Abstract Chemical exchange saturation transfer (CEST) is a contrast mechanism that exploits exchange‐based magnetization transfer (MT) between solute and water protons. CEST effects compete with direct water saturation and conventional MT processes, and generally can only be quantified through an asymmetry analysis of the water saturation spectrum ( Z ‐spectrum) with respect to the water frequency, a process that is exquisitely sensitive to magnetic field inhomogeneities. Here it is shown that direct water saturation imaging allows measurement of the absolute water frequency in each voxel, allowing proper centering of Z ‐spectra on a voxel‐by‐voxel basis independently of spatial B 0 field variations. Optimal acquisition parameters for this “water saturation shift referencing” (WASSR) approach were estimated using Monte Carlo simulations and later confirmed experimentally. The optimal ratio of the WASSR sweep width to the linewidth of the direct saturation curve was found to be 3.3–4.0, requiring a sampling of 16–32 points. The frequency error was smaller than 1 Hz at signal‐to‐noise ratios of 40 or higher. The WASSR method was applied to study glycogen, where the chemical shift difference between the hydroxyl (OH) protons and bulk water protons at 3T is so small (0.75–1.25 ppm) that the CEST spectrum is inconclusive without proper referencing. Magn Reson Med, 2008. © 2009 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Amide proton transfer (APT) imaging is a type of chemical exchange–dependent saturation transfer (CEST) magnetic resonance imaging (MRI) in which amide protons of endogenous mobile proteins and peptides in tissue are detected. Initial studies have shown promising results for distinguishing tumor from surrounding brain in patients, but these data were hampered by magnetic field inhomogeneity and a low signal‐to‐noise ratio (SNR). Here a practical six‐offset APT data acquisition scheme is presented that, together with a separately acquired CEST spectrum, can provide B 0 ‐inhomogeneity corrected human brain APT images of sufficient SNR within a clinically relevant time frame. Data from nine brain tumor patients at 3T shows that APT intensities were significantly higher in the tumor core, as assigned by gadolinium‐enhancement, than in contralateral normal‐appearing white matter (CNAWM) in patients with high‐grade tumors. Conversely, APT intensities in tumor were indistinguishable from CNAWM in patients with low‐grade tumors. In high‐grade tumors, regions of increased APT extended outside of the core into peripheral zones, indicating the potential of this technique for more accurate delineation of the heterogeneous areas of brain cancers. Magn Reson Med 60:842–849, 2008. © 2008 Wiley‐Liss, Inc.

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.

In school-age children, the myelination of the auditory radiation thalamocortical pathway is associated with the latency of auditory evoked responses, with the myelination of thalamocortical axons facilitating the rapid propagation of acoustic information. Little is known regarding this auditory system function-structure association in infants and toddlers.

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: Regional assessment of functional decline due to radiation-induced lung injury (RILI) remains challengingGoal(s): We aimed to assess the accuracy of the recently introduced kinetic model of xenon exchange (kMXE) by comparison with the established MOXE model using hyperpolarised 129Xe MRIApproach: Employing a RILI rat model, we implemented gas exchange mapping of hyperpolarised 129Xe MRI chemical shift imaging data using 1D compartmental diffusion models. Results: The kMXE results matched the MOXE model well. Both models demonstrated asymmetric outcomes in the RILI cohort, diverging from the homogeneous results in the healthy group. Impact: Using hyperpolarised 129Xe MRI, we evaluated the effectiveness of kMXE and MOXE models and demonstrate their ability to uncover regional functional variations, providing potential biomarkers for assessing the longitudinal progression of radiation-induced lung injury.

Abstract Purpose Sensitivity analysis enables the identification of influential parameters and the optimisation of model composition. Such methods have not previously been applied systematically to models describing hyperpolarised 129 Xe gas exchange in the lung. Here, we evaluate current 129 Xe gas exchange models to assess their precision for identifying alterations in pulmonary-vascular function and lung microstructure. Methods We assess sensitivity using established univariate methods and scatter plots for parameter interactions. We apply them to the model described by Patz and MOXE et al ., examining their ability to measure: i) importance (rank), ii) temporal dependence, and iii) interaction effects of each parameter across healthy and diseased ranges. Results The univariate methods and scatter plot analyses demonstrate consistently similar results for the importance of parameters common to both models evaluated. Alveolar surface area to volume ratio is identified as the parameter to which model signals are most sensitive. The alveolar-capillary barrier thickness is identified as a low-sensitivity parameter for the MOXE model. An acquisition window of at least 200 ms effectively demonstrates model sensitivity to most parameters. Scatter plots reveal interaction effects in both models, impacting output variability and sensitivity. Conclusion Our sensitivity analysis ranks the parameters within the model described by Patz et al and within the MOXE model. The MOXE model shows low sensitivity to alveolar-capillary barrier thickness, highlighting the need for designing acquisition protocols optimised for the measurement of this parameter. The presence of parameter interaction effects highlights the requirement for care in interpreting model outputs.

CD73 is a cell-surface ectoenzyme that hydrolyzes the conversion of extracellular adenosine monophosphate to adenosine, which in turn can promote resistance to immune checkpoint blockade therapy. Immune response may therefore be improved by targeting tumor CD73, and this possibility underlines the need to non-invasively assess tumor CD73 level. In this study, we developed a cysteine site-specific 89Zr-labeled anti-CD73 (89Zr-CD73) IgG immuno-PET technique that can image tumor CD73 expression in living bodies. Anti-CD73 IgG was reduced with tris(2-carboxyethyl)phosphine, underwent sulfohydryl moiety–specific conjugation with deferoxamine–maleimide, and was radiolabeled with 89Zr. CT26 mouse colon cancer cells, CT26/CD73 cells engineered to constitutively overexpress CD73, and 4T1.2 mouse breast cancer cells underwent cell binding assays and western blotting. Balb/c nude mice bearing tumors underwent 89Zr-CD73 IgG PET imaging and biodistribution studies. 89Zr-CD73 IgG showed 20-fold higher binding to overexpressing CT26/CD73 cells compared to low-expressing CT26 cells, and moderate expressing 4T1.2 cells showed uptake that was 38.9 ± 1.51% of CT26/CD73 cells. Uptake was dramatically suppressed by excess unlabeled antibody. CD73 content proportionately increased in CT26 and CT26/CD73 cell mixtures was associated with linear increases in 89Zr-CD73 IgG uptake. 89Zr-CD73 IgG PET/CT displayed clear accumulation in CT26/CD73 tumors with greater uptake compared to CT26 tumors (3.13 ± 1.70%ID/g vs. 1.27 ± 0.31%ID/g at 8 days; P = 0.04). Specificity was further supported by low CT26/CD73 tumor-to-blood ratio of 89Zr-isotype-IgG compared to 89Zr-CD73 IgG (0.48 ± 0.08 vs. 2.68 ± 0.52 at 4 days and 0.53 ± 0.07 vs. 4.81 ± 1.02 at 8 days; both P < 0.001). Immunoblotting and immunohistochemistry confirmed strong CD73 expression in CT26/CD73 tumors and low expression in CT26 tumors. 4T1.2 tumor mice also showed clear 89Zr-CD73 IgG accumulation at 8 days (3.75 ± 0.70%ID/g) with high tumor-to-blood ratio compared to 89Zr-isotype-IgG (4.91 ± 1.74 vs. 1.20 ± 0.28; P < 0.005). 89Zr-CD73 IgG specifically targeted CD73 on high expressing cancer cells in vitro and tumors in vivo. Thus, 89Zr-CD73 IgG immuno-PET may be useful for the non-invasive monitoring of CD73 expression in tumors of living subjects.