Erweiterung der Anatomischen Abdeckung in der MRT des Herzens

• Main Author: Stäb, Daniel
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2013
• Subjects: Kernspintomographie; Herz; ddc:60; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/9340; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-93405; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-93405; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/9340/Staeb_Daniel_AnatomischeAbdeckungMRTDesHerzens.pdf

Die MRT hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Instrument in der Diagnostik von Herzerkrankungen entwickelt. Da sie ohne ionisierende Strahlung auskommt, stellt sie vor allem auch eine nichtinvasive Alternative zu den nuklearmedizinischen Verfahren und der Computertomographie dar. Im speziellen ermöglicht die kardiale MRT die ortsaufgelöste Darstellung des Herzens mit einer Vielzahl an Kontrasten. Neben der Morphologie können damit auch zahlreiche Funktionsparameter des Herzens, wie die Ejektionsfraktion des linken Ventrikels, oder die Viabilität und Perfusion des Herzmuskels untersucht werden. Atmung und Herzbewegung stellen allerdings große Anforderungen an die MR-Herzbildgebung. Die beiden Störfaktoren limitieren den Zeitraum, der zur Bildakquisition zur Verfügung steht und erzeugen so Konflikte zwischen räumlicher Auflösung, anatomischer Abdeckung, zeitlicher Auflösung und dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR). Ferner ergibt sich für die meisten eingesetzten Verfahren eine erhöhte Komplexität. Die Bildgebungssequenzen müssen mittels EKG an den Herzrhythmus des Patienten angepasst und die Bildakquisitionen im Atemanhaltezustand durchgeführt werden. In manchen Fällen ist sogar eine Aufspaltung der Messung in mehrere Einzelakquisitionen nötig, was wiederum die Dauer der Untersuchungen verlängert und den Patientenkomfort reduziert. Mit technischen Entwicklungen im Bereich der Gradienten und der Empfangsspulen sowie durch den Einsatz dedizierter Bildgebungstechniken konnten in den letzten Jahren signifikante Verbesserungen erzielt und der Stellenwert der MR-Bildgebung in der Herzdiagnostik erhöht werden. Von großer Bedeutung sind dabei auch Beschleunigungsverfahren wie die Parallele Bildgebung, die eine deutliche Verkürzung der Datenakquisition ermöglichen und so den Einfluss von Atmung und Herzbewegung wirksam reduzieren. Die Beschleunigung wird dabei grundsätzlich durch eine unvollständige Datenakquisition bzw. Unterabtastung des k-Raums erzielt, welche im Zuge der Bildrekonstruktion durch Ausnutzen zusätzlich vorhandener Informationen kompensiert wird. Bei der Parallelen Bildgebung ersetzen beispielsweise mehrere um das Objekt herum angeordnete Empfangsspulen die zum Teil unvollständig durchgeführte Gradientenbasierte Ortskodierung. Die Beschleunigungsverfahren sind allerdings wegen der verringerten Datenaufnahme auch immer mit einer Reduktion des SNR verbunden. Eine alternative Strategie zur Beschleunigung der 2D-Bildgebung mit mehreren Schichten stellt die simultane Multischichtbildgebung mit Multi-Slice Controlled Aliasing In Parallel Imaging Results In Higher Acceleration(MS-CAIPIRINHA) dar. Anders als bei der konventionellen Parallelen Bildgebung wird die Beschleunigung hier nicht durch eine reduzierte Datenaufnahme erzielt. Vielmehr werden Multiband-RF-Pulse eingesetzt, um die Spins in mehreren Schichten gleichzeitig anzuregen. Durch Anwenden schichtspezifischer RF-Phasenzyklen wird die Phase der Spins individuell in jeder Schicht moduliert, wodurch sich eine gegenseitige Verschiebung der Schichten im FOV ergibt. Die Verschiebung erleichtert die Separation der gleichzeitig angeregten Schichten mit Verfahren der Parallelen Bildgebung. Sie erlaubt außerdem eine Minimierung der bei der Rekonstruktion entstehenden Rauschverstärkung. Die Multischichtbildgebungstechnik zeichnet sich gegenüber der konventionellen Parallelen Bildgebung durch ein wesentlich höheres SNR und durch eine Bildrekonstruktion mit geringeren Rekonstruktionsfehlern aus. In dieser Dissertation wurden verschiedene Strategien zur Anwendung von MS-CAIPIRINHA in der MRT des Herzens präsentiert sowie ihre Vorund Nachteile gegenübergestellt. Im Allgemeinen ermöglichen die vorgestellten Konzepte eine hinsichtlich des SNR sehr effiziente Erweiterung der anatomischen Abdeckung. Unter anderem wurde eine Möglichkeit vorgestellt, mit der es uneingeschränkt gelingt, MS-CAIPIRINHA in der Bildgebung mit bSSFP-Sequenzen anzuwenden. Die Steady-State-Sequenz wird aufgrund ihres hohen intrinsischen SNR und vorteilhaften Kontrastverhaltens sehr häufig in der MRT des Herzens bei 1,5T eingesetzt. Wie auch die simultane Multischichtbildgebung erfordert sie zum Halten der Magnetisierung im stationären Zustand die Applikation