Improved Methods for Ultra-High Field Magnetic Susceptibility Imaging

Autor: Eckstein, Korbinian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2021.43447
Popis: Das Magnetresonanzsignal ist eine komplexe Gr����e und kann in Magnitude und Phase zerlegt werden. Die Magnitude findet in den meisten Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT) Anwendung und spiegelt Gewebeparameter wie die Protonendichte und die charakteristischen Relaxationszeiten T1,T2 and T2 wider. Die Phase wird in der konventionellen Bildgebung nicht verwendet, enth��lt jedoch n��tzliche Informationen: Bei Gradientenechosequenzen ist sie proportional zum lokalen Magnetfeld, welches durch unterschiedliche magnetische Suszeptibilit��ten im Gewebe erzeugt wird. Das lokale Magnetfeld spiegelt Kalzium und Eisen im Gewebe wider und unterst��tzt die Untersuchung des Gef����systems und die Erkennung von Suszeptibilit��tsver��nderungen, welche mit neurodegenerativen Prozessen wie der Demyelinisierung und Eisenakkumulation bei Multipler Sklerose einhergehen. Eine Erh��hung der Feldst��rke f��hrt im Allgemeinen zu einer h��heren Aufl��sung und einem besseren Signal-Rausch-Verh��ltnis. Phasenbasierte Methoden profitieren zus��tzlich von ultrahohen Feldern (7T und h��her), da die Gr����e der Phaseneffekte proportional zum Feld ist. Die Bildgebung bei ultrahohen Feldern ist jedoch aufgrund von Phasenartefakten und Signalausf��llen, die sich aus schnelleren Phasen��nderungen und Bildinhomogenit��ten aufgrund der k��rzeren Wellenl��nge des Magnetresonanzsignals ergeben, mit einigen Herausforderungen verbunden. METHODEN: Drei Problematiken der Ultrahochfeld-Phasenbildgebung wurden in dieser Doktorarbeit behandelt: I) Die Kombination von komplexwertigen Signalen aus einem Array von Hochfrequenz-Empfangsspulen unter besonderer Ber��cksichtigung des Phasenanteils des komplexen Signals. II) Die korrekte Identifizierung von Phasenmehrdeutigkeiten auch Wraps genannt, insbesondere im Zusammenhang mit Multi-Echo oder Multi-Timepoint-Daten aus hochaufl��senden dreidimensionalen Datens��tzen. III) Die Eliminierung von Artefakten, die durch hohe Feldst��rken in klinisch verwendeten suszeptibilit��tsgewichteten Bildgebungssequenzen(SWI) entstehen. ERGEBISSE: I) Die entwickelten Spulenkombinationsmethoden waren nicht von den ��blicherweise auftretenden Hochfeld-Phasenartefakten betroffen, was anhand von Datens��tzen aus Gehirnaufnahmen und von Datens��tzen aus problematischeren K��rperregionen, wie z. B. dem Knie, best��tigt wurde. II) Es wurde eine neue Phasen-���Unwrapping���-Methode entwickelt, die bei drei Feldst��rken (3T, 7T,9; 4T) eine h��here Genauigkeit, zeitliche Stabilit��t und eine geringere Laufzeit im Vergleich zu den standardm����ig verwendeten Methoden erreichte. III) Es wurde ein ��berarbeitetes Schema zu Aufnahme und Verarbeitung f��r SWI entwickelt, das die schwerwiegenden Artefakte, die bei SWI durch ein inhomogenes statisches Magnetfeld B0 und die Spulenempfindlichkeiten B1 entstehen, vollst��ndig vermeidet. Dar��ber hinaus konnten Signalausf��lle reduziert, das Signal-Rausch-Verh��ltnis erh��ht und die Sichtbarkeit kleiner Strukturen wie Venen verbessert werden ��� bei unver��nderter Gesamtmesszeit. ZUSAMMENFASSUNG: Drei Problempunkte der Ultrahochfeld-Phasenbildgebung wurden untersucht und neue L��sungen vorgeschlagen: ein verbessertes Konzept f��r die Spulenkombination mit zwei Methoden (ASPIRE und MCPC-3D-S), ein neuer Ansatz f��r das Phasen-unwrapping (ROMEO) und ein ��berarbeitetes Schema f��r die suszeptibilit��tsgewichtete Bildgebung (CLEAR-SWI). Diese neuen Methodensetzen an den gravierendsten Problemen der Bildgebung magnetischer Suszeptibilit��t bei hohen Feldst��rken an. Sie wurden bereits von gro��en Teilen der Forschungsgemeinschaft ��bernommen und werden derzeit in die klinische Anwendung ��berf��hrt.
The magnetic resonance signal is complex in nature, comprising both magnitude and phase constituents. The magnitude, which is the basis for most Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods, reflects tissue parameters such as proton density and the characteristic relaxation times T1, T2 and T2 . The phase is not used in conventional imaging, but contains useful information: in gradientecho imaging it is proportional to the local magnetic field which is generated by the presence of tissues with different magnetic susceptibilities. These reflect the presence of calcium and iron, providing a contrast mechanism which can be used to explore the vasculature and changes in susceptibility which accompany neurodegenerative processes such as demyelination and iron accumulation in multiplesclerosis. Increasing the field strength generally leads to increased resolution and signal-to-noise ratio (SNR), but phase imaging benefits particularly from ultra-high fields (7T and higher), as the size of phase effects is proportional to the field. However, ultra-high field imaging poses several challenges due to phase artefacts and signal drop-outs which result from more rapid phase variations and image inhomogeneities caused by the shorter wavelength of the magnetic resonance signal. METHODS: Three challenges in ultra-high field phase imaging were addressed in this PhD project: I) The combination of complex-valued signals from an array of radio-frequency receive coils, with special consideration to the phase part of the complex signal. II) Correctly identifying phase ambiguities, or wraps, especiallyin the context of multi-echo or multi-timepoint data from high-resolution threedimensional datasets. III) Eliminating artefacts arising due to high field strengths in clinically used Susceptibility Weighted Imaging (SWI) sequences. RESUTS: I) The coil combination methods developed were free of common highfield phase artefacts in brain images and also in datasets acquired in other, more problematic regions of the body, such as the knee. II) A new phase unwrapping method was developed which achieved higher accuracy, temporal stability, and a reduced runtime compared to the predominantly used methods at three field strengths (3T, 7T, 9:4T). III) A reworked acquisition and processing pipeline for SWI was devised that completely avoided the main artefacts corrupting standard SWI, which arise from an inhomogeneous static magnetic field B0 and coil sensitivities B1. Additionally, the severity of signal dropouts was reduced, the SNR increased, and the visibility of small structures such as veins improved while keeping the same total measurement time. CONCUSION: Three challenges in ultra-high field phase imaging were investigated and new solutions proposed: an improved framework for coil combination with the two methods ASPIRE and MCPC-3D-S, a new phase unwrapping approach, ROMEO, and a reworked pipeline for susceptibility weighted imaging, CLEARSWI. These new methods target the most severe problems of magnetic susceptibility imaging at high and ultra-high field strengths. They have already been adopted by large parts of the research community and are being transitioned to clinical application.
Databáze: OpenAIRE