Schnelle zweidimensionale Kartierung der longitudinalen Relaxationszeit T1 bei 1.5 Tesla, 3 Tesla und 7 Tesla mittels Magnetresonanztomographie

Abstract

Die visuelle und damit subjektive Auswertung T1 gewichteter (longitudinale Relaxationszeit) oder T2 gewichteter (transversale Relaxationszeit) Schnittbilder gehören zur täglichen klinischen Diagnostik in der kardialen Magnetresonanztomographie (MRT). Für diese nichtquantitative Bildgebungsmethoden hängt die Qualität der Diagnostik unter anderem von Aufnahmeparametern, Gerätekonfiguration, Homogenität des Grundmagnetfeldes (B0), vom Hochfrequenz-Sendefeld (B1+) sowie von der Erfahrung des Befunders ab. Die quantitative Erfassung der T1 und T2 Gewebeparameter birgt das Potential, sich von diesen äußeren Einflüssen unabhängig zu machen. Typischerweise sind T1 und T2 Akquisitions- und Quantifizierungsmethoden jedoch zeitaufwendig. Die vorgeschlagenen Techniken erzielen in der Literatur eine große Bandbreite an Normwerten, vorwiegend aufgrund technischer Hürden, unzureichenden Modellannahmen, oder physiologischen Einflussfaktoren wie Herzfrequenz, Hämodynamik als auch kardiale und respiratorische Bewegung. Aus diesen Gründen wurde in dieser Studie eine schnelle MR Technik entwickelt, die das Grundmagnetfeld, das HF-Sendefeld und die quantitative Kartierungen der T1 Zeit innerhalb weniger Sekunden ermitteln kann. Die entwickelte Methode wurde an einem statischen Phantom, sowie an gesunden Probanden im Gehirn bei magnetischen Feldstärken von 1.5 Tesla, 3 Tesla, und 7 Tesla getestet und gegen Referenzmessungen validiert. Exemplarisch wurde in Messungen am Patienten die klinische Anwendbarkeit demonstriert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag im Entwurf, der Konstruktion und der Evaluierung eines MR- kompatiblen bewegten Modells einer menschlichen linken Herzkammer. Diese diente der Ermöglichung standardisierter Messungen in der Präsenz von kardialer Bewegung und Blutfluss mit dem Ziel, die T1 Kartierung am Herzen zu ermöglichen und zu verbessern. Zum Zeitpunkt der Studie waren keine Normwerte für T1 und T2 Werte des Herzmuskels bei 3T vorhanden, sodass zunächst mittels eines alternativen Ansatzes bei gesunden Probanden Referenzwerte erhoben wurden. Während Messungen bei 1.5 Tesla und 3 Tesla zur klinischen Routine gehören, sind Untersuchungen bei 7 Tesla im humanen Bereich gegenwärtig als experimentell anzusehen. Für die kardiale Bildgebung im magnetischen Hochfeld (7T) waren zum Zeitpunkt der Entstehung dieser Arbeit notwendige Hochfrequenzspulen kommerziell nicht erhältlich. Verschiedene Spulenprototypen wurden deshalb entwickelt und auf die Machbarkeit diagnostischer Herzbildgebung geprüft und optimiert. Eine weitere Herausforderung im Hochfeld stellte die Synchronisation der Bildaufnahme mit dem Herzzyklus dar. Die konventionelle Synchronisationsmethode der Bildakquise mit dem Herzzyklus durch das Elektrokardiogramm ist in starken Magnetfeldern nicht ohne weiteres möglich. Die Ursachen wurden im Zuge dieser Arbeit untersucht, alternative Methoden entwickelt und für Humanuntersuchungen etabliert.

Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive imaging technique free of ionizing radiation that allows medical imaging of the human body in any arbitrary orientation. Visual but subjective evaluations of longitudinal relaxation time (T1) or transversal relaxation time (T2) weighted images are commonly used in clinical diagnostics of cardiac MRI. For this non- quantitative measure, diagnostic quality depends on external influencing factors such as hardware configuration, sequence parameters, homogeneity of the static magnetic field (B0) and the radio frequency transmit field (B1+) and the observer experience. The quantitative determination of T1 and T2 has the potential to offset these external influences. However, quantification is typically time consuming and can exceed clinically acceptable scan times. Different techniques described in the literature show a large scatter of normal values mainly due to insufficient model assumptions or physiological factors such as heart rate, hemodynamics, or cardiac and respiratory motion. For these reasons, this study examines the feasibility of a rapid slice- selective T1 quantification using variable flip angles (VFA) at magnetic field strengths of 1.5 Tesla, 3 Tesla, and 7 Tesla. For this purpose, an MR sequence was developed, which enables measurement of B0, B1+ and T1 in scan times as short as few seconds. The developed method was validated in a static phantom as well as in healthy volunteers in the brain and benchmarked against reference measurements. Exemplarily, the clinical applicability was demonstrated in patient pilot studies. To allow measurements using this method in cardiac tissue, an MR compatible dynamic model of a human cardiac left ventricle was designed, constructed and tested. This setup resembled highly standardized physiological motion paradigms and dedicated MR signal properties to allow validation of the sequence in the presence of cardiac motion and blood flow. As no normal values for myocardium at 3T were available at the time of this study, reference values were collected in healthy volunteers using an alternative T1 mapping approach. Furthermore, radio-frequency (RF) coils necessary for cardiac imaging at high magnetic field strengths (7T) were not commercially available. Therefore, various multi-channel RF coil prototypes were developed, investigated, and optimized for diagnostic cardiac imaging. Another challenge in high magnetic fields was that the electrocardiogram, which is established at clinical field strengths for synchronizing the data acquisition with the cardiac cycle, could not be used due to signal distortions. The cause of these distortions was studied and alternative approaches for data synchronization were developed and investigated.