Quantitative susceptibility mapping (QSM) based on gradient echo (GRE) magnetic resonance phase data is a novel technique for non-invasive assessment of magnetic tissue susceptibility differences. The method is expected to be an important means to determine iron distributions in vivo and may, thus, be instrumental for elucidating the physiological role of iron and disease-related iron concentration changes associated with various neurological and psychiatric disorders. This study introduces a framework for QSM and demonstrates calculation of reproducible and orientation-independent susceptibility maps from GRE data acquired at 3T. The potential of these susceptibility maps to perform anatomical imaging is investigated, as well as the ability to measure the venous blood oxygen saturation level in large vessels, and to assess the local tissue iron concentration. In order to take into account diamagnetic susceptibility contributions induced by myelin, a correction scheme for susceptibility based iron estimation is demonstrated. The findings suggest that susceptibility contrast, and therewith also phase contrast, are not only linked to the storage iron concentration but are also significantly influenced by other sources such as myelin. After myelin correction the linear dependence between magnetic susceptibilities and previously published iron concentrations from post mortem studies was significantly improved. Finally, a comparison between susceptibility maps and processed phase images indicated that caution should be exercised when drawing conclusions about iron concentrations when directly assessing processed phase information.

Quantitative susceptibility mapping (QSM) is a novel technique which allows determining the bulk magnetic susceptibility distribution of tissue in vivo from gradient echo magnetic resonance phase images. It is commonly assumed that paramagnetic iron is the predominant source of susceptibility variations in gray matter as many studies have reported a reasonable correlation of magnetic susceptibility with brain iron concentrations in vivo. Instead of performing direct comparisons, however, all these studies used the putative iron concentrations reported in the hallmark study by Hallgren and Sourander (1958) for their analysis. Consequently, the extent to which QSM can serve to reliably assess brain iron levels is not yet fully clear. To provide such information we investigated the relation between bulk tissue magnetic susceptibility and brain iron concentration in unfixed (in situ) post mortem brains of 13 subjects using MRI and inductively coupled plasma mass spectrometry. A strong linear correlation between chemically determined iron concentration and bulk magnetic susceptibility was found in gray matter structures (r = 0.84, p < 0.001), whereas the correlation coefficient was much lower in white matter (r = 0.27, p < 0.001). The slope of the overall linear correlation was consistent with theoretical considerations of the magnetism of ferritin supporting that most of the iron in the brain is bound to ferritin proteins. In conclusion, iron is the dominant source of magnetic susceptibility in deep gray matter and can be assessed with QSM. In white matter regions the estimation of iron concentrations by QSM is less accurate and more complex because the counteracting contribution from diamagnetic myelinated neuronal fibers confounds the interpretation.

Quantitative magnetic susceptibility mapping (QSM) has recently been introduced to provide a novel quantitative and local MRI contrast. However, the anatomical contrast represented by in vivo susceptibility maps has not yet been compared systematically and comprehensively with gradient (recalled) echo (GRE) magnitude, frequency, and R2⁎ images. Therefore, this study compares high-resolution quantitative susceptibility maps with conventional GRE imaging approaches (magnitude, frequency, R2⁎) in healthy individuals at 7 T with respect to anatomic tissue contrast. Volumes-of-interest were analyzed in deep and cortical gray matter (GM) as well as in white matter (WM) on R2⁎ and susceptibility maps. High-resolution magnetic susceptibility maps of the human brain exhibited superb contrast that allowed the identification of substructures of the thalamus, midbrain and basal ganglia, as well as of the cerebral cortex. These were consistent with histology but not generally visible on magnitude, frequency or R2⁎-maps. Common target structures for deep brain stimulation, including substantia nigra pars reticulata, ventral intermediate nucleus, subthalamic nucleus, and the substructure of the internal globus pallidus, were clearly distinguishable from surrounding tissue on magnetic susceptibility maps. The laminar substructure of the cortical GM differed depending on the anatomical region, i.e., a cortical layer with increased magnetic susceptibility, corresponding to the Stria of Gennari, was found in the GM of the primary visual cortex, V1, whereas a layer with reduced magnetic susceptibility was observed in the GM of the temporal cortex. Both magnetic susceptibility and R2⁎ values differed substantially in cortical GM depending on the anatomic regions. Regression analysis between magnetic susceptibility and R2⁎ values of WM and GM structures suggested that variations in myelin content cause the overall contrast between gray and white matter on susceptibility maps and that both R2⁎ and susceptibility values provide linear measures for iron content in GM. In conclusion, quantitative magnetic susceptibility mapping provides a non-invasive and spatially specific contrast that opens the door to the assessment of diseases characterized by variation in iron and/or myelin concentrations. Its ability to reflect anatomy of deep GM structures with superb delineation may be useful for neurosurgical applications.

