Beschleunigte Magnetresonanz-Relaxographie

Ziel dieser Arbeit ist es, die quantitative MRT in den Fokus zu rucken. In den letzten Jahren hat sich auf diesem Forschungsgebiet viel weiterentwickelt und es wurden verschiedenste Sequenzen und Methoden vorgestellt, um insbesondere Relaxationszeitparameter quantitativ in kurzer Zeit zu messen. Steady-State-Sequenzen eignen sich besonders fur diese Thematik, da sie kurze Messzeiten benotigen und daruber hinaus ein relativ hohes SNR besitzen. Speziell die IR TrueFISP-Sequenz bietet fur die Parameterquantifizierung viel Potential. Ursprunglich wurde diese Sequenz an der Universitat Wurzburg zur simultanen Messung von T1- und T2-Relaxationszeiten vorgestellt und hinsichtlich der Zeiteffizienz weiterentwickelt. In dieser Arbeit wurde ein neuartiger iterativer Rekonstruktionsansatz fur die IR TrueFISP-Sequenz entwickelt, der auf einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) basiert und sich die glatten Signalverlaufe zu Nutze macht. Aufgrund der hohen Zeitauflosung dieser Rekonstruktionstechnik werden dabei auch Gewebekomponenten mit kurzen Relaxationszeiten detektierbar. Weiterhin bewahrt der Rekonstruktionsansatz Informationen mehrerer Gewebekomponenten innerhalb eines Voxels und ermoglicht damit eine relaxographische Untersuchung. Insbesondere beim Menschen fuhren der Partialvolumeneffekt und die Mikrostruktur des Gewebes zu Signalverlaufen, die ein multi-exponentielles Signal liefern. Die MR-Relaxographie, also die Darstellung von Relaxationszeitverteilungen innerhalb eines Voxels, stellt eine Moglichkeit dar, um die beteiligten Gewebekomponenten aus dem uberlagerten Signalverlauf zu extrahieren. Insgesamt bilden die optimierte Relaxometrie mit der Moglichkeit der analytischen Korrektur von Magnetfeldinhomogenitaten und die beschleunigte Relaxographie die Hauptteile dieser Dissertation. Die Hauptkapitel werden im Folgenden noch einmal gesondert zusammengefasst. Die simultane Aufnahme der quantitativen T1- und T2-Parameter-Karten kann mit einem Goldenen-Winkel-basiertem radialen IR TrueFISP-Readout in ungefahr 7 Sekunden pro Schicht erreicht werden. Die bisherige Rekonstruktionstechnik mit dem KWIC-Filter ist durch dessen breite Filter-Bandbreite und somit in der zeitlichen Auflosung limitiert. Besonders bei hohen raumlichen Frequenzen wird eine sehr grose Anzahl an Projektionen zusammengefasst um ein Bild zu generieren. Dies sorgt dafur, dass Gewebekomponenten mit kurzer T1*-Relaxationszeit (z.B. Fett oder Myelin) nicht akkurat aufgelost werden konnen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde die T1* shuffling-Rekonstruktion entwickelt, die auf dem T2 Shuffling-Ansatz basiert. Diese Rekonstruktionstechnik macht sich die glatten Signalverlaufe der IR TrueFISP-Sequenz zu Nutze und ermoglicht die Anwendung einer PCA. Die iterative Rekonstruktion sorgt dafur, dass mit nur acht kombinierten Projektionen pro generiertem Bild eine merklich verbesserte temporare Auflosung erzielt werden kann. Ein Nachteil ist jedoch das starkere Rauschen in den ersten Bildern der Zeitserie bedingt durch die angewandte PCA. Dieses verstarkte Rauschen ausert sich in den leicht erhohten Standardabweichungen in den berechneten Parameter-Karten. Jedoch ist der Mittelwert naher an den Referenzwerten im Vergleich zu den Ergebnissen mit dem KWIC-Filter. Letztendlich kann man sagen, dass die Ergebnisse leicht verrauschter, aber exakter sind. Mittels zusatzlichen Regularisierungstechniken oder Vorwissen bezuglich des Rauschlevels ware es zudem noch moglich, das SNR der ersten Bilder zu verbessern, um dadurch den beschriebenen Effekt zu verringern. Grundsatzlich hangt die Genauigkeit von IR TrueFISP vom T1/T2-Verhaltnis des betreffenden Gewebes und dem gewahlten Flipwinkel ab. In dieser Arbeit wurde der Flipwinkel besonders fur weise und graue Masse im menschlichen Gehirn optimiert. Mit den verwendeten 35° wurde er auserdem etwas kleiner gewahlt, um zudem Magnetisierungstransfereffekte zu minimieren. Mit diesen Einstellungen ist die Prazision vor allem fur hohe T1- und niedrige T2-Werte sehr gut, wird jedoch insbesondere fur hohere T2-Werte schlechter. Dies ist aber ein generelles Problem der IR TrueFISP-Sequenz und hangt nicht mit der entwickelten Rekonstruktionsmethode zusammen. Auserdem wurde im funften Kapitel eine Akquisitionstechnik vorgestellt, die eine 3D-Abdeckung der quantitativen Messungen des Gehirns in klinisch akzeptabler Zeit von unter 10 Minuten erzielt. Dies wird durch Einsatz der parallelen Bildgebung erreicht, da eine Kombination aus radialer Abtastung in der Schicht und kartesischer Aufnahme in Schichtrichtung (Stack-of-Stars) vorliegt. Ein groses Problem in der Steady-State-Sequenz (und somit auch bei IR TrueFISP) sind Magnetfeldinhomogenitaten, die durch Suszeptibilitatsunterschiede verschiedener