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DEFINER - Diffusion Encoded FINgERprinting: A novel MR diagnostic tool for brain microstructural pathology

English title DEFINER - Diffusion Encoded FINgERprinting: A novel MR diagnostic tool for brain microstructural pathology
Applicant Döring André
Number 202962
Funding scheme Postdoc.Mobility
Research institution CUBRIC Brain Research Imaging Centre Cardiff University
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.08.2021 - 31.07.2023
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All Disciplines (2)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Technical Physics

Keywords (7)

diffusion; human brain; tissue microstructure; magnetic resonance spectroscopy; metabolites; fingerprinting; histology

Lay Summary (German)

Lead
Die Idee dieses Fellowships DEFINER: Diffusion Encoded FINgERprinting, ist es eine neue, nicht invasive MR Messtechnik mit zellspezifischer Sensitivität zu entwickeln. Wir hoffen dabei das DEFINER es in Zukunft ermöglicht histologische Fingerabdrücke, die als Biomarker für Zellpathologie dienen können, nicht invasive zu gewinnen.
Lay summary

Für pathohistologische Untersuchung werden immer noch invasive Biopsien benötigt. Die Bewertung pathologischer Befunde auf zellulärer Ebene mittels nicht invasive Magnet Resonanz Bildgebung (MRI) scheitert an einer inhärente Auflösungsgrenze im Millimeterbereich. Daher wurde MRI weiterentwickelt um Diffusion von im Gewebe eingeschlossenem Wasser als indirekten Marker für Gewebemikrostruktur zu messen. Auch wenn diese Technik breite Anwendung im klinischen Alltag findet (z.B. Schlaganfallfrüherkennung) so ist es dennoch nicht möglich Gewebemikrostruktur zellspezifisch zu untersuchen, da Wasser in allen Zell- und Gewebearten gleichsam vorkommt.

Als eine der neuesten und vielversprechendsten Techniken erlaubt Diffusions-MR Spektroskopie (dMRS) die Messung der Diffusionseigenschaften von zellspezifischen Stoffwechselproduktion (z.B. neuronaler (Glutamate) oder glialer (myo-Inositol) Marker). Diese zellspezifischen Diffusionseigenschaften könnten frühzeitige und nicht invasive Rückschlüsse auf pathologische zelluläre Veränderungen liefern.

Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es dMRS um die neuartige Technik des sogenannten Fingerprintings zu erweitern. Dabei dienen spezifische Diffusions-Enkodierungsstrategien dazu zelltypische Fingerabdrücke zu erzeugen. Diese können dann quantitativen histologischen Charakteristika zugeordnet werden. Dabei bedient sich das Projekt eines einzigartigen MR-Systems im CUBRIC Forschungszentrums, welches entwickelt wurde um Diffusion im menschlichen Gehirn mit höchster Präzession zu messen.

Neben der technischen Innovation von dMRS ist auch dessen Anwendung zur Untersuchung der Neuroimmunantwort auf Entzündungsprozesse im menschlichen Gehirn geplant. Dies könnte nützliche Hinweise auf ähnliche Effekte zum Beispiel in Alzheimer oder Parkinson liefern.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.06.2021

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
175984 Metabolic Fingerprints from Magnetic Resonance: Levels, Maps, and Microstructure 01.12.2017 Project funding (Div. I-III)
188142 Accessing living human brain microstructure by diffusion-weighted MR spectroscopy with ultra-strong gradients 01.10.2019 Early Postdoc.Mobility

Abstract

Histology, as gold standard to judge pathological changes of tissue microstructure, relies mostly on invasive biopsy samples. Opposed, Magnetic Resonance Imaging (MRI) provides tissue-specific contrast non-invasively, but at nominal spatial resolution on the order of a millimeter. This downside was mitigated by sensitizing MRI to diffusion, which allows to disclose microstructural information indirectly. However, a key problem remained the non-cellular specificity. As one of the most recent developments, Diffusion MR spectroscopy (dMRS) is able to bypass this problem by measuring metabolite diffusion, which is partially cell-type specific. In combination with advanced simulation techniques, it was demonstrated that an absolute quantification of cellular features is achievable (e.g., soma size, axon diameter, bifurcation, tortuosity). However, conventional dMRS has still been found too inflexible, to adequately encode all information required for advanced tissue-modeling. This, so far, has prevented this auspicious technique from becoming a non-invasive supplement to conventional biopsy.However, it is hypothesized that so-called MR fingerprinting techniques together with novel diffusion-encoding strategies can help to tackle this problem and, in turn, to assess even complex microstructural tissue features non-invasively. Here, the two-pronged approach is: (i) to create a unique signal (fingerprint) that encodes cellular shape and size, (ii) to apply inverse-modeling strategies to retrieve particular histological information (dictionary matching/fitting).This project, aims to address both challenges: 1) by implementing a diffusion-encoded MR-Spectroscopic fingerprinting (dMRSf) sequence that relies on state-of-the-art diffusion-encoding strategies (b-tensor encoding) to create unique structural fingerprints and 2) by using highly parallelized Monte-Carlo diffusion simulation techniques combined with generic tissue-models to assess tissue histology from dictionary fitting.For that purpose, the project exploits the capabilities of a unique CONNECTOM MR scanner, with the world’s strongest gradient-system approved for human application and dedicated to diffusion measurements.In preparation for this project two dMRS sequences have been implemented and tested on the CONNECTOM, where one is expanded by the novel b-tensor diffusion-encoding technique. In addition, a highly parallelized diffusion simulator was implemented and tested, which allows to simulate diffusion in realistic tissue samples.Besides a proof of principle in phantom and healthy subjects, it is intended to test the feasibility in an ongoing and approved clinical trial on brain tissue inflammation, where the dMRSf sequence can be added. Finally, I hope to pave the way for a new non-invasive diagnostic tool, which can complement other (patho)histological probes.
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