TY - THES
A1 - Arnold, Johannes F. T.
T1 - Funktionelle Bildgebung der Lunge und des Bronchialkarzinoms mittels Magnetresonanztomographie
T1 - Functional Magnetic Resonance Imaging of the Lung and Non-Small-Cell Lung Cancer
N2 - Ziel dieser Arbeit war es, die Magnetresonanztomographie (MRT) an der Lunge als Alternative zur traditionellen Lungenbildgebung voranzutreiben. So sollten MRT-Verfahren zur regionalen und quantitativen Lungenfunktionsprüfung für die klinische Routine entwickelt werden. Im Hinblick auf die Strahlentherapie von Patienten mit Bronchialkarzinom sollen funktionelle Lungenareale erkannt werden, um diese während der Bestrahlung optimal schonen zu können. An den zahlreichen Luft-Gewebe-Grenzflächen in der Lunge entstehen Magnetfeldinhomogenitäten. Daraus resultiert ein schneller Zerfall des MRT-Signals in der Lunge. Es wurde in dieser Arbeit ein Ansatz aufgezeigt, um die Ursache für den raschen Signalzerfall, nämlich die unterschiedlichen magnetischen Suszeptibilitäten von Lufträumen und Lungengewebe, zu beseitigen. Durch die intravaskuläre Injektion von paramagnetischen Kontrastmitteln kann die Suszeptibilität des Blutes an die Suszeptibilität der Lufträume angeglichen werden. Durch die Entwicklung einer MR-kompatiblen aktiven Atemkontrolle (MR-ABC) wurde in dieser Arbeit ein weiteres fundamentales Problem der Lungen-MRT adressiert: Die Bewegung während der Datenakquisition. Die MR-ABC detektiert Herzschlag und Atemposition und ist in der Lage die Atembewegung in jeder beliebigen Atemphase reproduzierbar für eine definierte Zeit auszusetzen. Dies wird durch einen Verschluss der Atemluftzufuhr realisiert. Traditionelle Verfahren können zwar ebenfalls die Atemphase detektieren, gestatten jedoch nicht deren Konservierung. Es wurde demonstriert, dass mit der MR-ABC hochauflösende Bilder der Lunge in hoher Bildqualität und durch die Verwendung langer Akquisitionsfenster in relativ kurzer Messzeit erreicht werden können. Eine regionale Lungenfunktionsprüfung ist für die Diagnose und Evaluierung vieler Krankheitsbilder vorteilhaft. In diesem Sinne wird seit einigen Jahren das Potential der Sauerstoff-verstärkten Lungen-MRT erforscht, die auf den paramagnetischen Eigenschaften des molekularen Sauerstoffs basiert. Im Blut gelöster Sauerstoff führt zu einer Verkürzung der T1-Relaxationszeit. Statt diese T1-Verkürzung quantitativ zu bestimmen wird aus praktischen Gründen meist ein T1-gewichteter Ansatz gewählt. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass nicht-quantitative Verfahren ein erhebliches Risiko zur Falschinterpretation beinhalten. Um Fehldiagnosen zu vermeiden, sollten deshalb prinzipiell quantitative Methoden zur Messung der durch die Sauerstoff-Verstärkung bedingten T1-Verkürzung in der Lunge verwendet werden. Herkömmliche Techniken zur quantitativen T1-Messung benötigen allerdings längere Messzeiten. Deshalb war zur Vermeidung von Bewegungsartefakten bisher die Datenaufnahme im Atemanhaltezustand notwendig. Wiederholtes Atemanhalten von mehreren Sekunden Dauer ist allerdings für einige Patienten sehr belastend. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit zwei Methoden entwickelt, die eine quantitative Lungenfunktionsprüfung mittels MRT bei freier Atmung der Patienten ermöglichen. Eine gute Sauerstoffversorgung des Tumors wirkt sich positiv auf den Erfolg der Bestrahlung aus. Ein Ansatz zur Verbesserung der Strahlentherapie des Bronchialkarzinoms könnte daher in der Beatmung der Patienten mit hyperoxischen hypercapnischen Atemgasen während der Bestrahlung bestehen. In diesem Zusammenhang könnte die quantitative Messung der T1-Veränderung im Tumor nach Carbogenatmung ein Selektionskriterium darstellen, um diejenigen Patienten zu identifizieren, die von einer Carbogenbeatmung während der Bestrahlung profitieren können. Die Differenzierung zwischen vitalem Tumorgewebe, Nekrosen und atelektatischem Lungengewebe ist von