurden Phantommessungen und In-vivo-Messungen an zwei Probanden durchgeführt, um den tatsächlichen Einfluss der Flusseffekte auf die Spektren zu bestimmen. Dazu wurden reguläre und Fluss-sensitivierte PRESS und STEAM Sequenzen verglichen. Die Fluss-sensitivierten Sequenzen wurden im Rahmen des Projektes entwickelt. Einer der den BOLD-Effekt konstituierenden Mechanismen führt dazu, dass sich das Magnetfeld entlang des Verlaufs der Krümmung einer kleinen Vene, Venole oder Kapillare unterscheidet. Fließt Blut während einer Spektroskopiesequenz durch solch ein Gefäß, ist eine Dephasierung zu erwarten und damit eine Alteration des resultierenden Spektrums. Dieser Flusseffekt wurde theoretisch hergeleitet und Modelle zur Simulation dieses Effektes entwickelt. Eines der Modelle wurde auf PRESS und STEAM Sequenzen angewendet. Darüber hinaus führen Eisen, Knochentrabekel, Luft und Fett über Suszeptibilitätseffekte ebenfalls zur Dephasierung von benachbartem fließendem Blut und haben damit ebenfalls Einfluss auf die Spektren. Die Suszeptibilitätseffekte durch diese Materialien wurden theoretisch abgehandelt. Hinsichtlich der durch Gradienten bedingten Flusseffekte konnte anhand der Simulationen gezeigt werden, dass bei STEAM Sequenzen stärkere Signalalterationen zu erwarten sind als durch PRESS Sequenzen. Bei PRESS wirkt sich die Echozeit nicht auf die zu erwartende Effektgröße aus, jedoch hat die Größe des gewählten Voxels einen Einfluss. Bei STEAM hat die Mischzeit den größten Einfluss auf die Stärke der Flusseffekte. Diese Erkenntnisse konnten mittels Phantommessungen verifiziert werden. Die In-vivo-Messungen wurden im roten Knochenmark von Lendenwirbelkörpern durchgeführt. Für STEAM Sequenzen mit kurzen Mischzeiten und PRESS Sequenzen konnten sich in vivo Flusseffekte durch Gradienten nicht eindeutig demonstrieren lassen. Jedoch führten STEAM Sequenzen mit längeren Mischzeiten zu relevanten Signalalterationen in den Spektren. Die Simulation der Flusseffekte, die durch die suszeptibilitätsbedingten Magnetfeldinhomogenitäten in kleinen Gefäßen zustande kommen, zeigte eine Reihe von Einflussfaktoren auf die Effektstärke. Die Gefäßgeometrie, Flussgeschwindigkeiten und Sequenzparameter hatten einen relevanten Einfluss auf die zu erwartenden Dephasierungen und damit potenziell auf die resultierenden Spektren. Es ließ sich zeigen, dass besonders bei höheren Flussgeschwindigkeiten sowie längeren Echo- und Mischzeiten starke Dephasierungen zu erwarten sind. Die Dissertation leistet einen Beitrag zur Erforschung von Flusseffekten in der MR-Spektroskopie. Ausgehend von der theoretischen Aufarbeitung relevanter Mechanismen, die zu Flusseffekten führen, konnten anhand von Simulationen Einflussfaktoren identifiziert werden, die die Effektstärke determinieren. Darüber hinaus konnte mittels Phantommessungen und In-vivo-Messungen etabliert werden, dass Gradienten-assoziierte Flusseffekte messbar sind und damit relevant sein können. Diese Erkenntnisse können dazu verwendet werden, unerwünschte Flusseffekte in der MR-Spektroskopie im Sinne einer Artefaktreduktion zu minimieren. Weiter können Flusseffekte durch Anpassung der Sequenzparameter maximiert werden und somit potenziell für diagnostische Zwecke nutzbar gemacht werden.
description: Flow measurements using MR imaging are established in clinical routine as they offer added value for many indications. Thus, flow effects in MR imaging are well studied. However, flow effects also occur in MR spectroscopy. Schick et al. showed that flow effects in red bone marrow are measurable and potentially diagnostically relevant. Nevertheless, literature about the underlying mechanisms of flow effects in MR spectroscopy and their implications for spectra is scarce. This thesis aimed to identify the causative mechanisms and evaluate the relevance of the flow effects. Another objective was to elucidate which sequence parameters affect the flow effects in PRESS and STEAM. Two groups of mechanisms likely constitute most of the observable flow effects in MR spectroscopy: susceptibility- and gradient-induced phase-shift effects. The thesis studied both groups of mechanisms using PRESS and STEAM sequences. The effects were studied primarily on the level of flow velocities in the microvasculature, as this is most relevant for spectroscopy of peripheral tissue. Mathematical simulations aimed to evaluate the magnitude of the gradient-induced phase-shift effects. Phantom and in vivo measurements were conducted to study the gradient-induced phase-shift effects experimentally. The experiments compared standard and flow-sensitised sequences. The flow-sensitised sequences were developed as a part of this project. One of the effects constituting the BOLD effect leads to inhomogeneities in the magnetic field along the curvature of veins and capillaries. Blood flowing through bent veins and capillaries thus experiences dephasing and likely also signal alterations if a spectrum is acquired. This mechanism was deducted theoretically, and models for simulating this mechanism in PRESS and STEAM sequences were developed. Further, materials like iron, bone, air and fat lead to phase shifts of neighbouring flowing blood and may influence signal characteristics in MR spectroscopy. The thesis explored this group of susceptibility-induced phase-shift effects theoretically. The simulations showed that gradient-induced flow effects have larger magnitudes in STEAM than in PRESS sequences. In PRESS, the echo time does not affect the expected phase shift, while the size of the chosen voxel does so. In STEAM, the mixing time has the greatest influence on the magnitude of the phase shift. Phantom measurements verified these findings. The in vivo measurements were performed in the red bone marrow of lumbar vertebral bodies. The in vivo experiments could not demonstrate significant flow effects due to gradient-induced phase-shift effects for STEAM sequences with short mixing times and PRESS sequences. However, STEAM sequences with longer mixing times led to relevant alterations in the spectra. Further, the simulation of the flow effects caused by the susceptibility-induced (BOLD-related) magnetic field inhomogeneities in small vessels revealed factors influencing the magnitude of these effects. Vessel geometry, flow velocity, and sequence parameters significantly influenced the expected phase shifts. The simulations demonstrated that high flow velocities, long echo and mixing times lead to strong phase-shift effects in theory. This thesis contributes to the research on flow effects in MR spectroscopy. Starting with the theoretic delineation of the relevant mechanisms leading to phase-shift effects, factors that determine the magnitude of these effects were identified. Additionally, phantom and in vivo measurements showed that gradient-induced phase-shift effects are measurable and relevant under certain conditions. The results can be used to suppress signal alterations to reduce artefacts. Further, modifying sequence parameters allows the maximisation of phase-shift effects and shows potential for future diagnostic use of modified MR spectroscopy sequences.