Prospective motion correction for high resolution gradient recalled echo-based magnetic resonance imaging at ultra-high field

Abstract

Mit der Magnetresonanztomographie (MRT) kann die Anatomie und das Gefäßsystem des Menschen nicht-invasiv mit einem hervorragenden Weichteilkontrast dargestellt werden. Die hochauflösende MRT könnte die Abgrenzung kleiner anatomischer Strukturen ermöglichen, allerdings sinkt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für kleine Voxelgrößen. Um das SNR zu erhöhen wird die Ultrahochfeld (UHF) MRT (B0 7T) verwendet, da sich das verfügbare SNR proportional zum statischen Magnetfeld verhält. Neben höherem SNR profitieren die Gradient Recalled Echo (GRE)-basierte Kontraste Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) und Time-of-Flight (ToF) Angiographie von verbesserten Kontrastmechanismen am UHF. Dies ermöglichte erstmals die nicht-invasive Darstellung kleiner, hochrelevanter Strukturen, wie z.B. des Substantia-Nigra-Nigrosoms 1 mit QSM und der lentikulostriäre Arterien mit ToF Angiographie. Obwohl UHF eine höhere Nominalauflösung bietet, kann die effektive Auflösung durch die Bewegung des Probanden und dadurch hervorgerufene Bildartefakte reduziert werden. Selbst gesunde Probanden bewegen sich aufgrund von Atmung und Muskelentspannung unbeabsichtigt. Bei hohen Auflösungen liegt die Amplitude dieser Bewegungen in der Größenordnung der Voxelgröße. Desweiteren sind Bewegungen des Probanden während der langen Aufnahmezeiten sehr wahrscheinlich. Infolgedessen ist die hochauflösende Bildgebung durch die Fähigkeit der Probanden bewegungslos zu bleiben begrenzt — die so genannte biologische Auflösungsgrenze. In dieser Arbeit wurde prospektive Bewegungkorrektur (PMC) verwendet um diese Auflö-sungsgrenze zu überwinden. Zu diesem Zweck wurden zwei UHF-Studien für hochaufgelöste, bewegungskorrigierte QSM und ToF Angiographie durchgeführt. Darüber hinaus wurden Methoden verwendet um Herausforderungen wie Phasensignularitäten und erhöhte spezifische Absorptionsraten (SAR) zu überwinden. Beide Studien zeigten qualitativ und quantitativ, dass unvermeidbare, kleinste Bewegungen die zuverlässige Erkennung kleiner Bilddetails und die Reproduzierbarkeit quantitativer Werte reduzieren. Mit PMC konnte dieses verhindert werden und Bilder über die biologische Auflösungsgrenze hinaus wurden aufgenommen: QSM mit 330 µm und ToF Angiographie mit 150 µm isotroper Voxelgrößen. Dies sind einige der am höchaufgelösten MRT-Daten jemals. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit PMC das volle Potenzial der hochauflösenden, GRE-basierten UHF-MRT genutzt werden kann.

With Magnetic Resonance Imaging (MRI) the human anatomy and vasculature can be depicted non-invasively with superb soft-matter contrast. High resolution MRI could enable delineation of small anatomical structures, however, the resulting smaller voxel sizes reduce the signal-tonoise ratio (SNR). To overcome this, ultra-high field (UHF) MRI (B0 7T) has been developed because the available SNR scales with the static magnetic field. Besides the boost in SNR, the Gradient Recalled Echo (GRE)-based contrasts Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) and Time-of-Flight (ToF) angiography benefit from enhanced contrast mechanisms at UHF. This enabled the non-invasive depiction of small, highly relevant structures for the first time, such as the substantia nigra nigrosome 1 with QSM and lenticulostriate arteries with ToF angiography. Although, UHF provides higher nominal resolution the effective resolution can be decreased due to subject motion and its induced image artifacts. Even healthy subjects move unintentionally due to breathing and muscle relaxation. For high resolutions, the amplitude of these motions is in the order of the voxel size and the long acquisition times render subject motion more likely. As a result high resolution imaging is limited by the subjects’ ability to remain motionless — the so-called biological resolution limit. In this thesis, Prospective Motion Correction (PMC) was applied to overcome this resolution limit. To that end, two dedicated studies for high resolution, motion-corrected QSM and ToF angiography have been performed at UHF. Furthermore, challenges such as phase singularities and increased Specific Absorption Rate (SAR) constraints have been addressed. Both studies showed qualitatively and quantitatively that inevitable, small-scale motion reduces the reliable detection of small image features and reproducibility of quantitative estimates. With PMC this degradation could be prevented and imaging beyond the biological resolution limit was possible. QSM at 330 μm and ToF angiograpyh at 150 μm isotropic voxel size was acquired, representing some of the highest resolution MRI data published to date. In conclusion, PMC unleashed the full potential of high resolution, GRE-based MRI at UHF.