Abstract Purpose Dynamic T 1 -weighted lung oxygen enhanced MRI (OE-MRI) is challenging at 3 T due to decreased longitudinal relaxivity of oxygen and increased magnetic susceptibility difference between air and tissue interfaces relative to 1.5 T, leading to poor signal quality. In this work, we evaluate the robustness of an alternative T 2 *-sensitised lung dynamic OE-MRI protocol in humans at 3 T. Methods Simulations were performed to predict OE contrast behaviour and optimise the MRI protocol. Sixteen healthy subjects underwent dynamic free-breathing OE-MRI acquisitions using a dual echo RF-spoiled gradient echo acquisition at 3 T on two MRI scanners at different institutions. Non-linear registration and tissue density variation correction were applied. Percent signal enhancement (PSE) maps and ΔR 2 * were derived. Intra-class correlation coefficient (ICC) and Bland-Altman analyses were used to evaluate reproducibility of the OE indices across two sites and vendors as well as scan-rescan repeatability. Results Simulations and experimental data show negative contrast on oxygen inhalation due to substantial dominance of ΔR 2 * at TE longer than 0.2 ms when using our chosen flip angle and TR. Mean PSE values were TE dependent and mean ΔR 2 * was 0.14 ms -1 ± 0.03 ms -1 , ICC values for intra-scanner (ICC intra ) and inter-scanner (ICC inter ) variability for OE indices were high (ICC intra > 0.74; ICC inter = 0.70) and 95% limits of agreement showed strong agreement of repeated measures. Conclusion Our results demonstrate excellent scan-rescan repeatability for the PSE indices and good reproducibility for ΔR 2 * across two sites and vendors, suggesting potential utility in multi-centre clinical studies.

Motivation: We seek better validation and QA of musculoskeletal intensive-variable MR biomarkers. Goal(s): We aimed to devise and evaluate a phantom with suitable form factor and composition for practical use in this setting. Approach: “Expected” temperature- and B0-dependent R1 values were calculated from prior data and verified by inversion recovery (IR). Practical QA use cases for hand and knee trials were exemplified using product-sequence 3D variable flip angle (3DVFA) R1measurements on three vendors’ scanners. Results: There was little deviation between “Expected” and IR-measured R1 (rms 3.8%). 3DVFA R1 exhibited bias (mean +23%) which must be subtracted during within-study QA. Impact: This work will improve QA in real-world musculoskeletal clinical trials which use intensive-variable MR biomarkers, and will help validate such biomarkers.

Motivation: Interaction of drugs via inhibition of liver function affects their toxicity and efficacy, but this is currently difficult to assess clinically. Goal(s): To determine if a DCE-MRI measurement of liver function is sufficiently sensitive to detect drug-induced inhibition of liver function in humans. Approach: 10 healthy volunteers underwent a DCE-MRI measurement of their baseline liver function. The measurement was repeated on a second day after administration of rifampicin, a powerful inhibitor of liver function. Results: Rifampicin reduced the hepatocellular uptake rate by 93%, and the effect was consistent between volunteers. The biliary excretion rate reduced by 48% and the effect was more variable. Impact: Early clinical assessment of drug-drug interactions can significantly reduce the risk of expensive late-stage failures in drug development, potentially increasing the rate at which new drugs can enter the market, and reducing the risk to trial subjects and patients.

Motivation: There is a clinical need for non-ionising methods to assess heterogeneous lung function in cystic fibrosis (CF). Dynamic oxygen-enhanced MRI (OE-MRI) can assess regional lung function, however OE-MRI analysis is impaired by confounding signals and poor SNR. Goal(s): To evaluate the sensitivity of OE-MRI measures to the lung clearance index (LCI) in CF, with and without independent component analysis (ICA) to reduce noise. Approach: We used ICA to reduce noise in the OE-MRI measures. We evaluated the correlation between OE-MRI measures, LCI, and pulmonary function tests. Results: OE-MRI measures demonstrated significant correlation with LCI. OE-MRI measures extracted using ICA displayed clear oxygen-enhancement responses. Impact: Dynamic lung OE-MRI measures extracted using independent component analysis (ICA) exhibited significant correlation with lung clearance index (LCI2.5) in cystic fibrosis (CF) patients, suggesting a potential application of ICA-extracted OE-MRI measures to assess regional disease severity in CF.

Abstract Purpose Dynamic lung oxygen-enhanced MRI (OE-MRI) is challenging due to the presence of confounding signals and poor signal-to-noise ratio, particularly at 3 T. We have created a robust pipeline utilizing independent component analysis (ICA) to automatically extract the oxygen-induced signal change from confounding factors to improve the accuracy and sensitivity of lung OE-MRI. Methods Dynamic OE-MRI was performed on healthy participants using a dual-echo multi- slice spoiled gradient echo sequence at 3 T and cyclical gas delivery. ICA was applied to each echo within a thoracic mask. The ICA component relating to the oxygen-enhancement signal was automatically identified using correlation analysis. The oxygen-enhancement component was reconstructed, and the percentage signal enhancement (PSE) was calculated. The lung PSE of current smokers was compared with non-smokers; scan-rescan repeatability, ICA pipeline repeatability, and reproducibility between two vendors, were assessed. Results ICA successfully extracted a consistent oxygen-enhancement component for all participants. Lung tissue and oxygenated blood displayed opposite oxygen-induced signal enhancements. A significant difference in PSE was observed between the lungs of current smokers and non-smokers. The scan-rescan repeatability, and the ICA pipeline repeatability, were good. Conclusion The developed pipeline demonstrated sensitivity to the signal enhancements of the lung tissue and oxygenated blood at 3 T. The difference in lung PSE between current smokers and non-smokers indicates a likely sensitivity to lung function alterations that may be seen in mild pathology, supporting future use of our methods in patient studies.

Motivation: Functional lung MRI methods based on different physical principles are available, but their relationship is not well understood in diseaseGoal(s): Compare dynamic oxygen-enhanced MRI and ‘α-mapping’ extracted from the same acquisition with lung clearance index (LCI) in a cystic fibrosis (CF) populationApproach: Oxygen enhancement at 30s to 60s after oxygen start and at plateau are compared with α-mapping in 45 CF patients. Results: α-mapping and OE-MRI correlate strongly with LCI, confirming their validity. Dynamic OE-MRI identifies areas of fast and slow enhancement, which may be areas of collateral ventilation. α-mapping cannot separate non-ventilated areas from areas of slow gas arrival. Impact: Dynamic OE-MRI and α-mapping are extracted from a single acquisition and compared in a cystic fibrosis population. Dynamic OE-MRI identifies areas of fast and slow enhancement, possible collateral ventilation. α-Index cannot separate non-ventilated areas from areas of slow gas arrival.