eines dedizierten RF-Phasenzyklus während der Datenakquisition. Der Phasenzyklus der Sequenz ist allerdings nicht ohne Weiteres mit den Phasenzyklen der Multischichttechnik kompatibel, so dass eine Verknüpfung der beiden Verfahren bisher nur durch Aufspalten der Bildakquisition in mehrere Teilmessungen gelang. Mit dem in Kapitel 5 vorgestellten Konzept ist diese zumeist impraktikable Segmentierung nicht mehr erforderlich. Generalisierte RF-Phasenzyklen, die sowohl die Anforderungen der Sequenz, als auch die der Multischichtbildgebung erfüllen, ermöglichen eine uneingeschränkte Anwendung der Multischichttechnik in der Bildgebung mit bSSFP oder vergleichbaren Steady-State-Sequenzen. Die Multischichttechnik ist damit auch bei Untersuchungen in Echtzeit oder mit Magnetisierungspräparation – Verfahren, die unter anderem in der MR-Herzdiagnostik Verwendung finden – einsetzbar. Anhand von Echtzeit-, Cine- und First-Pass-Herzperfusionsuntersuchungen am menschlichen Herzen konnte die Anwendbarkeit des Konzepts erfolgreich demonstriert werden. Durch die Akquisition zweier Schichten in der Zeit, die normalerweise zur Bildgebung einer einzelnen Schicht benötigt wird, gelang eine Verdoppelung der anatomischen Abdeckung bei unverändert hoher Bildqualität. Bei den Herzperfusionsuntersuchungen konnten je RR-Intervall sechs Schichten akquiriert werden. Bei Echtzeit- und Cine-Messungen erlaubt das Konzept eine signifikante Reduktion der Anzahl der Atemanhaltezustände und dementsprechend eine wirksame Verkürzung der Patientenuntersuchung und eine Verbesserung des Patientenkomforts. In Kapitel 6 wurde eine effiziente Strategie zur Anwendung der simultanen Multischichtbildgebung in der First-Pass-Herzperfusionsbildgebung bei 3T vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass durch den Einsatz von MS-CAIPIRINHA mit Beschleunigungsfaktoren, die größer sind als die Anzahl der simultan angeregten Schichten, neben der anatomischen Abdeckung auch die räumliche Auflösung innerhalb der Bildgebungsschicht erhöht werden kann. Beide Verbesserungen sind für die MR-gestützte Diagnostik der Koronaren Herzerkrankung von Bedeutung. Während mit einer hohen räumlichen Auflösung subendokardiale und transmurale Infarktareale unterschieden werden können, erleichtert eine hohe anatomische Abdeckung die genaue Eingrenzung hypoperfundierter Bereiche. Das grundsätzliche Prinzip der vorgestellten Strategie besteht in der Kombination zweier unterschiedlicher Beschleunigungsansätze: Zur Verbesserung der anatomischen Abdeckung kommt die simultane Multischichtbildgebung zum Einsatz. Zusätzlich zur gleichzeitigen Anregung mehrerer Schichten wird der k-Raum regelmäßig unterabgetastet. Die dabei erzielte Beschleunigung wird zur Verbesserung der räumlichen Auflösung eingesetzt. Die Bildrekonstruktion erfolgt mit Verfahren der Parallelen Bildgebung. Der Vorteil des Konzepts liegt insbesondere im vollständigen Erhalt der Datenakquisitionszeit gegenüber einer unbeschleunigten Messung mit Standardabdeckung und -auflösung. Anders als bei konventionellen Beschleunigungsverfahren wirken sich lediglich die Verkleinerung der Voxelgröße sowie die Rauschverstärkung der Bildrekonstruktion SNR-reduzierend aus. Die Rauschverstärkung wird dabei, durch die gegenseitige Verschiebung der simultan angeregten Schichten im FOV, so gering wie möglich gehalten. Die Anwendbarkeit des Konzepts konnte anhand von Simulationen sowie Untersuchungen an Probanden und Herzinfarktpatienten erfolgreich demonstriert werden. Simultanes Anregen zweier Schichten und 2,5-faches Unterabtasten des k-Raums ermöglichte die Durchführung von Untersuchungen mit einer anatomischen Abdeckung von sechs bis acht Schichten je RR-Intervall und einer räumlichen Auflösung von 2,0×2,0×8,0mm3. Es konnte gezeigt werden, dass die angewandte GRAPPA-Rekonstruktion, trotz der effektiv fünffachen Beschleunigung, robust und im Wesentlichen mit geringer Rauschverstärkung durchführbar ist. Bildqualität und SNR waren für eine sektorweise Absolutquantifizierung der Myokardperfusion ausreichend, während die hohe räumliche Auflösung die Abgrenzung kleiner subendokardialer Perfusionsdefizite ermöglichte. Aufgrund seiner großen Flexibilität und recht einfachen Implementierbarkeit ist das Beschleunigungskonzept vielversprechend hinsichtlich einer Anwendung in der klinischen Routine. Die diesbezügliche Tauglichkeit ist allerdings in weiterführenden Patientenstudien noch zu evaluieren. Alternativ zu diesem Konzept wurde in Kapitel 7 noch eine weitere, ebenfalls auf MS-CAIPIRINHA basierende Strategie für die First-Pass-Herzperfusionsbildgebung bei 3T mit großer anatomischer Abdeckung und hoher räumlicher Auflösung vorgestellt. Wie zuvor bestand die Grundidee des Konzepts darin, MS-CAIPIRINHA