Combined MRI and MRS in Prostate Cancer: Improvement of Spectral Quality by Susceptibility Matching

Zusammenfassung

Ziel: Magnetfeldinhomogenitäten und Suszeptibilitätssprünge durch Luft in der Endorektalspule sind problematisch für eine hochwertige spektroskopische Bildgebung (MRSI) der Prostata. Perflubron (PFB) besitzt eine ähnliche Suszeptibilität wie Weichteilgewebe. Wir untersuchten in vivo prospektiv den Effekt von PFB auf die ¹H-3D-MRSI der Prostata. Material und Methoden: 91 konsekutive Patienten wurden vergleichend mit Luft und PFB als Füllmaterial für die Endorektalspule mit 3D-MRSI bei 1,5T untersucht. Beide PRESS-Akquisitionen wurden in identischer Spulen- und Patientenlage mit gleichen Untersuchungsparametern und Auto-Shim (ohne manuellen Shim) durchgeführt. Die Linienbreite des Wasserpeaks bei halbem Maximum (FWHM) wurde mit gepaartem t-Test statistisch verglichen. Anhand der Abgrenzbarkeit der Metabolitenpeaks sowie der Identifikation des Dupletts des Zitratpeaks wurde die Spektrenqualität untersucht. Die Untersuchungszeit wurde erfasst und die Bildqualität der T 2w-Aufnahmen auf einer 5-Punkt-Skala bewertet. Ergebnisse: FWHM war bei 85 / 91 Patienten mit PFB (MW ± SD: 9,0 ± 3,3; Wertebereich: 3 – 20) signifikant geringer (p < 0,001) als mit Luft (14,9 ± 4,2; Wertebereich 6 – 26). Die Qualität der Spektren verbesserte sich mit PFB deutlich, sodass häufig das Duplett des Zitratpeaks sichtbar war. Die Bewertung der Bildqualität ergab keine signifikanten Unterschiede (PFB: 4,2; Luft: 4,3 Punkte). Der Verzicht auf manuelles Shimmen führte zur Zeiteinsparung von 4 min pro Scan. Schlussfolgerung: Suszeptibilitätsangleichung mit PFB führt zu signifikant besserer lokaler Magnetfeldhomogenität. Die Spektrenqualität profitiert substanziell, insbesondere in den wichtigen dorsalen Bereiche der Prostata. Auf zeitaufwendiges manuelles Shimmen kann mit PFB verzichtet werden.

Abstract

Purpose: Local magnetic field inhomogeneity caused by susceptibility artifacts due to air in the endorectal coil substantially degrades the quality of 3D MR spectroscopic imaging (3D-MRSI). Perflubron (PFB) has magnetic susceptibility similar to that of human tissue. We prospectively assessed the effect of susceptibility matching using PFB on in vivo prostate ¹H-3D-MRSI. Materials and Methods: Ninety-one consecutive patients referred for 3D-MRSI were examined using air and PFB as the filling agent for endorectal coils at 1.5T with an identically placed PRESS box and sat bands. Solely auto-shim without additional manual shimming was used. The full width at half maximum (FWHM) of the water peak was statistically compared with a paired t-test. The spectral quality was visually evaluated for the definition of metabolite peaks and for the citrate peak split (duplet). The MR image quality was rated on a five-point scale. Results: FWHM was significantly less (p < 0.001) using PFB (mean 9.0 ± 3.3, range 3 – 20) than air (mean 14.9 ± 4.2, range 6 – 26) in 85 / 91 patients (93 %). The spectral quality markedly improved using PFB and frequently the duplet of the citrate peak was able to be identified. Image quality ratings were similar (mean rating PFB 4.2, air 4.3 points). Omitting manual shimming led to a time savings of 4 min. per study. Conclusion: 3D-MRSI using PFB for susceptibility matching benefits from significantly better local field homogeneity, thus providing improved spectra quality. Combined with a substantial time savings in data acquisition, this may increase the clinical utilization of 3D-MRSI in patients with prostate cancer.

