SHAVE - eine Sequenz für die Magnetresonanzspektroskopie mit räumlich-selektiver Anregung zweidimensional geformter Voxel

Abstract

This work fits into a series of studies on the use of spatially selective excitation (SSE) to produce arbitrarily shaped acquisition volumes in MR spectroscopy. Acquisition volumes adapted to anatomy offer the possibility to eliminate partial volume effects, an issue of conventional MR spectroscopy. The subject of this thesis is the development and analysis of a new MR sequence, which eliminates the slice selective refocusing pulse, typically used in 2D-SSE applications. Thus, applying appropriate excitation k-space sampling permits ultra-short echo times. Fundamental aspects of the performance of this method were investigated in simulations and experiments using parallel transmission (pTx) techniques. A transmit array with eight independent transmit channels for individual modulation of the RF pulses and a corresponding 8-channel transmit/receive coil were used for the pTx-studies. The pTx-SSE pulse design of an already implemented algorithm was expanded by a segmentation approach of the k-space trajectory and corresponding adjustment of field inhomogeneity correction terms in order to generate broadband SSE pulses. The complete MR signal from the excitation volume results after complex addition of all partial signals of the individual segments. A new MR sequence dubbed SHAVE was developed in order to incorporate this segmented SSE pulse concept. Based on the SPECIAL sequence, slice selection by means of a subtraction procedure in two consecutive acquisitions was realized. This scheme precedes the SSE pulse. Inward spirals that end in k-space center used as excitation trajectories permit a direct FID acquisition after the 2D-SSE excitation with ultrashort echo time. A range of optimal parameters for the design of the segmented k-space trajectory, in terms of efficiency and excitation fidelity, was identified and visualized in a performance chart. The excitation fidelity of the 2D-SSE pulses was examined in Bloch simulations and phantom experiments over a wide frequency range. A comparison with conventional localization by orthogonal slice selective excitation and refocussing pulses showed differences in the chemical shift artifact. In contrast to a linear shift in the conventional localization, in 2D-SSE localization a symmetrical smearing of the pattern edges was observed, increasing with the magnitude of the frequency offset. Finally, the concept of SHAVE was successfully demonstrated in in vivo measurements on the human brain. A dedicated shim insert was used in order to minimize the variation of the off-resonance frequencies over the entire brain, which is beneficial for the standard pulses of the water suppression and outer volume suppression scheme. The in vivo SHAVE spectra were analysed using standard tools of the MRS community and showed consistent results with SPECIAL spectra regarding quantified metabolite concentrations. In conclusion, a new approach for 2D shaped voxel MRS was developed, which offers direct FID acquisition and complements existing sequences. Performance and limits of this sequence were investigated and potentials for further improvements were outlined. Thus, this work contributes to the developments of recent years in the field of MR spectroscopy using multi-dimensional spatially selective excitation.

Diese Arbeit fügt sich ein in eine Reihe von Studien zur Verwendung der mehrdimensionalen räumlich selektiven Anregung (SSE), um beliebig geformte Akquisitionsvolumen für die MR-Spektroskopie zu erzeugen. Der Anatomie angepasste Volumen bieten die Möglichkeit, das Problem der Partialvolumeneffekte der konventionellen MR-Spektroskopie zu beseitigen. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Analyse einer neuen MR-Sequenz, welche den in 2D-SSE-Applikationen typischerweise zur Schichtselektion verwendeten Refokussierungspuls eliminiert und durch ein Subtraktionsverfahren mit adiabatischen Pulsen ersetzt. In Simulationen und Experimenten wurden grundlegende Aspekte der Leistungsfähigkeit dieser Methode unter Verwendung paralleler Sendetechniken (pTx) untersucht. Ein Transmit-Array mit acht unabhängigen Sendekanälen zur individuellen Modulation der HF-Pulse und eine entsprechende 8-Kanal-Sende-/Empfangsspule boten dazu die Hardware-Voraussetzungen. Das pTx-SSE-Pulsdesign eines bereits implementierten Algorithmus wurde um eine Segmentierung der k-Raum-Trajektorien und entsprechende Anpassung der Korrekturterme für magnetische Feldinhomogenitäten erweitert, um spektral breitbandige SSE-Pulse zu erzeugen. Das komplette MR-Signal aus dem lokalisierten Volumen ergibt sich erst nach komplexer Addition aller Teilsignale der einzelnen Segmente. Basierend auf der SPECIAL-Sequenz wurde zur Anwendung der segmentierten 2D-SSE-Pulse die neue MR-Sequenz SHAVE entwickelt, welche die Schichtselektion bereits vor dem Anregungspuls mittels eines Subtraktionsverfahrens in zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen realisiert. Bei Verwendung von ins k-Raum- Zentrum laufenden Spiralen als Anregungs-Trajektorie erlaubt dies eine direkte FIDAkquisition nach der 2D-SSE-Anregung mit ultrakurzen Echozeiten. Ein Bereich optimaler Parameter für das Design der segmentierten k-Raum-Trajektorien im Sinne von Effizienz und Anregungstreue konnte in Simulationen anhand eines Performanzdiagramms identifiziert werden. Die Anregungstreue der 2D-SSE-Pulse wurde in Blochsimulationen und Phantomexperimenten über einen weiten Frequenzbereich untersucht. Vergleiche mit der konventionellen Lokalisation durch orthogonale schichtselektive Anregungs- und Refokussierungspulse zeigten deutliche Unterschiede beim Chemical-Shift-Verhalten der SSE-Muster. Im Gegensatz zu einer linearen Verschiebung bei der konventionellen Lokalisation ist dieses bei der 2D-SSE-Lokalisation durch eine mit dem Betrag des Frequenzoffsets zunehmende, symmetrische Verschmierung der Musterränder gekennzeichnet. Das Konzept von SHAVE wurde schließlich in In-vivo-Messungen am menschlichen Gehirn erfolgreich demonstriert. Hierbei wurde ein dediziertes Shim-Insert verwendet, um die Variation der Offresonanzfrequenzen über das gesamte Gehirn zu minimieren. Die In-vivo-SHAVE-Spektren wurden mit Standardwerkzeugen der MRS-Gemeinschaft ausgewertet und zeigten mit SPECIAL-Spektren konsistente Ergebnisse der quantifizierten Metabolitkonzentrationen. Somit hat die Entwicklung von SHAVE das Angebot an MRS-Sequenzen zur Anregung beliebig 2D geformter Voxel um eine neue Methode mit direkter FID-Akquisition und ultrakurzen Echozeiten vervollstänix digt. Damit leistet diese Arbeit ihren Beitrag zu den Entwicklungen der vergangenen Jahre im Bereich der MR-Spektroskopie unter Verwendung der mehrdimensionalen räumlich selektiven Anregung.