mit Beschleunigungsfaktoren anzuwenden, welche größer sind als die Anzahl der simultan angeregten Schichten und die Vergrößerung der anatomischen Abdeckung durch simultanes Anregen mehrerer Schichten zu realisieren. Um allerdings die bei der Bildrekonstruktion und Schichtseparation entstehende Rauschverstärkung zu minimieren, wurde zur Verbesserung der räumlichen Auflösung innerhalb der Schicht das nichtlineare Beschleunigungsverfahren Compressed Sensing zum Einsatz gebracht. Die erst in den letzten Jahren entwickelte Technik ermöglicht die exakte Rekonstruktion zufällig unterabgetasteter Daten, sofern bekannt ist, dass sich das rekonstruierte Bild in eine wohldefinierte sparse Darstellung überführen lässt. Neben der Erreichbarkeit hoher Beschleunigungsfaktoren bietet Compressed Sensing den Vorteil einer Bildrekonstruktion ohne signifikante Rauscherhöhung. Zur Einbindung des Verfahrens in das Multischichtbildgebungskonzept erfolgt die für die Verbesserung der Auflösung nötige Unterabtastung des k-Raums, zufällig und inkohärent. Zur Bildrekonstruktion sind zwei Teilschritte erforderlich. Im ersten Teilschritt werden die durch die zufällige Unterabtastung entstandenen inkohärenten Artefakte mit Compressed Sensing entfernt, im zweiten die gleichzeitig angeregten Schichten mit Verfahren der Parallelen MRT separiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Compressed Sensing und MS-CAIPIRINHA eine Reduktion der inhomogenen Rauschverstärkung ermöglicht und zur Durchführung von qualitativen First-Pass-Herzperfusionsuntersuchungen mit einer Abdeckung von sechs bis acht Schichten je RR-Intervall sowie einer räumlichen Auflösung von 2,0 × 2,0 × 8,0mm3 geeignet ist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das angewandte Multischicht-Bildgebungskonzept einer Anwendung des entsprechenden Compressed-Sensing-Konzepts ohne simultane Multischichtanregung überlegen ist. Es stellte sich allerdings auch heraus, dass die rekonstruierten Bilder mit systematischen Fehlern behaftet sind, zu welchen auch ein signifikanter rekonstruktionsbedingter Verlust an zeitlicher Auflösung zählt. Dieser kann zu einer Verzerrung quantitativ bestimmter Perfusionswerte führen und verhindert so robuste quantitative Messungen der Myokardperfusion. Es ist außerdem davon auszugehen, dass auch abrupte Signalveränderungen, die bei Arrhythmien oder Bewegung auftreten, nur sehr ungenau rekonstruiert werden können. Die Systematischen Rekonstruktionsfehler konnten anhand zweier Verfahren, einer Monte-Carlo-Simulation sowie einer Analyse der lokalen Punktantworten präzise Untersucht werden. Die beiden Analysemethoden ermöglichten einerseits die genaue Bestimmung systematischer und statistischer Abweichungen der Signalamplitude und andererseits die Quantifizierung rekonstruktionsbedingter zeitlicher und räumlicher Auflösungsverluste. Dabei konnte ein Mangel an Sparsität als grundlegende Ursache der Rekonstruktionsfehler ermittelt werden. Die bei der Analyse eingesetzten Verfahren erleichtern das Verständnis von Compressed Sensing und können beispielsweise bei der Entwicklung nichtlinearer Beschleunigungskonzepte zur Bildqualitätsanalyse eingesetzt werden. === In the recent years Magnetic Resonance Imaging (MRI) has become a powerful clinical tool for the diagnosis of cardiovascular diseases. In fact, getting along without ionizing radiation, the technique represents a noninvasive alternative to computed tomography or nuclear medicine treatment. In cardiac MRI, the heart can be imaged with a large variety of contrasts, which helps assessing not only morphologic but also functional information like the ejection fraction of the left ventricle or the viability and perfusion of the myocardium. However, having to deal with a moving organ, cardiac MRI is very challenging. In particular, breathing and the motion of the heart restrict the time available for imaging and a trade-off has to be found between signal-to-noise ratio (SNR), spatial resolution, anatomic coverage and temporal resolution. In addition, the motion enforces complexity. In-vivo examinations have to be performed in breath hold and ECG triggering has to be applied in order to adopt the sequences to the cardiac cycle. In several cases, measurements have to be split into multiple acquisitions which significantly prolongs the examination and reduces the patient comfort. Nevertheless, recent advances in gradient and receiver coil design in addition to the development of dedicated sequences for imaging led to significant improvements and helped strengthening the role of MRI in the diagnosis of cardiovascular diseases. A major part of the improvements has been achieved by employing acceleration techniques like Parallel Imaging. By substantially shortening