Quantitative susceptibility mapping (QSM) and R2* relaxation rate mapping have demonstrated increased iron deposition in the substantia nigra of patients with idiopathic Parkinson's disease (PD). However, the findings in other subcortical deep gray matter nuclei are converse and the sensitivity of QSM and R2* for morphological changes and their relation to clinical measures of disease severity has so far been investigated only sparsely.The local ethics committee approved this study and all subjects gave written informed consent. 66 patients with idiopathic Parkinson's disease and 58 control subjects underwent quantitative MRI at 3T. Susceptibility and R2* maps were reconstructed from a spoiled multi-echo 3D gradient echo sequence. Mean susceptibilities and R2* rates were measured in subcortical deep gray matter nuclei and compared between patients with PD and controls as well as related to clinical variables.Compared to control subjects, patients with PD had increased R2* values in the substantia nigra. QSM also showed higher susceptibilities in patients with PD in substantia nigra, in the nucleus ruber, thalamus, and globus pallidus. Magnetic susceptibility of several of these structures was correlated with the levodopa-equivalent daily dose (LEDD) and clinical markers of motor and non-motor disease severity (total MDS-UPDRS, MDS-UPDRS-I and II). Disease severity as assessed by the Hoehn & Yahr scale was correlated with magnetic susceptibility in the substantia nigra.The established finding of higher R2* rates in the substantia nigra was extended by QSM showing superior sensitivity for PD-related tissue changes in nigrostriatal dopaminergic pathways. QSM additionally reflected the levodopa-dosage and disease severity. These results suggest a more widespread pathologic involvement and QSM as a novel means for its investigation, more sensitive than current MRI techniques.

Background and purpose The aim was to investigate the plasma levels of hemostasis components in multiple sclerosis ( MS ) and their association with clinical and magnetic resonance imaging ( MRI ) outcomes. Methods In all, 138 MS patients [85 with relapsing–remitting MS ( RR ‐ MS ) and 53 with progressive MS (P‐ MS ) with a mean age of 54 years; 72.5% female; median Expanded Disability Status Scale 3.5; mean disease duration 21 years] and 42 age‐ and sex‐matched healthy individuals ( HI ) were studied. All subjects were examined with 3 T MRI and clinical examinations. Plasma levels of hemostasis factors [procoagulant, factor XII ( FXII )] and inhibitors [tissue factor pathway inhibitor ( TFPI ), thrombomodulin, heparin cofactor II , a disintegrin‐like and metalloprotease with thrombospondin type 1 motif 13 ( ADAMTS 13) and plasminogen activator inhibitor 1 ( PAI ‐1)] were evaluated by magnetic Luminex assays and enzyme‐linked immunosorbent assay. Associations between hemostasis plasma levels and clinical and MRI outcomes were assessed. Results Lower ADAMTS 13 levels were found in MS patients compared to HI ( P = 0.008) and in MS patients presenting with cerebral microbleeds compared to those without ( P = 0.034). Higher PAI ‐1 levels were found in MS patients compared to HI ( P = 0.02). TFPI levels were higher in the P‐ MS subgroup compared to RR ‐ MS patients ( P = 0.011) and compared to HI ( P = 0.002). No significant associations between hemostasis plasma levels and clinical or MRI outcomes were found. Conclusions Decreased ADAMTS 13, particularly in MS patients with cerebral microbleeds, which deserves further investigation, and increased PAI ‐1 and TFPI levels were observed in MS patients, which deserves further investigation. No relationship between hemostasis plasma levels and measures of disease severity was detected.

