Entwicklung einer funktionellen 3D Magnetresonanz-Defäkographie

• Main Author: Ratz, Valentin
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2016
• Subjects: Kernspintomografie; Defäkographie; ddc:538; ddc:612
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/13976; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139762; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139762; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/13976/Dissertation_Ratz_Valentin.pdf

Epidemiologische Studien schätzen die Inzidenz chronischer Obstipation auf bis zu 27% der Gesamtbevölkerung. Betroffenen Patienten ist die Stuhlentleerung nicht oder nur unter großer Anstrengung und nicht selten nur unter Zuhilfenahme der Hand möglich. Häufig sind funktionelle Pathologien, welche sich nur während der Defäkation ausbilden, hierfür verantwortlich. Daher ist für die Diagnose und Evaluation dieser Pathologien ein bildgebendes Verfahren notwendig, welches die dynamische Darstellung der Defäkation ermöglicht. Der Goldstandard zur Untersuchung von Patienten mit funktionellen Beckenbodenstörungen ist die Entero-Colpo-Cysto-Defäkographie (ECCD). Diese Durchleuchtungsmethode erfordert die Applikation ionisierender Strahlung im Bereich des Beckens. Außerdem müssen für die Untersuchung Rektum und Vagina mit bariumhaltigem Kontrastmittel, der Dünndarm mit barium- und iodhaltigem Kontrastmittel und zusätzlich die Blase mit iodhaltigem Kontrastmittel gefüllt werden. Bei der MR-Defäkographie hingegen ist keine ionisierende Strahlung notwendig und nur eine rektale Füllung mit Ultraschallgel als Kontrastmittel erforderlich. Zudem ermöglichen statische Aufnahmen aufgrund des hohen Weichteilkontrasts der MR-Bildgebung eine detaillierte Darstellung des gesamten Beckenbodens. Die MR-Bildgebung ist jedoch im Vergleich zu anderen Bildgebungsmodalitäten, wie beispielsweise der radiographischen Durchleuchtung, langsam. Besonders zur Darstellung dynamischer Prozesse ist daher eine starke Beschleunigung des Akquisitionsprozesses notwendig. Bei der Standard 2D MR-Defäkographie wird für die Beschleunigung der Datenakquisition eine regelmäßige zweifache Unterabtastung des k-Raums vorgenommen. Hierdurch lassen sich aber nur drei räumlich voneinander getrennte 68 2D Schichten mit einer zeitlichen Aktualisierungsrate der drei Schichten von ca. 1s akquirieren. Dadurch ist aber besonders die Diagnose lateral lokalisierter Pathologien eingeschränkt oder gar nicht möglich. Daher wurde in dieser Arbeit eine 3D MR-Defäkographie zur dynamischen Darstellung der Defäkation innerhalb eines vollständigen 3D Volumens entwickelt, implementiert und anhand von 9 Patientenmessungen optimiert. Die letzten 4 Patienten wurden mit den optimierten Sequenzparametern untersucht. Ausgehend von der kartesischen Datenakquisition der bestehenden 2D MRDefäkographie wurden zunächst dreidimensionale kartesische Trajektorien zur Datenakquisition und dafür geeignete Algorithmen zur Datenrekonstruktion untersucht. In diesem Zusammenhang wurde ein GRAPPA Centric-Out Akquisitionsschema in Kombination mit einer GRAPPA Datenrekonstruktion vorgestellt. Es zeigte sich jedoch, dass eine Stack-of-Stars Trajektorie in Bezug auf die stabile, rauscharme, dynamische Darstellung der Defäkation, vorteilhaft gegenüber der untersuchten kartesischen GRAPPA Centric-Out Trajektorie ist. Zur weiteren Optimierung der Messsequenz wurden daher drei radiale Stackof-Stars Akquisitionsschemata untersucht: Das Standard Stack-of-Stars Schema sowie zwei mit View-Sharing und zwei unterschiedlichen Dichtegewichtungen modifizierte Stack-of-Stars Schemata (DW-Sampling 1 und DW-Sampling 2). Das View-Sharing ermöglicht durch die Umstellung der Reihenfolge der akquirierten Partitionen nahezu eine Verdopplung der rekonstruierten Zeitpunkte der dynamisch gemessenen Zeitserie. Die Dichtegewichtung bewirkt, dass in den zentralen Partitionen mehr radiale Speichen gemessen werden und damit das k-Raum Zentrum dichter abgetastet wird als in den äußeren Partitionen. Beim Dichtegewichtungsschema DW-Sampling 2 ist der Abfall der Anzahl der innerhalb einer Partition gemessenen Speichen stärker als beim DW-Sampling 1. Trotzdem führte das mit View-Sharing und DW-Sampling 2 modifizierte Stackof-Stars Akquisitionsschema in Verbindung mit der FISTA Compressed Sensing Datenrekonstruktion zum besten Kompromiss zwischen erreichbarer räumlicher 69 und zeitlicher Auflösung. Dieses