großer Bedeutung bei der Bestrahlungsplanung des Bronchialkarzinoms. Einen neuen Ansatz bildet die in dieser Arbeit vorgestellte Magnetiserungstransfer-MRT. Um einen Magnetisierungstransfer zu erzeugen, wurde ein speziell auf die Bildgebung an der Lunge optimiertes Präparationsmodul entworfen. In Verbindung mit einer schnellen Bildakquisitionstechnik konnte die Magnetisierungstransfer-Lungenbildgebung in einem kurzen Atemstopp durchgeführt werden. Diese Technik wurde an mehreren Patienten mit Bronchialkarzinom evaluiert und die Ergebnisse mit denen der Fluor-Deoxyglykose-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET) verglichen. Es wurde festgestellt, dass mit diesem MRT-Verfahren ähnliche diagnostische Erkenntnisse erzielt werden können. Allerdings besitzt die MRT Vorteile im Hinblick auf räumliche Auflösung, Messzeit, Bildqualität, Kosten und Strahlenbelastung. Das erhebliche Potential für die Bestrahlungsplanung des Bronchialkarzinoms durch eine Magnetisierungstransfer-Bildgebung wurde damit nachgewiesen.
N2 - The purpose of this work was to advance magnetic resonance imaging (MRI) to become an additional beneficial modality for lung imaging. MRI techniques for regional and quantitative assessment of pulmonary function, capable for clinical routine use, should be developed. Areas of sound and functional lung should be detected especially in patients with bronchial carcinoma undergoing radiotherapy, to be able to achieve an optimal protection for this kind of tissue during the irradiation process. Magnetic field inhomogeneities emerge from the numerous air-tissue-interfaces of the lung, causing an accelerated MRI signal decay. Therefore, this work postulates a new approach to eliminate the source of this signal decay acceleration, namely the differences in magnetic susceptibility between air sacks and lung tissue. By intravascular injection of paramagnetic contrast agent, the susceptibility of blood can be matched with the susceptibility of the air spaces. Removing the susceptibility differences could prolong the effective transverse relaxation time T2* by many factors. The development of an MR-compatible active breathing control device (MR-ABC) addressed another fundamental obstacle of lung MRI: motion occurring during the data sampling process. MR-ABC allows for the detection of heart and respiratory phases and is able to reproducibly freeze the breathing motion in any desired respiratory phase for a predefined amount of time. This is performed by a shutter that closes the breathing gas delivery. It was demonstrated that using MR-ABC high-resolution high-quality images of the lung can be acquired in a comparably short amount of time due to prolonged acquisition intervals. Regional assessment of pulmonary function is beneficial for diagnosis and evaluation of many lung diseases. In this respect, in the last few years the potential of oxygen-enhanced lung MRI based upon the paramagnetic properties of the molecular oxygen, started to be explored. Dissolved oxygen in the blood leads to a decrease in T1 relaxation time. Due to practical reasons this drop in T1 relaxation time is commonly assessed by T1-weighted imaging approaches instead of quantitative T1 measurements. However, in this work it was demonstrated that non-quantitative approaches comprehend severe risks of misinterpretation. Therefore, to avoid misdiagnosis, quantitative measurements of the oxygen-based T1 decrement in the lung should always be used. On the other hand, common quantitative T1 measurement techniques require longer measurement times, and therefore require imaging during breath-holding to avoid motion artifacts. Repeated breath-holding of several seconds may be very demanding for some patients, especially for those with lung cancer. For this reason, in this work two methods were developed to allow for a quantitative assessment of regional lung function by MRI during free-breathing. These