Implementation and evaluation of a radial spin echo sequence for diffusion tensor imaging (RAISED) pulse sequence for diffusion tensor imaging (DTI) of articular cartilage in vivo at 3 T

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a degenerative painful disease of the joint which functionally limits the affected joint. It is the major cause of chronic disabilities in industrialized countries. The absence of a robust and non-invasive way to detect the progression of the disease makes it difficult to find new and effective therapies and drugs. Thus finding a non-invasive way to detect OA in its early stages is of high importance. Articular cartilage is one of the first tissues to suffer changes in the progression of OA with the decay of two components of the extracellular matrix, proteoglycan (PG) and collagen. Many researchers have focused on monitoring the decay of these two components with available parameters, such as T2 or T1ρ [1, 2]. Diffusion Tensor Imaging (DTI) is the only MRI method that offers the advantage of being sensitive to both PG and collagen and is therefore a promising approach to evaluate the integrity of the cartilage extracellular matrix [3-5]. Although the use of DTI is promising, its acquisition in vivo is challenging. Many standard diffusion sequences, such as diffusion-weighted echo planar imaging (DW-EPI) are useless [6-8]. At 7 T a working protocol for imaging articular cartilage has been successfully implemented by Raya et al. using a line scan diffusion sequence [9]. However, 7 T scanners are not approved in clinical environments. Hence, it needs to be applicable on 3 T scanners as well. The aim of this Master’s thesis is to provide DTI with high resolution images at 3 T by implementing and evaluating an in house written radial spin echo sequence for diffusion tensor imaging (RAISED) for DTI of articular cartilage in the knee. This is achieved in four steps.

Arthrose (OA) ist eine degenerative, schmerzhafte und funktionell einschränkende Erkrankung des Gelenks. Es ist eine der häufigsten chronischen Erkrankungen in Industrieländern. Sie führt zu erheblichen individuellen Beeinträchtigungen der Patienten und stellt eine große sozioökomische Belastung dar. Sowohl effektive Behandlungsmethoden als auch eine robuste und nichtinvasive Methode zur Beurteilung des Krankheitsverlaufs existieren nicht. Aus diesem Grund ist die Entwicklung einer neuen nichtinvasiven Methode zur frühen Erkennung von OA von großer Bedeutung. Der Gelenkknorpel ist mit dem Abbau von Proteoglykanen (PG) und Kollagen eins der ersten Gewebe in dem bei Arthrose Veränderungen stattfinden. Die Beurteilung dieser Veränderungen, mit Hilfe von MR-Parametern wie T2 oder T1ρ, war der Fokus vieler Forschungsarbeiten. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist als einzige MR-Methode sensitiv auf den Abbau von PG und Kollagen und somit sehr vielversprechend [3-5]. Obwohl DTI in der Bildgebung vom Gelenkknorpel aussichtsreich zu sein scheint, stellt die in vivo Anwendung eine Herausforderung dar. Viele gängige Methoden, wie die diffusionsgewichtete Echo-Planar-Bildgebung (DW-EPI), sind unbrauchbar [6-8]. Raya et al. setzten ein Protokoll mit exzellenter Bildqualität mit Hilfe einer diffusionsgewichteten Line-Scan Sequenz an einem 7 T Ganzkörper Scanner auf [9]. Allerdings sind 7 T Geräte im klinischen Bereich nicht zugelassen, weshalb das Aufsetzen eines erfolgreichen Protokolls an einem 3 T Scanner notwendig ist. Ziel dieser Masterarbeit ist es, mit der Implementierung und Evaluierung von einer hauseigenen radialen Spin-Echo Sequenz für die Diffusions-Tensor-Bildgebung (RAISED) für DTI von Gelenkknorpel im Knie DTI mit hochauflösenden Bildern an 3 T zu erhalten. Erreicht wird dieses in vier Schritten.