The biomechanical properties of the brain play an important role in vital functioning and disease development. Over the last decade, cerebral magnetic resonance elastography (MRE) has emerged as a valuable imaging technique, revealing important characteristics of tissue biomechanics in disease and health. However, state-of-the-art mouse brain MRE is limited by time-consuming multi-shot acquisition techniques and noise-sensitive single-frequency image reconstruction methods. Therefore, the purpose of this PhD project was the development of multifrequency mouse brain MRE based on a single-shot acquisition technique and noise-robust tomoelastography post-processing for high-resolution stiffness mapping. The feasibility of the method was demonstrated using three in vivo studies. In the first study, shear wave speed (SWS) as a surrogate of stiffness in different areas of the brain was measured. In the second study, the effect of body temperature on biophysical parameters of murine brain tissue was investigated in the normothermic to hypothermic range. Tomoelastography was combined with arterial spin labelling and diffusion-weighted imaging in order to determine the relationship between tissue stiffness, perfusion and diffusion. In the third study, mechanical brain alterations were continuously monitored during the critical phase of death in a mouse model of hypoxia. In ten animals, we quantified regional dependent SWS of 2.9 ± 0.2 m/s, 4.9 ± 0.5 m/s, 4.8 ± 0.8 m/s and 3.5 ± 0.3 m/s for the corpus callosum, hippocampus, diencephalon and cortex. In a group of six animals, we found that SWS decreased from hypothermia (28 ± 0.5 °C) to normothermia (38 ± 0.5 °C) by 6.2%, 10.1% and 7.4% in the whole brain, cortex and hippocampus, respectively. These SWS decreases were correlated with changes in water diffusion (30% increase) and blood perfusion (60% to 90% increase). Furthermore, in fourteen animals, brain death led to a 6% increase of SWS in the whole brain and 9% in the hippocampus when compared to in vivo values. Our novel multifrequency MRE method with tomoelastography processing provides mouse brain stiffness maps within shorter scan times and with greater detail resolution than a conventional MRE. Short scan times, in the order of only 40 seconds, open new horizons for continuous stiffness monitoring during different pathological processes in vivo. Clinical relevant biophysical processes in the brain, such as hypothermia and hypoxia, and the critical phase of brain death were monitored and investigated for the first time. The results show that stiffness varies across sub-regions in the murine brain, is inversely correlated with water diffusion and blood perfusion, and increases in hypoxia towards brain death. The new method contributes to the growing understanding of mechanical signatures of brain tissues and is potentially of great value for future studies of in vivo brain mechanical properties in health and disease.
Die biomechanischen Eigenschaften von zerebralem Gewebe beeinflussen zahlreiche physiologische Prozesse im Gehirn. Die zerebrale Magnetresonanz-Elastographie (MRE) erwies sich dabei innerhalb des letzten Jahrzehnts als wertvolles nicht-invasives Bildgebungsverfahren und offenbarte wichtige biomechanische Merkmale im gesunden als auch kranken Gewebe. Die moderne MRE des Maushirns ist jedoch durch zeitaufwändige Multi-Shot-Bildaufnahemetechniken und rauschempfindliche monofrequente Bildrekonstruktionsmethoden begrenzt. Das Ziel dieser Promotion war die Entwicklung eines hochauflösenden Elastographie-Verfahrens mittels multifrequenter Maushirn-MRE auf der Grundlage von Einzelbildaufnahmetechniken und anschließender Tomoelastographie-Postprozessierung zur Minderung der Rauschempfindlichkeit. Die Durchführbarkeit der Methode wurde mit drei in-vivo-Studien nachgewiesen. In der ersten Studie wurden verschiedene Bereiche des Gehirns bezüglich der Scherwellengeschwindigkeit (SWS) als Surrogat der Steifigkeit vermessen. Die zweite Studie untersuchte den Einfluss der Körpertemperatur auf biophysikalische Parameter des murinen Hirngewebes im normothermen bis hypothermen Bereich. Die Tomoelastographie wurde mit arterieller Spin-Markierung und diffusionsgewichteter Bildgebung kombiniert, um mögliche Zusammenhänge zwischen Gewebesteifigkeit, Perfusion und Diffusion zu analysieren. Im Rahmen der dritten Studie wurden anhand eines hypoxischen Mausmodells die biomechanischen Veränderungen des Gehirns während der kritischen Phase des Todes kontinuierlich aufgenommen und überwacht. Für zehn Tiere wurden lokale SWS von 2,9 ± 0,2 m/s für das Corpus callosum, 4,9 ± 0,5 m/s für den Hippocampus, 4,8 ± 0,8 m/s für das Zwischenhirn und 3,5 ± 0,3 m/s für den Cortex cerebri quantifiziert. Anhand von sechs vermessenen Tieren konnte im gesamten Gehirn, Kortex und Hippocampus eine Abnahme der SWS von Hypo- (28 ± 0.5 °C) zu Normothermie (38 ± 0.5 °C) jeweils um 6,2%, 10,1% bzw. 7,4% festgestellt werden. Diese Abnahme der SWS korrelierte mit Veränderungen der Wasserdiffusion (30% Zunahme) und der Perfusion (60% bis 90% Zunahme). Darüber hinaus führte der Hirntod bei vierzehn Tieren zu einem Anstieg der SWS um 6% im gesamten Gehirn und 9% im Hippocampus gegenüber den in-vivo-Werten. Das implementierte neuartige Multifrequenz-MRE-Verfahren liefert innerhalb stark verkürzter Messzeiten Steifigkeitskarten vom Maushirn mit größerer Detailauflösung als bisherige MRE Methoden. Erstmals konnten somit klinisch relevante biophysikalische Prozesse im Gehirn wie die Hypothermie, die Hypoxie und die kritische Phase des Hirntodes beobachtet und untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit in den verschiedenen Subregionen des Gehirns der Maus variiert, mit der Wasserdiffusion und der Perfusion invers korreliert und durch Hypoxie im Rahmen des Hirntodes zunimmt. Die neuen Entwicklungen tragen zum wachsenden Verständnis der biomechanischen Eigenschaften des Hirngewebes bei.