Gewebe und/oder Inhomogenitaten des Hauptmagnetfeldes hervorgerufen werden. Diese fuhren zu Signalausloschungen und damit verbunden zu den beschriebenen Banding-Artefakten. Mithilfe der analytisch ermittelten Korrekturformeln ist es nun moglich, die berechneten (T1,T2)-Wertepaare unter Berucksichtigung der tatsachlich auftretenden Off- Resonanzfrequenz fur einen grosen Bereich zu korrigieren. An den kritischen Stellen, an denen die Bandings auftreten, liefert jedoch auch diese Korrektur keine brauchbaren Ergebnisse. Grundsatzlich ist es fur die Genauigkeit der Ergebnisse stets zu empfehlen, die Flipwinkel- und B0-Karte zusatzlich mit aufzunehmen, um diese Parameter fur die quantitative Auswertung exakt zu kennen. Mit den beschriebenen Methoden aus Kapitel 6 konnte es prinzipiell auch moglich sein, die Off-Resonanzfrequenz aus dem Signalverlauf zu ermitteln und auf die zusatzliche Messung der B0-Karte zu verzichten. B0-Anderungen wahrend der Messung, die von der Erwarmung der passiven Shim-Elemente im MR-System hervorgerufen werden, sind kaum zu korrigieren. Ein stabiler Scanner ohne B0-Drift ist deshalb fur quantitative Auswertungen erforderlich. Die erwahnte Messzeit von 7 Sekunden pro Schicht garantiert, dass auch Gewebe mit langeren Relaxationskomponenten annahernd im Steady-State sind, was wiederum fur das Umkehren des Signals in den abklingenden Verlauf gegen Null und die anschliesende Multikomponentenanalyse (vgl. Kapitel 7) notwendig ist. Mit der inversen Laplace- Transformation ist es innerhalb eines Voxels moglich, Signalverlaufe auf mehrere Komponenten hin zu untersuchen. Der ursprunglich angenommene mono-exponentielle Verlauf wird durch ein multi-exponentielles Verhalten abgelost, was vor allem in biologischem Gewebe eher der Wahrheit entspricht. Gewebe mit kurzen Relaxationskomponenten (T1* < 200 ms) sind klinisch relevant und mit T1* shuffling detektierbar. Vor allem Myelin innerhalb des Gehirns ist bei neurologischen Fragestellungen ein Indikator zur Diagnose im Fruhstadium (z.B. fur neurodegenerative Erkrankungen) und deshalb von besonderem Interesse. Die Integration uber verschiedene T1*-Zeitbereiche im T1*-Spektrum ermoglicht dazu die Erstellung von Gewebekomponenten-Karten, mithilfe derer klinische Auswertungen sinnvoll waren. Die Erstellung dieser Karten ist prinzipiell moglich und funktioniert fur mittlere und lange Gewebekomponenten recht gut. Die klinisch relevanten kurzen Gewebekomponenten sind dagegen bei der radialen Aufnahme mit nur einem Schuss noch nicht befriedigend. Deshalb wurde die Aufnahmetechnik in eine quasi-zufallige kartesische Akquisition mit mehreren Schussen weiterentwickelt. Die Ergebnisse wurden in Kapitel 7 vorgestellt und sind vielversprechend. Einzig die Messzeit sollte mit zusatzlichen Beschleunigungen noch weiter verkurzt und auf eine kartesische 3D-Akquisition erweitert werden. Die Beschrankung auf T1*-Spektren bei der Multikomponentenanalyse und die Tatsache, dass deren Amplitude von einer Kombination von S0 und Sstst abhangen, fuhren dazu, dass es nicht ohne Weiteres moglich ist fur einen einzelnen Gewebetyp an die T1- und T2-Information zu gelangen. In Kapitel 8 wurde gezeigt, dass dies mit einer zusatzlichen Messung gelingen kann. Das finale Ergebnis dieser Messungen ohne und mit Inversion sind zweidimensionale Spektren, bei der fur jede Gewebekomponente innerhalb eines Voxels der T1- und T2-Wert abgelesen werden kann. Wichtig hierbei ist die Tatsache, dass der verwendete Ansatz kein Vorwissen uber die Anzahl der zu erwartenden Gewebekomponenten (Peaks) im Voxel voraussetzt. Auch bei dieser Methodik ist die Kenntnis uber den tatsachlichen Flipwinkel von Bedeutung, da dieser in den Formeln zur Berechnung von T1 und T2 verwendet wird. Die Stabilitat des B0-Feldes ist hier ebenso von enormer Bedeutung, da Anderungen zwischen den beiden Messungen zu einem unterschiedlichen Steady-State und somit zu Abweichungen bei den nachfolgenden Berechnungen fuhren, die auf den selben Steady-State-Wert ausgelegt sind. Zusammenfassend lasst sich sagen, dass mit dieser Arbeit die Grundlagen fur genauere und robustere quantitative Messungen mittels Steady-State-Sequenzen gelegt wurden. Es wurde gezeigt, dass sich Relaxationszeitspektren fur jedes einzelne Voxel generieren lassen. Dadurch ist eine verbesserte Auswertung moglich, um genauere Aussagen uber die Zusammensetzung einer Probe (vor allem beim menschlichen Gewebe) treffen zu konnen. Zudem wurde die Theorie fur ultraschnelle 2D-Relaxographie-Messungen vorgestellt. Erste”Proof of Principle“-Experimente zeigen, dass es moglich ist, 2D-Relaxationszeitspektren in sehr kurzer Zeit zu messen und graphisch darzustellen. Diese Aufnahme- und Datenverarbeitungstechnik ist in dieser Form einmalig und in der Literatur kann bis dato keine schnellere Methode gefunden werden.