Highly-accelerated diffusion magnetic resonance imaging at ultrahigh field

Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) has established itself as an accurate and precise tool for measuring molecule self-diffusion and is used in various areas. Significant advances have been made in biology, medicine, and especially neuroscience using diffusion magnetic resonance imaging (dMRI), which enables non-invasive research into the microstructure of the brain. In order to further advance progress, it is necessary to continually improve imaging through higher spatiotemporal resolution and higher diffusion weighting via higher diffusion b-values. Previous studies have shown that signal enhancement from higher main magnetic field strengths, particularly at ultrahigh fields (≥ 7 Tesla), provides significant benefits in various MRI modalities. Despite these advantages, ultrahigh field strengths pose particular challenges for dMRI. A significant obstacle is the exacerbation of image distortion caused by off-resonance effects, particularly susceptible in fast MRI pulse sequences such as echo planar imaging (EPI). Therefore, there is an urgent need to improve the image fidelity in ultrahigh field dMRI while maintaining the imaging speed and signal-to-noise ratio (SNR) advantage. This thesis develops a novel rapid pulse sequence that addresses the distortion of EPI while maintaining the SNR advantage for dMRI at the ultrahigh field by combining two EPI variants. These are (i) point-spread function mapping (PSF-EPI) and (ii) view-angle tilting (VAT-EPI). The PSF-EPI has high imaging fidelity but is very time-consuming as a multi-shot approach, while the single-shot VAT-EPI can correct the distortions but has strong image blurring. The merged sequence, VAT-PSF-EPI, accelerates PSF-EPI by four times in correcting distortions caused by brain-air susceptibility differences and fourteen times in eliminating distortion caused by adipose chemical shift. In addition, the eddy current distortion caused by the fast-switching diffusion gradient can be corrected up to b = 3000 s/mm2 while effectively compensating for the image blur caused by the VAT gradient. VAT-PSF-EPI is the only EPI variant that can simultaneously correct these aberrations in ultrahigh field dMRI. These results are confirmed by theoretical derivation and experimental validation. During the doctorate, two emerging limitations, signal reduction and faint fat artifacts, were successfully addressed, allowing signal recovery while suppressing artifacts. The study demonstrates rapid imaging of VAT-PSF-EPI with 1.4 mm3 resolution in 15 seconds (5 shots, total acceleration factor 170) and even higher isotropic resolution (1.17 mm3), as well as dMRI measurements with a very high in-plane resolution (0.7 mm) on a 7-T whole-body human scanner. VAT-PSF-EPI offers a new horizon in ultrahigh field dMRI, a fast and high fidelity imaging without exhausted calibration, modeling, or post-processing computations.

Die Kernspinresonanz (NMR) hat sich als genaues und präzises Werkzeug zur Messung der Selbstdiffusion etabliert und findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. In der Biologie, Medizin und insbesondere in den Neurowissenschaften wurden mittels der Diffusions- Magnetresonanztomographie (dMRT) erhebliche Fortschritte erzielt, was die eine nicht- invasive Erforschung der Mikrostruktur des Gehirns ermöglicht. Um den Fortschritt weiter voranzutreiben, ist es notwendig, die Bildgebung durch höhere räumlich-zeitliche Auflösung und höhere Diffusionsgewichtung stetig zu verbessern. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine Signalverstärkung durch höhere Hauptmagnet- felder, insbesondere bei ultrahohen Feldern (≥ 7 Tesla), erhebliche Vorteile bei verschiede- nen MRT-Modalitäten bietet. Die effektive Nutzung dieser Vorteile in der dMRT birgt je- doch bei ultrahohen Feldstärken besondere Herausforderungen. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Hindernis in der Verschärfung der Bildverzerrung durch Off-Resonanz-Effekte, vornehmlich bei schnellen MRT-Pulssequenzen, wie in der Echo-Planar-Bildgebung (EPI) anfällig sind. Es besteht ein dringender Bedarf, die Bildtreue bei der Ultrahochfeld-dMRT zu verbessern und gleichzeitig die Vorteile der Bildgeschwindigkeit und des Signal-Rausch- Verhältnisses (SNR) beizubehalten. Diese Doktorarbeit entwickelt eine neuartige schnelle Pulssequenz, die sich mit der Verzerrung von EPI befasst und gleichzeitig den SNR-Vorteil für dMRT auf einem Ultra- hochfeld durch die Kombination zweier EPI-Varianten beibehält. Dabei handelt es sich um das Point-Spread-Function-Mapping (PSF-EPI) und das View-Angle Tilting (VAT-EPI). Das PSF-EPI hat eine hohe Abbildungsgenauigkeit, ist aber als Multi-Shot-Methode sehr zeitaufwändig, während das Single-Shot-VAT-EPI die massiven Verzerrungen korrigieren kann, aber eine starke Bildunschärfe aufweist. Die fusionierte Sequenz, VAT-PSF-EPI, beschleunigt PSF-EPI um ein Vierfaches bei der Korrektur starker, durch die Suszep- tibilitätsunterschiede im Gehirn verursachter Verzerrungen und um das Vierzehnfache bei der Beseitigung der Verzerrung durch die chemische Verschiebung des Fettgewebes. Darüber hinaus kann die durch den schnell schaltenden Diffusionsgradienten verursachte Wirbelstromverzerrungen bis zu b = 3000 s/mm2 korrigiert und gleichzeitig die starke Bildunschärfe, die durch den VAT-Gradienten verursacht wird, effektiv kompensiert werden. VAT-PSF-EPI ist die einzige EPI-Sequenz, welche die simultane Korrektur dieser Abbil- dungsfehler bei Ultrahochfeld-dMRT bewerkstelligen kann. Diese Ergebnisse sind durch theoretische Herleitung und experimentelle Validierung bestätigt. Im Laufe der Promotion konnten zwei auftretende Einschränkungen, Signalreduzierung und schwache Fettartefakte, erfolgreich behandelt werden, was die Signalwiederherstellung bei gleichzeitiger Unterdrück- ung von Artefakten ermöglicht. Die Studie belegt eine schnelle Bildgebung von VAT-PSF- EPI mit 1,4 mm3 Auflösung in 15 Sekunden (5 Aufnahmen, Gesamtbeschleunigungsfaktor 170), und noch höherer isotroper Auflösung (1,17 mm3), sowie dMRT-Messungen mit einer sehr hohen Flächenauflösung (0,7 mm) bei einem 7-T-Ganzkörperscanner. VAT-PSF-EPI bietet neue Horizonte in der Ultrahochfeld-dMRT, eine schnelle und hohe Bildtreue ohne erschöpfende Kalibrierung, Modellierung und Nachbearbeitungsberechnungen.