techniques were applied to investigate regional oxygen transfer in lung cancer patients. Local defects of lung function could be demonstrated in these patients. A good oxygen supply of the tumor tissue is positively correlated to the success of radiation therapy. Reoxygenation of former hypoxic areas can improve the sensitivity of the tumor to irradiation. Thus, one approach to improve radiotherapy of bronchogenic carcinoma could be to use hyperoxic, hypercapnic breathing gases such as carbogen during the irradiation. In this respect, the quantitative measurement of the T1 alteration in the tumor due to the switching of breathing gas to carbogen could provide a selection criterion for patients who can benefit from an ARCON approach. In a preliminary study, the T1 alteration in the tumor after switching of breathing gas to carbogen was assessed in a variety of lung cancer patients. Differentiation of vital tumor, necrotic tissue and atelectasis is of paramount importance in radiation therapy planning of bronchial carcinoma. Unfortunately, discrimination of these tissues by using computer tomography or positron emission tomography is usually problematic in the clinical routine. This work proposes a new approach based on magnetization transfer MRI. The extent of magnetization transfer is mainly dependent on the macromolecular environment of the protons, which is different in tumor tissue and atelectatic tissue. To produce magnetization transfer, a magnetization preparation module was developed and particularly optimized for application to lung imaging. In conjunction with a fast readout imaging sequence, magnetization transfer lung imaging could be performed in a single short breath-hold period. This technique was evaluated in several patients with bronchial carcinoma. The results of magnetization transfer imaging were compared to the results of a fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET) investigation. It was found that using the MRI technique, similar diagnostic information as with the FDG-PET could be obtained.
KW - Magnetische Resonanz
KW - Lunge
KW - Nicht-kleinzelliges Bronchialkarzinom
KW - MRI
KW - Lung
KW - NSCLC
Y1 - 2008
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26388
ER -
TY - THES
A1 - Breuer [geb. Hemberger], Kathrin R. F.
T1 - Effiziente 3D Magnetresonanzbildgebung schnell abfallender Signale
T1 - Efficient 3D Magnetic Resonance Imaging of fast decaying signals
N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die Rotated-Cone-UTE-Sequenz (RC-UTE), eine 3D k-Raum-Auslesetechnik mit homogener Verteilung der Abtastdichte, vorgestellt. Diese 3D MR-Messtechnik ermöglicht die für die Detektion von schnell abfallenden Signalen notwendigen kurzen Echozeiten und weist eine höhere SNR-Effizienz als konventionelle radiale Pulssequenzen auf. Die Abtastdichte ist dabei in radialer und azimutaler Richtung angepasst. Simulationen und Messungen in vivo zeigen, dass die radiale Anpassung das T2-Blurring reduziert und die SNR-Effizienz erhöht. Die Drehung der Trajektorie in azimutale Richtung ermöglicht die Reduzierung der Unterabtastung bei gleicher Messzeit bzw. eine Reduzierung der Messzeit ohne Auflösungsverlust.
Die RC-UTE-Sequenz wurde erfolgreich für die Bildgebung des Signals des kortikalen Knochens und der Lunge in vivo angewendet. Im Vergleich mit der grundlegenden UTE-Sequenz wurden die Vorteile von RC-UTE in allen Anwendungsbeispielen aufgezeigt. Die transversalen Relaxationszeit T2* des kortikalen Knochen bei einer Feldstärke von 3.0T und der Lunge bei 1.5T und 3.0T wurde in 3D isotroper Auflösung gemessen. Außerdem wurde die Kombination von RC-UTE-Sequenz mit Methoden der Magnetisierungspräparation zur besseren Kontrasterzeugung gezeigt. Dabei wurden die Doppel-Echo-Methode, die Unterdrückung von Komponenten mit langer Relaxationszeit T2 durch Inversionspulse und der Magnetisierungstransfer-Kontrast angewendet.
