Dokument: Quantitative Suszeptibilitätskartierung (QSM) der menschlichen Niere mittels Gradientenecho-basierter Magnetresonanztomographie
| Titel: | Quantitative Suszeptibilitätskartierung (QSM) der menschlichen Niere mittels Gradientenecho-basierter Magnetresonanztomographie | |||||||
| Weiterer Titel: | Quantitative susceptibility mapping (QSM) of the human kidney derived from gradient-echo based magnetic resonance imaging | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58885 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20220223-105047-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Bechler, Eric [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. rer. nat. Wittsack, Hans-Jörg [Gutachter] Prof. Dr. Heinzel, Thomas [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die Niere ist ein wichtiges Organ im menschlichen Körper, welches nicht nur das Blut filtriert und reinigt, sondern auch eine zentrale Rolle im Hormonhaushalt und bei der Blutbildung spielt. Sind diese Funktionen durch Pathologien eingeschränkt, kommt es zu lebensbedrohlichen Komplikationen, da giftige Stoffe nicht länger aus dem Blut gefiltert werden können.
Erkrankungen der Niere müssen derzeit oftmals über invasive Biopsien diagnostiziert werden. Dieses Verfahren bildet jedoch häufig nur punktuelle Veränderungen ab und ist deshalb nur eingeschränkt in der Lage, Pathologien korrekt zu diagnostizieren. Um eine genauere Analyse der Nierenfunktion zu erhalten, sind bildgebende Verfahren, wie die Magnetresonanztomographie (MRT), wünschenswert. Die MRT ist nicht nur in der Lage, anatomisch hochaufgelöste Bilder zu erzeugen, sondern auch verschiedene physiologische Parameter zu bestimmen. Eine relativ neue Technik erlaubt es, mit Hilfe der MRT die magnetische Suszeptibilität des Gewebes zu bestimmen und somit einen neuartigen Bildkontrast zu erzeugen. Bei dieser sogenannten quantitativen Suszeptibilitätskartierung (QSM) wird die Phaseninformation der akquirierten Bilddaten verwendet, um auf die zugrundeliegende Suszeptibilität des Gewebes zu schließen. Hierzu ist ein komplexes Post-Processing notwendig, welches die Phasenbilder entsprechend verarbeitet. QSM wurde bisher größtenteils im Gehirn angewandt, da das Viszeralfett im Abdomen und die Bewegung der abdominellen Organe während der Atmung die Methode technisch erschweren. Im Tiermodell konnte jedoch gezeigt werden, dass QSM in der Lage ist, pathologische Veränderungen auch in der Niere zu diagnostizieren. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, QSM für die Anwendung im menschlichen Abdomen, speziell in den Nieren, zu optimieren und erstmals in-vivo anzuwenden. Hierzu wurde zunächst eine Simulations-Studie durchgeführt, welche verschiedene, für QSM nötige, Post-Processing-Algorithmen miteinander vergleicht. Es konnte gezeigt werden, dass im Abdomen Techniken, die auf dem sogenannten Graph-Cuts-Algorithmus basieren, die genauesten Ergebnisse bei der Entfaltung der Phase liefern und der LBV-Algorithmus sich am besten zum Entfernen des Hintergrundfeldes eignet. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden die Erkenntnisse aus der Simulations-Studie verwendet, um erstmals in-vivo QSM in der menschlichen Niere erfolgreich durchzuführen. Dabei wurden sowohl gesunde Probanden als auch ein Patient mit schwerer Nierenfibrose untersucht. Bei 90% der beteiligten Personen konnten fehlerfreie Suszeptibilitätskarten erstellt werden, die eine Unterscheidung der einzelnen anatomischen Strukturen des Abdomens ermöglichten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Nieren-Suszeptibilität der gesunden Probanden reproduzierbar ist. Außerdem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass QSM in der Lage ist, zwischen gesunden Nieren und der pathologisch veränderten Niere des Patienten zu unterscheiden. Letztere war deutlich stärker diamagnetisch, als die Nieren der gesunden Probanden. Die vorliegende Dissertation kann als Leitfaden für die erfolgreiche Durchführung von quantitativer Suszeptibilitätskartierung in der menschlichen Niere dienen. Aufbauend auf den hier entwickelten Methoden und Ergebnissen kann das diagnostische Potential von QSM in zukünftigen Studien untersucht werden.The kidney is an important organ in the human body, which not only filters and purifies the blood, but also plays a central role in hormone balance and blood formation. If these functions are impaired by pathologies, life-threatening complications arise because toxic substances can no longer be filtered from the blood. Currently, diseases of the kidney often have to be diagnosed via invasive biopsies. However, this procedure often only displays punctual changes and therefore has a limited ability to correctly diagnose pathologies. To obtain a more accurate analysis of renal function, imaging techniques such as magnetic resonance imaging (MRI) are desirable. MRI is not only capable of producing anatomically high-resolution images, but also of determining various physiological parameters. A relatively new technique allows MRI to be used to determine the magnetic susceptibility of tissue and thus produce a novel image contrast. In this so-called quantitative susceptibility mapping (QSM), the phase information of the acquired image data is used to calculate the underlying susceptibility of the tissue. This requires a complex post-processing. QSM has largely been applied in the brain, as visceral fat in the abdomen and movement of abdominal organs during respiration make the method technically difficult. However, in animal models, QSM has been shown to be capable of diagnosing pathological changes in the kidney as well. The aim of the present dissertation was to optimize QSM for application in the human abdomen, specifically in the kidneys, and to apply it in vivo for the first time. For this purpose, a simulation study was first performed comparing different post-processing algorithms necessary for QSM. It was shown that in the abdomen, phase unwrapping techniques based on the so-called graph-cuts algorithm provide the most accurate results and the LBV algorithm is best suited for removing the background field. Later in this work, the findings from the simulation study were used to successfully perform in vivo QSM in human kidney for the first time. Both, healthy volunteers and a patient with severe renal fibrosis were examined. Artifact-free susceptibility maps could be generated in 90% of the subjects involved, allowing differentiation of the individual anatomical structures of the abdomen. Furthermore, it was shown that the renal susceptibility of the healthy subjects was reproducible. In addition, the results indicate that QSM is able to differentiate between healthy kidneys and the pathologically altered kidney of the patient. The latter was significantly more diamagnetic than the kidneys of the healthy subjects. This dissertation can serve as a guide for successfully performing quantitative susceptibility mapping in the human kidney. Building on the methods and results developed here, the diagnostic potential of QSM in the kidney can be further analysed in future studies. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 23.02.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 23.02.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 07.12.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 17.02.2022 |