optimierte Setup ermöglicht die dynamische Darstellung der Defäkation in 7 Schichten eines vollständigen 3D Volumens mit einer Volumenaktualisierungsrate von 1,3s. Im Vergleich zur standardmäßig durchgeführten 2D MR-Defäkographie ist daher eine mehr als doppelt so große Abdeckung mit einer vergleichbaren zeitlichen Aktualisierungsrate und einer etwas geringeren räumlichen Auflösung gewährleistet. Hierdurch lassen sich zusätzlich zu den gewöhnlichen zentral gelegenen Pathologien auch lateral ausgeprägte Pathologien besser abdecken und diagnostizieren. === Epidemiological studies estimated that the incidence of chronic obstructive diseases is up to 27% of the general population. Affected patients suffer from incomplete obstructed defecation and in many cases defecation is only possible with manual maneuvers. Functional pathologies that only arise during the defecation process are responsible for that. Therefore, for the diagnosis and evaluation of these pathologies an imaging technique is necessary, that allows to visualize the dynamic of the defecation process. The gold-standard to evaluate patients with functional pelvic floor disorders is the radiographic method of Entero-Colpo-Cysto Defecography (ECCD). Two major disadvantages of ECCD are the application of ionizing radiation in the pelvic floor region and the displeasing measurement procedure for the patients. Barium containing contrast agent has to be administered to rectum and vagina of the patient, barium and iodine containing contrast agents have to be administered to the small intestine and in addition the bladder has to be filled with iodine containing contrast agent. However MR-defecography uses no ionizing radiation and only requires a rectal filling with sonographic gel as contrast agent. In addition static MR images provide a detailed overview over the whole pelvic floor due to the high soft tissue contrast. But compared to other imaging modalities like ECCD MR imaging is slow and thus a high acceleration of the data acquisition is necessary to visualize the fast dynamic defecation process. In the standard 2D MR-defecography a regular twofold undersampling of the kspace is performed for acceleration. Hereby only 3 spatially separated 2D slices with a temporal update rate of about 1s can be acquired. Thus especially the detection of lateral localized pathologies is limited or even impossible. 72 Therefore, a 3D MR-defecography was developed, implemented and optimized by means of a study in 9 patients. The last 4 patients were investigated with the optimized parameters. Based on the Cartesian data acquisition of the standard 2D MR-defecography, 3D Cartesian trajectories for data acquisition and suitable algorithms for data reconstruction were evaluated. In this context a GRAPPA Centric-Out acquisition scheme in combination with a GRAPPA data reconstruction was presented. It turned out however, that a Stack-of-Stars trajectory is preferable to the proposed Cartesian GRAPPA Centric-Out trajectory in regard to a stable, low-noise and dynamic visualization of the defecation. Therefore, to further optimize the measurement sequence, three different Stackof-Stars data acquisition schemes were investigated: The standard Stack-ofStars scheme as well as the two with View-Sharing and Density-Weighting modified Stack-of-Stars schemes DW-Sampling 1 and DW-Sampling 2. ViewSharing allows to almost double the number of reconstructed time frames by changing the order of the acquired partitions. The Density-Weighting results in more radial spokes in the central partitions than in the outer partitions and thereby assures a denser sampling of the k-space center than in the kspace periphery. The undersampling factors in the outer partitions are higher in DW-Sampling 2 than in DW-Sampling 1. Nevertheless the Stack-of-Stars acquisition scheme modified with View-Sharing and DW-Sampling 2 in combination with a FISTA Compressed Sensing data reconstruction led to the best trade-off between achievable spatial and temporal resolution. This optimized setup allows the dynamic visualization of the defecation within 7 slices and a volume update rate of 1,3s. Compared to the standard 2D MR-defecography a more than doubled spatial coverage and a comparable temporal update rate are provided. This offers the possibility to cover and evaluate lateral localized pathologies additionally to the standard central localized pathologies.