Die Verwendung der RC-UTE-Sequenz für die 3D funktionelle Lungenbildgebung wird ebenfalls vorgestellt. Mit dem Ziel der umfassenden Charakterisierung der Lungenfunktion in 3D wurde die simultane Messung T1-gewichteter Bilder und quantitativer T2*-Karten für verschiedene Atemzustände an sechs Probanden durchgeführt. Mit der hier vorgestellten Methode kann die Lungenfunktion in 3D über T1-Wichtung, quantitative T2*-Messung und Rekonstruktion verschiedener Atemzustände durch Darstellung von Ventilation, Sauerstofftransport und Volumenänderung beurteilt werden.
N2 - In this thesis the Rotated-Cone-UTE-sequence (RC-UTE), a 3D k- space sampling scheme with uniform sampling density, is presented. 3D RC-UTE provides short echo times enabling the detection of fast decaying signals with higher SNR-efficiency than conventional UTE sequences. In RC-UTE the sampling density is adapted in radial and azimuthal direction. It is shown in simulations and measurements that the density adaption along the radial dimension reduces T2-blurring. By twisting the trajectory along the azimuthal direction fewer projections are needed to fulfill the Nyquist criterion. Thereby, undersampling artefacts or the measurement time is reduced without loss of resolution.
RC-UTE has been successfully applied in vivo in cortical bone and the lung. It was shown that the RC-UTE sequence outperforms the standard UTE sequence in all presented applications. In addition, the transversal relaxation time T2* of cortical bone at field strength of 3.0T and the human lung at 1.5T und 3.0T was measured in 3D isotropic resolution. Moreover, the combination of RC-UTE with magnetization preparation techniques for improved image contrast was shown. To this end strategies such as double-echo readout, long T2 suppression by inversion pulses and magnetization transfer contrast imaging were employed.
Furthermore, the application of RC-UTE for 3D functional lung imaging is presented. In order to provide broad information about pulmonary function T1-weighted images and quantitative T2*-maps in different breathing states were simultaneously measured in six healthy volunteers. The presented methodology enables the assessment of pulmonary function in 3D by indicating ventilation, oxygen transfer and lung volume changes during free breathing.
KW - Kernspintomografie
KW - Relaxationszeit
KW - Dreidimensionale Bildverarbeitung
KW - T2*
KW - Ulrakurze Echozeit
KW - T1-Wichtung
KW - dichteangepasste k-Raum Abtastung
KW - Lunge
KW - Relaxation
KW - Lungenfunktion
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150750
ER -
TY - THES
A1 - Carinci, Flavio
T1 - Quantitative Characterization of Lung Tissue Using Proton MRI
T1 - Quantitative Charakterisierung des Lungengewebes mithilfe von Proton-MRT
N2 - The focus of the work concerned the development of a series of MRI techniques that were specifically designed and optimized to obtain quantitative and spatially resolved information about characteristic parameters of the lung. Three image acquisition techniques were developed. Each of them allows to quantify a different parameter of relevant diagnostic interest for the lung, as further described below:
1) The blood volume fraction, which represents the amount of lung water in the intravascular compartment expressed as a fraction of the total lung water. This parameter is related to lung perfusion.
2) The magnetization relaxation time T\(_2\) und T� *\(_2\)
, which represents the component of T\(_2\) associated with the diffusion of water molecules through the internal magnetic field gradients of the lung. Because the amplitude of these internal gradients is related to the alveolar size, T\(_2\) und T� *\(_2\) can be used to obtain information about the microstructure of the lung.
