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Abstract

This work presents a non-invasive determination of the total tissue sodium concentration (TSC, [Na+]) within the heart muscle using 23Na MRI at B0 = 7T in a clinically feasible measurement time. In a first study the influence of cardiac and respiratory motion and physical effects such as static, receive and transmit field inhomogeneities and partial volume effects, were evaluated and corrected. Relaxation times and TSC of ex-vivo blood samples and in-vivo calf muscle were determined and used to estimate myocardial data. For an acquisition time of 35 min, the measured myocardial TSC could be corrected by -(48 ± 5)% and determined to (31 ± 3)mm. The partial volume correction had the largest effect (-(34 ± 1)%), followed by respiratory and cardiac motion gating (-(11 ± 1)%). With the applied setup, correction for field inhomogeneities had negligible influences on TSC values (-(3 ± 2)%). The resulting myocardial TSC was 1.6-fold higher than the measured TSC of calf muscle ((20 ± 3)mm). In a second study, a new method to compensate for respiratory motion was developed, which increases the signal-to-noise ratio by a factor of p2 or decreases the acquisition time by a factor of two. Myocardial TSC can hence be quantified in a measurement time <20 min, facilitating future translation into clinical cardiac 23Na MRI studies.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurde eine nicht-invasive Bestimmung der gesamten Gewebenatriumkonzentration ([Na+]) im Herzmuskel mittels quantitativer 23Na-MRT bei einer Grundmagnetfeldstärke von B0 = 7T in einer klinisch anwendbaren Aufnahmezeit etabliert. In einer ersten Studie erfolgte die Analyse und Korrektur sowohl von physiologischen Einflüssen wie der Bewegung des Herzens und der Atmung als auch von physikalischen Einflüssen wie Inhomogenitäten des Grundmagnet-, Sende- und Empfangsfeldes und Partialvolumeneffekte. Für die Korrekturen und Normierungen notwendige Relaxationszeiten und Natriumkonzentrationen wurden mit Messungen von ex-vivo Blutproben und Messungen im Wadenmuskel angenähert. Bei einer Aufnahmezeit von 35 min konnte die gemessene myokardiale Natriumkonzentration um -(48 ± 5)% korrigiert und zu (31 ± 3)mm bestimmt werden. Den größten Einfluss zeigte die Partialvolumenkorrektur (-(34 ± 1)%), gefolgt von der Berücksichtigung physiologischer Bewegung (-(11 ± 1)%). Die Korrektur von Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes sowie des Sende- und Empfangsfeldes stellte im verwendeten experimentellen Aufbau einen vernachlässigbaren Einfluss dar (-(3 ± 2)%). Verglichen zur gemessenen Natriumkonzentration im Wadenmuskel ((20 ± 3)mm) liegt die ermittelte Natriumkonzentration im Herzmuskel um einen Faktor 1,6 höher. In einem zweiten Schritt wurde eine Methode zur Kompensation der Atembewegung entwickelt. Die Anwendung der Bewegungskompensation ermöglicht eine Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses um einen Faktor von p2 oder eine Halbierung der Akquisitionszeit. Mit den im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Methoden kann die Natriumkonzentration des Herzmuskels mittels 23Na-MRT in weniger als 20 min quantifiziert werden. In klinischen Studien kann diese Methode zukünftig durchgeführt werden.