Experimentelle Untersuchungen zu k-Raumstrategien für MRT gestützte Punktionen im offenen Hochfeld MRT bei 1,0 T

Abstract

Durch neue Techniken ist eine nahezu Echtzeitbildgebung im MRT für Interventionen möglich. Die fehlende Exposition mit ionisierenden Strahlen, die multiplanare Schichtorientierung und der hohe Weichteilkontrast sowie die Erfassung von funktionellen Daten prädestiniert die MRT für minimal-invasive Eingriffe. Jedoch existiert derzeit kein Standard für minimale Bildwiederholungsraten. Um maximale Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten, soll dies untersucht werden. Durch das konventionelle Keyhole Imaging lassen sich MRT-Sequenzen beschleunigen. Daher wurde untersucht, welchen Einfluss die reduzierte k-Raumfüllung auf die Darstellung eines Nadelartefaktes hat und wie groß die Abweichung zwischen Bild und tatsächlicher Nadelposition ist. Die Technik soll auf ihre Anwendbarkeit für interventionelle MRT bewertet werden. In den Studien wurde das 1,0T Panorama HFO MRT (Philips, Best, Netherlands) verwendet. Zwei Probandengruppen (A: Erfahrene Untersucher (N=7); B: unerfahrene Probanden (N=13)) punktierten ein statisches Gel-Phantommodell für die Punktionsstudie. Ausgewertet wurden die Bildparameter SNR und CNR sowie die Punktionsparameter Zeit bis zum Auffinden der Ebene (tl), Punktionsdauer (tp), getätigte Korrekturen (cn) und die Distanz zur anvisierten Zielstruktur (dist) nach Beendigung des Punktionsprocederes in Abhängigkeit zur Akquisitionszeit (ta) und der Gruppenzugehörigkeit. Eine interaktive Sequenz wurde auf eine Akquisitionszeit von ta=1s optimiert. Dann wurde sie verzögert, um gleichbleibende Bildqualität bei unterschiedlichen Akquisitionszeiten ta=1s - 6s zu gewährleisten. Ein MR-kompatibler Punktionsautomat lieferte in der k-Raumstudie iterative Bewegungen, die anhand von Gleichungen nachvollzogen werden konnten. Die k-Raumfüllung einer Gradientenechosequenz wurde von 100% (1,4s) in 10%-Schritten bis auf 20% reduziert und zusätzlich eine untere Füllungsgrenze 15% (0,56s) angenommen. Die Qualität der Aufnahmen wurde anhand der Parameter Kontrast (C), CNR, SNR sowie mit Hilfe der Modulationstransferfaktoren (MTF) bestimmt und miteinander verglichen. Weiterhin wurde der Beitrag der Bewegungen entlang (vl) und senkrecht zur Nadel (vp) in Hinblick auf die Darstellung der Nadel ausgewertet. In der Punktionsstudie zeigte sich, dass ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Auffinden der Ebene sowohl für die Akquisitionszeit (p<0,001) als auch der Gruppenzugehörigkeit (p=0,01) besteht (A: ta=1s 25±12s; ta=6s 55±21s; B: ta=1s 22±13s; ta=6s 37±12s). Weiterhin konnte eine Verbindung (p<0,001) zwischen der Akquisitionszeit und der Punktionsdauer dokumentiert werden (A: ta=1s 59±36s; ta=6s 122±21s; B: ta=1s 47±23s; ta=6s 83±12s). Ein signifikanter Zusammenhang besteht ab ta=4s. Ebenso korrelieren die Korrekturen (cn) mit der Akquisitionszeit (p=0,04) und der Gruppenzugehörigkeit (p=0,01) (A: ta=1s 3±2; ta=6s 5±4; B: ta=1s 1,5±1,5s; ta=6s 2±2). Des Weiteren lag die durchschnittliche Genauigkeit bei 5,6±3mm, während die Parameter SNR und CNR konstant gehalten werden konnten. In der k-Raumstudie konnte kein signifikanter Zusammenhang zwischen der Artefaktbreite und der k-Raumfüllung festgestellt werden. Ebenfalls traten keine neuen Artefakte auf. Die Abweichung der berechneten Nadelposition zu der Position des Artefaktes betrug entlang der Nadel 3mm und senkrecht 0,8mm. Weiterhin ließ sich eine schwache Korrelation (r=-0,14) zwischen der reduzierten k-Raumakquisition und dem CNR festhalten. Es konnte gezeigt werden, dass Akquisitionszeiten bis zu 4s für Interventionen an statischen Organen tolerabel sind. Allerdings ist es durch das konventionelle Keyhole Imaging mit k-Raumfüllungen größer 15% möglich, die zeitliche Auflösung bei Punktionen von Strukturen größer als 1mm auf Bruchteile einer Sekunde ohne signifikanten Qualitätsverlust zu erhöhen, wodurch der gesamte Interventionsprozess besser dokumentiert werden kann.

