Prospektiv bewegungskorrigierte in-vivo 4D Phasenkontrastbildgebung bei 7 Tesla

Abstract

Ultra High-field (UHF) magnetic resonance imaging (MRI) systems, such as 7 T (Tesla) tomo graphs, are able to acquire a magnetic resonance signal with a higher signal-to-noise ratio (SNR) than devices with lower field strengths. They are particularly suitable for recording data with higher spatial resolution, as is often required in the fields of clinical and neuroscientific imaging. Movements such as heartbeat, breathing, swallowing movements or muscle relaxation cannot be prevented even with cooperative and experienced test subjects and lead to motion artifacts and to a reduced effective resolution of the images. Furthermore, motion artifacts caused by smaller movements, which would be unnoticeable in lower resolution images, are also visible in higher resolution images. Long measurement times are already a challenge for some MRI acquisition methods, even without particularly high resolution. This also includes 4D phase contrast-MRI (PC-MRI), which can depict temporally repetitive processes such as pulsatile blood flow by recording data triggered by the heartbeat. With higher spatial and temporal resolution and a larger field of view (FOV), measurement times of 30 bis 60 min or more are not uncommon, making the occurrence of unwanted patient motion more likely. Patient movement reduces the effective resolution and therefore represents a biological resolution limit. Prospective motion correction (PMC) at 3 T and 7 T has proven to be effective against image artifacts caused by motion. Although the use of prospective motion correction is increasingly widely reported, most of the work is proof of concept (POC) studies and technical descriptions, whereas descriptions of practical applications and clinical benefits are still rare. This thesis des cribes the technical principles of prospective motion correction using an external camera system for motion tracking and the adaptations required to use the system in the UHF environment. The gradients and frequencies of the MRI scanner are adjusted according to the motion data to ensure consistency of the recorded data. Two possible applications in the UHF MRI environment, which are both characterized by very long measurement times, are described: the acquisition of very high-resolution MR data and the measurement of flow information using 4D PC-MRI. The long measurement times are due to the increased amount of data that must be collected for very high resolutions or for time-resolved data. The advantages of a field strength of 7 T even without motion correction in the two applications are presented and study data are shown, both with healthy test subjects and with aneurysm patients. As a result, ultra-high-resolution motion-corrected MR data and large-volume, motion corrected flow data with high temporal and spatial resolution from healthy subjects are presented and subjected to a qualitative and quantitative evaluation. The results show that PMC is able to improve the quality of MR measurements also when using the PC-MRI technique, especially with longer measurement times, even in cooperative subjects.

Ultrahoch-Feld (UHF) Magnetresonanztomografie (MRT) Systeme, wie 7 T (Tesla) Tomografen, sind in der Lage, ein Magnetresonanz-Signal mit einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio) (SNR) zu erhalten als Geräte mit niedrigeren Feldstärken. Sie eignen sich daher besonders zur Aufnahme von Daten mit höherer räumlicher Auflösung, wie sie häufig in den Bereichen der klinischen und neurowissenschaftlichen Bildgebung verlangt werden. Bewegungen wie Herzschlag, Atmung, Schluckbewegungen oder Muskelentspannung lassen sich selbst mit kooperativen und erfahrenen Testpersonen nicht verhindern und führen zu Bewegungsartefakten und zu einer reduzierten effektiven Auflösung der Bilder. Des Weiteren sind in Aufnahmen mit höherer Auflösung auch Bewegungsartefakte sichtbar, die durch kleinere Bewegungen verursacht werden, welche in niedriger aufgelösten Bildern unauffällig wären. Lange Messzeiten stellen bei einigen MRT-Aufnahmeverfahren auch ohne besonders hohe Auflösung bereits eine Herausforderung dar. Hierzu zählt auch die 4D Phasenkontrast-MRT (phase contrast-MRI) (PC MRI), welche zeitlich repetitive Abläufe wie den pulsatilen Blutfluss darstellen kann, indem die Datenaufnahme durch den Herzschlag getriggert erfolgt. Bei höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung und einem größeren Sichtfeld (engl. Field of View) (FOV) sind Messzeiten von 30 bis 60 min oder mehr keine Seltenheit, wodurch das Auftreten unerwünschter Patientenbewegungen wahrscheinlicher wird. Patientenbewegungen verringern die effektive Auflösung und stellen daher eine biologische Auflösungsgrenze dar. Prospektive Bewegungskorrektur (engl. prospective motion correction) (PMC) bei 3 T und 7 T hat sich als effektives Mittel gegen durch Bewegung verursachte Bildartefakte erwiesen. Auch wenn die Anwendung von prospektiver Bewegungskorrektur zunehmend häufig berichtet wird, handelt es sich bei dem Großteil der Arbeiten um Machbarkeitsnachweis (engl. Proof of Concept) (POC)-Studien und technische Beschreibungen, wohingegen Beschreibungen über die praktische Anwendbarkeit und klinischen Nutzen noch selten sind. Die vorliegende Arbeit beschreibt die technischen Grundlagen der prospektiven Bewegungskorrektur unter Verwendung eines externen Kamerasystems zur Bewegungserfassung und die Anpassungen, welche zur Nutzung des Systems in der UHF Umgebung nötig sind. Die Gradienten und Frequenzen des Magnetresonanz (MR)–Scanners werden entsprechend der Bewegungsdaten angepasst um die Konsistenz der aufgenommenen Daten zu gewährleisten. Zwei mögliche Anwendungen in der UHF MRT Umgebung, welche beide von sehr langen Messzeiten gekennzeichnet sind, werden beschrieben: die Aufnahme sehr hoch aufgelöster MR– Daten und die Messung von Flussinformationen mittels 4D PC-MRI. Die langen Messzeiten sind auf die erhöhte Datenmenge, die für sehr hohe Auflösungen beziehungsweise für zeitaufgelöste Daten gesammelt werden muss, zurückzuführen. Die Vorteile einer Feldstärke von 7 T auch ohne Bewegungskorrektur bei den beiden Anwendungen werden dargestellt und Studiendaten gezeigt, sowohl mit gesunden Versuchspersonen als auch mit Aneurysmapatientinnen und -patienten. Als Ergebnis der Arbeit werden zum einen ultrahochaufgelöste bewegungskorrigierte MR Daten und zum anderen großvolumige, zeitlich und räumlich hochaufgelöste bewegungskorri gierte Flussdaten von gesunden Probanden präsentiert und einer qualitativen und quantitativen Bewertung unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass PMC in der Lage ist, die Qualität von MR-Messungen auch bei Nutzung der PC-MRI-Technik, insbesondere bei längeren Messzeiten, auch bei kooperativen Probanden zu verbessern.