Entwicklung lokaler mehrkanaliger Radiofrequenz Sende- und Empfangsantennen und deren Vergleich mit Ganzkörperresonatoren für die kardiale Magnetresonanztomographie bei 3.0 Tesla

Abstract

Durch die Vielzahl von Kontrastmechanismen und den hervorragenden Weichteilkontrast wurde die Magnetresonanztomographie (MRT) zur festen Größe in der Radiologie. Bei Herz-MR-Untersuchungen werden hauptsächlich Radiofrequenz (RF) Ganzkörperresonatoren verwendet um im Körper die erforderlichen elektromagnetischen (EM) Felder zu produzieren. EM Simulationen haben gezeigt, dass der Energieeintrag von Ganzkörperresonatoren auch weit außerhalb der Zielanatomie noch signifikant ist. Gerade für Patienten mit Implantaten (koronare Stents, Hüftimplantate, etc.) ist dies aus Sicherheitserwägungen kritisch, weshalb solche Patienten häufig von MR- Untersuchungen ausgeschlossen werden müssen. Für lokale Sende- und Empfangsantennen wurde demonstriert, dass sie nur auf ein stark begrenztes Körpervolumen merklich Energie abgeben und sich daher als Alternative zu Ganzkörperresonatoren anbieten. Deswegen werden in dieser Arbeit lokale mehrkanalige Sende-/Empfangsantennen simuliert und entwickelt. Ihre Fähigkeiten werden hinsichtlich Signalhomogenität und Anregungseffizienz für die Herz-MRT demonstriert und gegen den bisherigen klinischen Standard - die Anregung mit Ganzkörperresonatoren - verglichen. Zur Umsetzung der Zielstellung wurde eine lokale vierkanalige Sende-/Empfangsantenne simuliert, konstruiert und für die Herz-MRT optimiert. Das zu erwartende Anregungsfeld (B1+) und die spezifische Absorptionsrate (SAR) wurden mittels EM Simulationen bestimmt. Eine Kohorte von 12 gesunden Probanden wurde zum einen mit der lokalen RF-Antenne und zum anderen mit dem Ganzkörperresonator vermessen. Die Herzmorphologie des linken Ventrikels (LV) wurde für beide Fälle anhand eines klinischen Standard-Protokolls quantifiziert und verglichen. Die dabei erzielten Anregungsprofile wurden mithilfe von Anregungskarten charakterisiert. Die EM Simulationen zeigten, dass die lokale RF-Antenne sowohl ein höheres auf die Eingangsleistung normiertes Anregungsfeld (B1+/√Pin) als auch ein höheres erreichbares Feld am lokalen SAR-Limit (B1+@lokales SAR-Limit) als der Ganzkörperresonator erzeugt. Nur wenn der Ganzkörperresonator am Ganzkörper-SAR-Limit betrieben wird, wodurch das lokale SAR-Limit um 90% überschritten wird, können mit dem Ganzkörperresonator höhere Anregungsfelder produziert werden. Die Homogenität des Anregungsfeldes des Ganzkörperresonators übertrifft jedoch die der lokalen RF-Antenne. Der Blut- Myokard-Kontrast war bei beiden Ansätzen vergleichbar. Eine statistische Analyse der LV-Quantifizierung ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Anregungsregimen und demonstriert die klinische Tauglichkeit lokaler Sende-/Empfangsantennen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die höhere Effizienz lokaler RF-Antennen dazu beiträgt, den Blut-Myokard-Kontrast in der Herz-MRT zu verbessern. Alternativ kann der Effizienzgewinn für kürzere Messzeiten verwendet werden, was zudem typische Bildartefakte reduziert. Darüber hinaus wird durch die lokal begrenzte Energieabgabe lokaler RF- Antennen eine MR-Untersuchung für Patienten mit Implantaten ermöglicht. Erhöht man die Zahl unabhängiger Sende-/Empfangskanäle kann das Potential von mehrkanaligen Sende-/Empfangsantennen (B1+-Shimming, parallele Bildgebung, etc.) weiter ausgeschöpft werden. Dadurch lässt sich das ungünstige inhomogene Anregungsprofil lokaler RF-Antennen beheben. Lokale Sende-/Empfangsantennen bilden somit eine veritable Alternative zu heutigen Ganzkörperresonatoren.

The superior soft tissue contrast and wide variety of possible contrasts have made Magnetic Resonance Imaging (MRI) an essential tool for radiologists. Current cardiac MR mainly uses body radiofrequency (RF) resonators to produce the required electromagnetic (EM) fields. However, EM simulations have shown that body resonators can produce significant energy deposition, even far away from the target region. This limitation is especially serious for patients with implants (e.g. coronary stents, hip implants) and can lead to contraindications of MRI scans for these patients. Local transmit- and receive coils have been shown to deposit energy to a more limited body volume, and therefore offer the potential alternative to body resonators. In this study we designed a local multichannel transmit-/receive coil tailored for cardiac MR and compared its signal intensity performance and transmission efficiency to the current clinical standard of transmission with body resonators. We simulated and constructed a local four-channel transmit-/receive coil, optimized for cardiac MR. We computed the transmission field (B1+) and specific absorption rate (SAR) with EM simulations. Next, 12 healthy volunteers were examined to compare this local RF-coil with the standard body resonator. We quantified the morphologies of the left ventricles (LV) based on standard protocols, and determined the underlying transmission profiles using B1+-field maps. EM simulations showed a higher transmit field normalized to input power (B1+/√Pin), and a higher applicable transmit field (B1+@local SAR limit) of the local RF-coil, compared to the body resonator. Only when driven at the whole-body SAR limit the body resonator produced higher excitation fields, although at this point local SAR limits were exceeded by 90%. The transmission homogeneity of the body resonator was superior to that of the local RF-coil and in both cases the blood-myocardium-contrast was equal. There were no statistically significant differences in LV-quantification between the two transmission regimes, which demonstrates the clinical capability of local transmit-/receive coils. These results show how the transmit efficiency of local RF-coils can improve the blood-myocardium-contrast. Alternatively their efficiency surplus could be used to shorten the acquisition time, thus reducing typical imaging artifacts. Importantly, the localized energy deposition of local RF-coils makes MR examinations in patients with implants feasible. More independent transmit channels could further exploit the potential of multichannel transmit-/receive coils (B1+-shimming, parallel imaging), and mitigate the inhomogeneous excitation profile of local RF-coils. We demonstrated here that local transmit-/receive coils can be a viable alternative to body resonators.