Isthmic spondylolysis is characterized by a stress injury to the pars interarticularis bones of the lumbar spines and is often missed by conventional magnetic resonance imaging (MRI), necessitating a computed tomography (CT) for accurate diagnosis. We compare MRI techniques suitable for producing CT-like images. Lumbar spines of asymptomatic and low back pain (LBP) subjects were imaged at 3-Tesla with multi-echo ultrashort echo time (UTE) and field echo (FE) sequences followed by simple post-processing of averaging and inverting to depict spinal bones with a CT-like appearance. The contrast-to-noise ratio (CNR) for bone was determined to compare UTE vs. FE and single-echo vs. multi-echo data. Visually, both sequences depicted cortical bone with good contrast; UTE-processed sequences provided a flatter contrast for soft tissues that made them easy to distinguish from bone, while FE-processed images had better resolution and bone–muscle contrast, which are important for fracture detection. Additionally, multi-echo images provided significantly (p = 0.03) greater CNR compared with single-echo images. Using these techniques, progressive spondylolysis was detected in an LBP subject. This study demonstrates the feasibility of using spine bone MRI to yield CT-like contrast. Through the employment of multi-echo UTE and FE sequences combined with simple processing, we observe sufficient enhancements in image quality and contrast to detect pars fractures.

ABSTRACT Background Clearance of cerebrospinal fluid (CSF) is important for the removal of toxins from the brain, with implication for neurodegenerative diseases. Imaging evaluation of CSF outflow in humans has been limited, relying on injections of contrast agents. Objective of this study was to introduce a novel spin-labeling magnetic resonance imaging (MRI) technique to detect and quantify the movement of endogenously tagged CSF without administration of tracer or contrast media, and use the technique to evaluate CSF outflow in normal human subjects with varying ages. Methods This study was performed on a clinical 3-Tesla MRI scanner in healthy subjects (10 males and 6 females; mean age, 47.6 ± 18.9 years; range, 19-71 years) with informed consent. Our non-contrast spin-labeling MRI technique applies a tag pulse on the brain hemisphere, including subarachnoid space, dura mater, brain parenchyma, and images the outflow of the tagged CSF into the superior sagittal sinus. We obtained 3-dimensional images in real time, which was analyzed to determine tagged-signal changes in different regions of the brain involved in CSF outflow or clearance. Additionally, the signal changes over time were fit to a signal curve to determine quantitative flow metrics such as relative CSF flow and volume. These were correlated against subject age to determine aging effects. Results We observed the signal of the tagged CSF moving from the subarachnoid space to the dura mater and parasagittal dura, and finally draining into the superior sagittal sinus. In addition, there was strong evidence of a direct pathway by which tagged CSF flows directly from the subarachnoid space to the superior sagittal sinus, via the lateral wall of superior sagittal sinus. Furthermore, quantitative CSF outflow metrics were shown to decrease significantly with age. Conclusions We demonstrated a novel non-invasive MRI technique to evaluate CSF clearance in humans. In this study, we identified possible two CSF clearance pathways, and determined normative values and decline of CSF flow metrics in normal ages. Our work provides a new opportunity to better understand the relationships of these CSF clearance pathways in ages, which may be a significant factor in the age-related prevalence of neurodegenerative diseases. Funding This study was supported by the National Institutes of Health grants: RF1AG076692 (MM) and R01HL154092 (MM); and made possible by a grant from Canon Medical Systems. Corp., Japan. Clinical trial Not applicable.

Motivation: Coronary Arterial Disease (CAD) evaluations often require myocardium perfusion exams. Many CAD patients also have stents which makes difficult to evaluate images due to susceptibility artifacts. A reliable non-contrast MR perfusion technique in CAD patients with stents is needed. Goal(s): To introduce Time-SLIP technique with Stack-of-Stars (SoS) sequence for more inclusive myocardial assessments without the need for contrast mediums. Approach: Implemented diaphragm navigator echoes and T2-prep with the SoS sequence, refined through phantom trials, for tagging the proximal aortic root blood flow to visualize myocardial perfusion. Results: Preliminary in-vivo scans indicate reduced stent-related artifacts and the feasibility of non-contrast perfusion quantification. Impact: Our non-contrast myocardial perfusion approach offers a safer CAD evaluation, reducing risks from contrast agents. This method opens doors for inclusive patient assessments and encourages further refinement in non-invasive cardiac diagnostics.