3) The broadening of the NMR spectral line of the lung. This parameter depends on lung inflation and on the concentration of oxygen in the alveoli. For this reason, the spectral line broadening can be regarded as a fingerprint for lung inflation; furthermore, in combination with oxygen enhancement, it provides a measure for lung ventilation.
N2 - Die Magnetresonanztomographie (MRT) stellt ein einzigartiges Verfahren im Bereich der
diagnostischen Bildgebung dar, da sie es ermöglicht, eine Vielzahl an diagnostischen Informationen
ohne die Verwendung von ionisierenden Strahlen zu erhalten. Die Anwendung
von MRT in der Lunge erlaubt es, räumlich aufgelöste Bildinformationen über Morphologie,
Funktionalität sowie über die Mikrostruktur des Lungengewebes zu erhalten und
diese miteinander zu kombinieren. Für die Diagnose und Charakterisierung von Lungenkrankheiten
sind diese Informationen von höchstem Interesse. Die Lungenbildgebung
stellt jedoch einen herausfordernden Bereich der MRT dar. Dies liegt in der niedrigen
Protondichte des Lungenparenchyms begründet sowie in den relativ kurzen Transversal-
Relaxationszeiten T\(_2\) und T� *\(_2\)
, die sowohl die Bildau� ösung als auch das Signal-zu-Rausch
Verhältnis beeinträchtigen. Des Weiteren benötigen die vielfältigen Ursachen von physiologischer
Bewegung, welche die Atmung, den Herzschlag und den Blut� uss in den Lungengefasen umfassen, die Anwendung von schnellen sowie relativ bewegungsunemp� ndlichen
Aufnahmeverfahren, um Risiken von Bildartefakten zu verringern. Aus diesen Gründen
werden Computertomographie (CT) und Nuklearmedizin nach wie vor als Goldstandardverfahren
gehandhabt, um räumlich aufgelöste Bildinformationen sowohl über die Morphologie
als auch die Funktionalität der Lunge zu erhalten. Dennoch stellt die Lungen-
MRT aufgrund ihrer Flexibilität sowohl eine vielversprechende Alternative zu den anderen
Bildgebungsverfahren als auch eine mögliche Quelle zusätzlicher diagnostischer Informationen
dar. ...
KW - Lung
KW - MRI
KW - Kernspintomografie
KW - Lunge
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151189
ER -
TY - THES
A1 - Oechsner, Markus
T1 - Morphologische und funktionelle 1H-Magnetresonanztomographie der menschlichen Lunge bei 0.2 und 1.5 Tesla
T1 - Morphological and functional 1H magnetic resonance tomography of the human lung at 0.2 and 1.5 tesla
N2 - Das Ziel dieser Arbeit war es, Methoden und Techniken für die morphologische und funktionelle Bildgebung der menschlichen Lunge mittels Kernspintomographie bei Feldstärken von 0,2 Tesla und 1,5 Tesla zu entwickeln und zu optimieren. Bei 0,2 Tesla wurde mittels der gemessenen Relaxationszeiten T1 und T2* eine 2D und eine 3D FLASH Sequenz zur Untersuchung der Lungenmorphologie optimiert. Sauerstoffgestützte Messungen der Relaxationszeiten T1 und T2* sowie eine SpinLabeling Sequenz liefern funktionelle Informationen über den Sauerstofftransfer und die Perfusion der Lungen. Bei 1,5 Tesla wurde die Lungenperfusion mittels MR-Kontrastmittel mit einer 2D und einer 3D Sequenz unter Verwendung der Präbolus Technik quantifiziert. Zudem wurden zwei MR-Navigationstechniken entwickelt, die es ermöglichen Lungenuntersuchungen unter freier Atmung durchzuführen und aus den Daten artefaktfreie Bilder zu rekonstruieren. Diese Techniken können in verschiedenste Sequenzen für die Lungenbildgebung implementiert werden, ohne dass die Messzeit dadurch signifikant verlängert wird.