the data acquisition they allow reducing the impact of motion onto the examinations. The acceleration is basically achieved by undersampling k-space, i.e. performing the data acquisition incompletely. The lack of data is compensated by making use of additional information inherently available. In Parallel Imaging for example, multiple receiver coils positioned around the subject to be investigated are utilized to partially replace the spatial encoding conventionally performed by gradient switching. However, employing these acceleration strategies always comes along with a reduction of the SNR since the time utilized for data sampling is shortened. For accelerating 2D measurements of multiple slices, an alternative approach is given by the simultaneous multi-slice imaging technique Multi-Slice Controlled Aliasing In Parallel Imaging Results In Higher Acceleration (MS-CAIPIRINHA). Unlike conventional Parallel Imaging, which requires shortening of the data acquisition, the technique provides acceleration by exciting the spins in multiple slices at the same time using multi-band radio frequency (rf) pulses. The slices are provided with specific rf phase cycles that allow shifting the simultaneously excited slices with respect to each other in the FOV. The shift facilitates the separation of the slices using Parallel Imaging reconstruction techniques. Moreover, it allows minimizing the inhomogeneous noise amplification coming along with the reconstruction. With respect to conventional Parallel Imaging, MS-CAIPIRINHA benefits from considerably higher SNR and an image reconstruction with less reconstruction errors. In this thesis several strategies for employing the simultaneous multi-slice imaging technique in the field of cardiac MRI have been presented together with their advantages and disadvantages. In general, the individual concepts allow for increasing the anatomic coverage in a very SNR efficient manner. First of all, a concept was presented that allows applying MS-CAIPIRINHA to bSSFP sequences. Providing an advantageous image contrast and intrinsically high SNR, the steady-state sequence is often utilized for cardiac MR examinations at field strengths of 1,5T. Like the simultaneous multi-slice imaging technique, it requires the strict application of a dedicated rf phase cycle to keep the magnetization in steady state. However, this rf phase cycle is incompatible to the rf phase cycles usually employed in MS-CAIPIRINHA. Thus, the combination of the two methods is impaired unless the imaging procedure is split into several measurements. This rather impractical segmentation is not required utilizing the concept proposed in chapter 5. By employing generalized rf phase cycles that match the requirements of the simultaneous multi-slice imaging technique while simultaneously fulfilling the steady state condition of the sequence, MS-CAIPIRINHA can be employed unrestrictedly to bSSFP or similar steady state sequences. The simultaneous multi-slice imaging technique is thus also applicable to magnetization prepared and real-time imaging modalities. Both types of examinations are frequently utilized in cardiac MRI. The applicability of the concept was successfully demonstrated for real-time cine, segmented cine and myocardial first-pass perfusion imaging. By scanning two slices in the time conventionally required for the acquisition of one single slice, the anatomic coverage could be doubled while maintaining the image quality almost completely. The myocardial first-pass perfusion examinations for example could be performed with a coverage of six slices every RR-interval. In real-time and cine imaging, the concept allows significantly reducing the number of breath holds that have to be performed. Thus, the examination is considerably shortened and the patient comfort ameliorated. In chapter 6, an efficient strategy for applying MS-CAIPIRINHA to contrast enhanced myocardial first-pass perfusion imaging at 3T was presented. It could be shown that by employing the simultaneous multi-slice imaging technique with an acceleration factor higher than the number of simultaneously excited slices, not only the anatomic coverage but also the spatial resolution can be increased. Both improvements are of importance for the MRI based diagnosis of coronary artery disease. While a high spatial resolution allows distinguishing between transmural and subendocardial hypoperfused regions, a large anatomic coverage facilitates their exact localization. The proposed technique is based on the combination of two different acceleration approaches: For increasing the anatomic coverage the simultaneous multi-slice imaging technique is employed. In addition to exciting multiple slices at once, k-space is regularly