Background Although reduced thalamic volume is associated with multiple sclerosis (MS)‐related clinical impairment, the role of individual thalamic nuclei remains poorly understood. Purpose/Hypothesis To test whether individual thalamic nuclei volumes are more strongly associated with clinical disability than the whole thalamic volume. Study Type Retrospective analysis of a prospective dataset. Subjects A total of 108 MS patients and 48 age‐ and sex‐matched healthy controls (HCs) Field Strength 3T. Sequences 3D T 1 ‐weighted inversion recovery spoiled gradient echo; 2D T 2 ‐weighted fluid‐attenuated inversion recovery spin echo; 2D dual‐echo proton density‐weighted/T 2 ‐weighted spin echo. Assessments Clinical assessments included the Expanded Disability Status Scale (EDSS), Nine‐Hole Peg Test (9HPT), Timed 25‐Foot Walk (T25FW), Symbol Digit Modalities Test (SDMT), Brief Visuospatial Memory Test‐Revised (BVMTR), and the California Verbal Learning Test (CVLT2). FreeSurfer provided anterior, intralaminar, lateral, medial, ventral, posterior, and total volumes. Statistical Tests False discovery rate‐corrected partial correlations (controlling for age, sex, and education) to assess the relationships between volumes and neuroperformance. Results Compared to HCs, MS patients presented with lower thalamic nuclei volumes ( P < 0.05) except for the intralaminar nucleus ( P = 0.279) and scored worse on all neuroperformance scales ( P ≤ 0.05) except for CVLT2 ( P = 0.151). All nuclei except intralaminar were associated with EDSS (correlation coefficient range: –0.233 to –0.395), SDMT (range: 0.247–0.423), and 9HPT (range: –0.232 to –0.303) (all P < 0.05). BVMTR was associated with anterior ( r = 0.319), lateral ( r = 0.31), and medial ( r = 0.304) volumes (all P < 0.05). T25FW correlated with ventral ( r = –0.392) and total ( r = –0.309) volumes (both P < 0.05), with the latter being significantly greater ( P < 0.05). Data Conclusion Assessing individual nuclei volume can aid in unraveling the relationship between thalamic pathology and disparate aspects of MS‐related disability. Level of Evidence 2 Technical Efficacy Stage 2

Thalamic volume loss is a key marker of neurodegeneration in multiple sclerosis (MS). T2-FLAIR MRI is a common denominator in clinical routine MS imaging, but current methods for thalamic volumetry are not applicable to it. To develop and validate a robust algorithm to measure thalamic volume using clinical routine T2-FLAIR MRI. A dual-stage deep learning approach based on 3D U-net (DeepGRAI – Deep Gray Rating via Artificial Intelligence) was created and trained/validated/tested on 4,590 MRI exams (4288 2D-FLAIR, 302 3D-FLAIR) from 59 centers (80/10/10 train/validation/test split). As training/test targets, FIRST was used to generate thalamic masks from 3D T1 images. Masks were reviewed, corrected, and aligned into T2-FLAIR space. Additional validation was performed to assess inter-scanner reliability (177 subjects at 1.5 T and 3 T within one week) and scan-rescan-reliability (5 subjects scanned, repositioned, and then re-scanned). A longitudinal dataset including assessment of disability and cognition was used to evaluate the predictive value of the approach. DeepGRAI automatically quantified thalamic volume in approximately 7 s per case, and has been made publicly available. Accuracy on T2-FLAIR relative to 3D T1 FIRST was 99.4% (r = 0.94, p < 0.001,TPR = 93.0%, FPR = 0.3%). Inter-scanner error was 3.21%. Scan-rescan error with repositioning was 0.43%. DeepGRAI-derived thalamic volume was associated with disability (r = -0.427,p < 0.001) and cognition (r = -0.537,p < 0.001), and was a significant predictor of longitudinal cognitive decline (R2 = 0.081, p = 0.024; comparatively, FIRST-derived volume was R2 = 0.080, p = 0.025). DeepGRAI provides fast, reliable, and clinically relevant thalamic volume measurement on multicenter clinical-quality T2-FLAIR images. This indicates potential for real-world thalamic volumetry, as well as quantification on legacy datasets without 3D T1 imaging.