Key words

prostate - neoplasms - MR spectroscopy - perfluorocarbon

References

• 1 Frauscher F, Klauser A, Berger A P. et al . Sonographie des Prostatakarzinoms. Derzeitiger Stand und Zukunftsperspektiven.  Radiologe. 2003;  43 455-463
• 2 Sedelaar J P, Roermund J G, Leenders van G L. et al . Three-dimensional grayscale ultrasound: evaluation of prostate cancer compared with benign prostatic hyperplasia.  Urology. 2001;  57 914-920
• 3 Halpern E J, Ramey J R, Strup S E. et al . Detection of prostate carcinoma with contrast-enhanced sonography using intermittent harmonic imaging.  Cancer. 2005;  104 2373-2383
• 4 Hricak van H, White S, Vigneron D. et al . Carcinoma of the prostate gland: MR imaging with pelvic phased-array coils versus integrated endorectal-pelvic phased-array coils.  Radiology. 1994;  193 703-709
• 5 Jager G J, Ruijter E T, Kaa C A. et al . Local staging of prostate cancer with endorectal MR imaging: correlation with histopathology.  Am J Roentgenol. 1996;  166 845-852
• 6 Wefer A E, Hricak van de H, Vigneron D B. et al . Sextant localization of prostate cancer: comparison of sextant biopsy, magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopic imaging with step section histology.  J Urol. 2000;  164 400-404
• 7 Scheidler J, Hricak H, Vigneron D B. et al . Prostate cancer: localization with three-dimensional proton MR spectroscopic imaging – clinicopathologic study.  Radiology. 1999;  213 473-480
• 8 Kaji Y, Kurhanewicz J, Hricak H. et al . Localizing prostate cancer in the presence of postbiopsy changes on MR images: role of proton MR spectroscopic imaging.  Radiology. 1998;  206 785-790
• 9 Futterer J J, Heijmink S W, Scheenen T W. et al . Prostate cancer localization with dynamic contrast-enhanced MR imaging and proton MR spectroscopic imaging.  Radiology. 2006;  241 449-458
• 10 Kurhanewicz J, Vigneron D, Carroll P. et al . Multiparametric magnetic resonance imaging in prostate cancer: present and future.  Curr Opin Urol. 2008;  18 71-77
• 11 Yu K K, Scheidler J, Hricak H. et al . Prostate cancer: prediction of extracapsular extension with endorectal MR imaging and three-dimensional proton MR spectroscopic imaging.  Radiology. 1999;  213 481-488
• 12 Amsellem-Ouazana D, Younes P, Conquy S. et al . Negative prostatic biopsies in patients with a high risk of prostate cancer. Is the combination of endorectal MRI and magnetic resonance spectroscopy imaging (MRSI) a useful tool? A preliminary study.  Eur Urol. 2005;  47 582-586
• 13 Mueller-Lisse U G, Swanson M G, Vigneron D B. et al . Time-dependent effects of hormone-deprivation therapy on prostate metabolism as detected by combined magnetic resonance imaging and 3D magnetic resonance spectroscopic imaging.  Magn Reson Med. 2001;  46 49-57
• 14 Mueller-Lisse U G, Vigneron D B, Hricak H. et al . Localized prostate cancer: effect of hormone deprivation therapy measured by using combined three-dimensional 1 H MR spectroscopy and MR imaging: clinicopathologic case-controlled study.  Radiology. 2001;  221 380-390
• 15 Choi S H, Mattrey R. Improved prostate MR spectroscopy using an endorectal coil inflated with perfluorocarbon (PFC): in vitro validation. 89th Annual Meeting of RSNA Chicago, IL, USA; 2003: 623
• 16 Choi H, Ma J. Use of perfluorocarbon (PFC) in magnetic resonance spectroscopy of prostate: a method to improve the linewidth and the quality of spectra. 90th Annual Meeting of RSNA Chicago, IL, USA; 2004: 270
• 17 Choi H, Ma J. Use of perfluorocarbon compound in the endorectal coil to improve MR spectroscopy of the prostate.  Am J Roentgenol. 2008;  190 1055-1059
• 18 Rosen Y, Bloch B N, Lenkinski R E. et al . 3T MR of the prostate: reducing susceptibility gradients by inflating the endorectal coil with a barium sulfate suspension.  Magn Reson Med. 2007;  57 898-904