Motivation: The purpose of this study is to develop a fast, motion-robust fresh blood imaging (FBI) technique using a centric ky–kz k-space trajectory (cFBI) and an exponential refocusing flip angle (eFA) scheme. Goal(s): Investigate scan time reduction and image quality of cFBI and compare it with the standard FBI technique. Approach: Advancement of the cFBI sequences with eFA and optimized cardiac trigger delays on a 3-T MR imager, aiming to reduce the scan time and maintaining the image quality. Results: cFBI outperforms standard FBI in scan time reduction with good image quality with less motion-related artifacts and Nyquist N/2 artifacts. Impact: A two-fold reduction in scan time is achieved with the non-contrast FBI technique, while still maintaining image quality and reducing motion and N/2 artifacts.

Motivation: Fracture of pars interarticularis is a common injury in adolescent athletes, currently requiring CT scan for accurate diagnosis. Goal(s): Advance MR imaging to depict spinal bone with high fidelity. Approach: Two techniques utilizing multiecho ultrashort echo time (UTE) and field echo (FE) with simple post-processing were developed to image lumbar spinal bone. SNR and CNR were determined, and clinical utility was assessed in patients. Results: Improvements in visual quality and bone contrast were achieved using multiecho processing as opposed to a single echo inversion. Both UTE and FE techniques provided good bone contrast, although FE provide significantly better resolution and bone-muscle contrast. Impact: This study advances MR imaging of the pars interarticularis for evaluation of spondylolysis. We demonstrated clinical feasibility in a patient with a pars defect, depicted with clarity with the techniques described here.

Motivation: The study addresses the need for knee injury diagnosis by advancing MRI techniques to capture both structural and biochemical tissue characteristics. Goal(s): The goal is to develop advanced MRI biomarkers by integrating Z-spectrum/CEST with UTE techniques, improving visualization of knee structures for detection of injuries and pathologiesApproach: We used novel Z-spectrum/CEST and UTE sequences to characterize proton exchange and obtain detailed T2* mapping, aiming to reveal precise biochemical and ultrastructural knee tissue details. Results: Findings demonstrate improved T2* mapping and proton characterization in knee tissues, suggesting potential biomarkers for early pathology identification, although further validation is necessary for clinical application. Impact: Multiparametric imaging of macromolecular exchange and non-exchange protons using ZAP/CEST MRI and UTE imaging with tight intervals δTE offers detailed knee tissue visualization, with potential for developing precise diagnostic biomarkers.

Motivation: Bony structures of the human knee play import roles in the stability and normal function and show alterations in morphology with diseases such as osteoarthritis. Goal(s): Advance MR imaging of the bone. Approach: Three techniques utilizing delta ultrashort echo time (UTE), field echo (FE), and FE with deep learning reconstruction (DLR) with simple post-processing was developed to image knees of volunteers. SNR and CNR were determined. Results: We demonstrate that FE DLR, compared to UTE, was advantageous for greater signal to noise ratio for the cortical bone, as well as higher resolution that depicted trabecular structures. Impact: This study advances MR imaging of the bone, for specific use cases such as morphologic evaluation. The FE technique in particular is immediately translatable using existing sequences to help evaluate knee bone in the clinical settings.

Motivation: Recognizing the crucial role of iron accumulation and CSF clearance in neurodegenerative diseases, this study aimed to address gaps in measuring these factors simultaneously, which may enhance our understanding of neurodegenerative diseases. Goal(s): To employ a multiparametric approach integrating Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) with non-contrast CSF outflow measurements in a single study. Approach: Utilize QSM and Time-SLIP techniques on a small cohort to measure and correlate iron levels in the hippocampus and CSF outflow dynamics. Results: We observed a correlation between iron deposition and age, though no significant age-related changes in CSF outflow were detected, underscoring the need for larger-scale studies. Impact: This study offers researchers a new perspective on the relationship between iron accumulation CSF dynamics and aging, potentially opening pathways for deeper investigation into the mechanisms of neurodegenerative diseases.

Motivation: The rose of cerebrospinal fluid (CSF) in neural health is recognized, yet its outflow and egress within the optic nerve, especially amidst new findings about the glymphatic system, remains less explored. Goal(s): Investigate CSF interactions within the optic nerve using advanced MRI techniques, highlighting implications for conditions like glaucoma. Approach: Utilized advanced Time-Slip sequences on a 3-T MR imager, targeting specific brain regions to study CSF outflow and egress. Results: Clear CSF egress pathways through the optic nerve were found, with distinct outflow influenced by participants’ optical attributes. Impact: Enhances understanding of CSF outflow and egress, providing pivotal insights for addressing neuro-ophthalmological disorders like glaucoma.