undersampled. This supplemental acceleration is utilized to increase the spatial resolution. Image calculation and slice separation is performed using conventional Parallel Imaging reconstruction techniques. In particular, the concept benefits from conserving the image acquisition time with respect to a non-accelerated examination with standard coverage and resolution. In contrast to conventional acceleration techniques, where significantly higher undersampling has to be performed, only the voxel size and the inhomogeneous noise amplification contribute to the SNR reduction. Moreover, the noise amplification is minimized by shifting the simultaneously excited slices with respect to each other in the FOV. The applicability of the concept was demonstrated on volunteers and patients. By exciting two slices at the same time and additionally undersampling k-space by a factor of 2.5, an anatomic coverage of six to eight slices every RR-interval and a spatial resolution of 2,0×2,0×8 0mm3 were achieved. The applied GRAPPA reconstruction algorithm was shown to allow for a robust image reconstruction with basically low noise amplification. The spatial resolution facilitated the differentiation between subendocardial and transmural hypoperfused areas and the image quality as well as the SNR were sufficiently high for a sectorwise absolute quantitative estimation of the myocardial blood flow. Regarding the high flexibility and simple applicability in addition to the robustness and speed of the image reconstruction, the concept is a promising candidate for clinical perfusion studies. However, further patient studies are required to prove the applicability of the concept in clinical routine. As an alternative to this concept, in chapter 7, a different acquisition strategy for myocardial first-pass perfusion imaging with extended coverage and high spatial resolution based on MS-CAIPIRINHA was presented. As before, the underlying idea was to apply the multi-slice imaging technique with acceleration factors higher than the number of slices excited at the same time and to achieve the anatomic coverage extension by means of simultaneous multislice excitation. Nevertheless, in order to minimize the inhomogeneous noise amplification coming along with the image reconstruction, the nonlinear acceleration method Compressed Sensing was employed for increasing the spatial resolution within the imaging plane. This recently developed acceleration technique allows exactly reconstructing MR images from randomly undersampled data as far as the reconstructed image can be sparsified by applying a well-defined transformation. The technique allows for high acceleration factors and benefits from an image reconstruction without significant noise amplification. In order to apply Compressed Sensing to the multi-slice imaging concept, the undersampling for resolution improvement is performed randomly and the image reconstruction is carried out in two separate steps. First, Compressed Sensing is applied in order to remove the incoherent artifacts introduced by random undersampling. Second, the slices are separated by applying conventional Parallel Imaging reconstruction techniques. It could be shown that combining MS-CAIPIRINHA with Compressed Sensing allows reducing the noise amplification and facilitates myocardial first-pass perfusion imaging with an anatomic coverage of six to eight slices every heartbeat and a spatial resolution of 2.0×2.0×8.0mm3. Moreover, it could be shown that the technique is superior to employing the Compressed Sensing concept without simultaneous multi-slice excitation. However, the concept also comes along with an impairment of image quality by systematic reconstruction errors. Amongst the latter for example there is a loss of temporal resolution, which might induce significant errors in a quantitative perfusion analysis. Robust quantitative measurements of the myocardial blood flow are thus not feasible so far. In presence of arrhythmia or motion, significant reconstruction errors, having a major impact onto the quality and the temporal fidelity of the measurement are expected. The systematic reconstruction errors could be precisely analyzed by employing a simple Monte Carlo simulation and a dedicated local point spread function analysis. The two specific tools were utilized to reveal the systematic and statistical deviations of the signal amplitude as well as the spatiotemporal resolution losses. A lack of sparsity could thereby be identified as the basic error cause. In general, the evaluation tools provide useful information for understanding the nonlinear character of Compressed Sensing and may be utilized for image quality analysis in the development of nonlinear reconstruction concepts.