Near real time MR-guided interventions are achievable using new techniques. The lack of exposure to ionizing radiation, multiplanar slice orientation and high soft tissue contrast as well as the acquisition of functional data predestine MRI for minimally invasive interventions. However, there is currently no standard for minimum frame rates. This has to be investigated to ensure maximum safety and efficiency. MRI sequences can be accelerated by using conventional keyhole imaging. Therefore, the influence of reduced k-space filling on the presentation of a needle artefact and the difference between image and physical needle position was investigated. The technique will be evaluated for their applicability to interventional MRI. The 1.0T Panorama HFO MRI (Philips, Best, The Netherlands) was used in the studies. Two groups of experimentees (A: experienced investigators (N = 7), B: inexperienced subjects (N = 13)) punctured a static gel phantom for the puncture study. We analyzed the image parameters SNR and CNR and the puncture parameters time to locate the plane (tl), puncture time (tp), done corrections (cn) and the distance to the intended target structure (dist) after completion of the puncture procedures in respect to the acquisition time (ta) and affiliation to the groups. An interactive sequence has been optimized for an acquisition time of ta=1s. This sequence was delayed to ensure consistent image quality at different acquisition times ta=1s-6s. A MR-compatible puncture machine provided iterative movements in the k-space study, which could be reconstructed on the basis of equations. The k-space filling of a gradient echo sequence of 100% (1.4 s) was reduced in 10% increments down to 20% and in addition a minimum filling of 15% (0.56 s) was assumed. Image quality was measured and compared using the parameters contrast (C), CNR, SNR, as well as the modulation transfer factors (MTF). Furthermore, the contribution of movements along (vl) and perpendicular to the needle (vp) was evaluated in regard to the representation of the needle in the images. The puncture study showed a significant correlation of the time to locate the plane to both, the acquisition time (p<0.001) and the affiliation to the groups (p=0.01; A: ta=1s 25±12s; ta=6s 55±21s; B: ta=1s 22±13s; ta=6s 37±12s). There is also a correlation (p<0.001) between the acquisition time and the puncture time (A: ta=1s 59±36s; ta=6s 122±21s, B: ta=1s 47±23s; ta=6s 83±12s). Moreover, the corrections (cn) correlates with the acquisition time (p=0.04) and the affiliation to the groups (p=0.01; A: ta=1s 3±2; ta=6s 5±4; B: ta=1s 1.5±1.5 s; ta=6s 2±2). Furthermore, the average accuracy was measured with 5.6±3mm, keeping the parameters SNR and CNR constant. The k-space study could not dedect a significant relationship between the width of the needle and the k-space filling. Nevertheless, there were no new artefacts. The deviations of the calculated needle tip positions to the position of the artefact were 3mm along and 0.8mm vertically to the needle axes. Furthermore, a weak correlation (r=-0.14) was found between the reduced k-space acquisition and the CNR. It could be shown that acquisition times up to 4s for interventions to static organs are acceptable. However, it is possible to increase temporal resolution to fractions of a second for punctures on structures larger than 1mm without significant loss in quality using conventional keyhole imaging with filiings greater than 15%, so that the entire intervention process can be better documented.