N2 - The purpose of this thesis was to make a contribution to the development of lung MRI. While we developed and implemented new sequences and procedures both in the area of low-field MRI (0.2 Tesla) and 1.5 Tesla, we also took existing technologies into account by modifying and optimizing them for the working conditions at hand. In the process, we focused on techniques for both morphological and functional examination of the lung. Lung scans using an open 0.2 Tesla tomograph were an important component of this. Our first objective was to develop various methods for morphological and functional lung MRI, adapt them to altered conditions and further optimize them. The second objective was to contribute more in-depth research of contrast agent-based quantification of lung perfusion for the clinical standard of 1.5 Tesla. Additionally, we developed navigation methods which allow for scans of the lung under conditions of free breathing and without the use of external measurement devices.
KW - NMR-Bildgebung
KW - Lunge
KW - 0.2 Tesla
KW - Sauerstoff
KW - Präbolus
KW - Perfusion
KW - freie Atmung
KW - Navigator
KW - Bilderzeugung
KW - Bildgebendes Verfahren
KW - oxygen-enhanced
KW - spin labeling
KW - contrast-enhanced
KW - prebolus
KW - free respiration
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66942
ER -
TY - THES
A1 - Triphan, Simon
T1 - T1 und T2*-Quantifizierung in der menschlichen Lunge
T1 - T1 and T2* quantification in the human lung
N2 - In dieser Arbeit werden für die Anwendung in der menschlichen Lunge
optimierte Methoden zur Bestimmung von T1- und T2*-Karten diskutiert:
Dc-Gating ermöglicht die Quantifizierung in freier Atmung, wobei für die
T1-Quantifizierung mittels Inversion Recovery eine Korrektur des dc-Signals
entwickelt wurde. Dies hat den Vorteil, dass Parameterkarten aus mehreren
Messungen anhand ihrer dc-Signale passend überlagert werden können. Da T1
und T2* auf unterschiedliche Art und Weise von der Sauerstoffkonzentration
abhängen, verbessert dies die Möglichkeit, ΔT1- und ΔT2*- Differenzkarten aus
Messungen mit unterschiedlichen O2-Konzentrationen im Atemgas zu erstellen.
Die Parameterquantifizierung ist in erster Linie für die Beobachtung von
Krankheitsverläufen interessant, da T1 und T2* absolute, vergleichbare Zahlen
sind. Da T2* deutlich vom Atemzustand abhängt, ist es auch hierfür sinnvoll,
durch Gating identische Atemzustände abzubilden. Um die unterschiedlichen
Einflüsse des Sauerstoffs auf T1 und T2* besser vergleichbar zu machen, wurde
in dieser Arbeit weiterhin eine kombinierte Messung für beide Parameter
implementiert: Da auch diese in freier Atmung stattfindet, profitieren nicht
nur die Differenzkarten von der Überlagerung der Bilder, sondern auch der
Vergleich der ΔT1- und ΔT2*-Karten untereinander.
Messungen mit einer konventionellen kartesischen Methode an COPD-Patienten
unter Raumluft- und 100% Sauerstoffatmung ergaben bei Verwendung identischer
Atemmasken ein deutlich geringeres ΔT1 als in gesunden Probanden. Dass T1 in
der Lunge nicht nur von der Sauerstoffkonzentration sondern auch von der
Gewebezusammensetzung und insbesondere auch dem Blutvolumenanteil abhängt,
zeigte sich hierbei aber auch an den bei COPD im Mittel sehr viel kürzeren
T1-Zeiten bei Raumluft. Die aufgrund emphysematischer Veränderung noch
zusätzlich reduzierte Protonendichte im Parenchym kranker Lungen macht diese
Messungen allerdings besonders schwierig.
Die oben erwähnten Optimierungen der T1-Quantifizierung zielen daher auch
darauf ab, das Signal aus der Lunge zu maximieren, um Patientenmessungen
einfacher zu machen: Messungen in freier Atmung sind für Patienten nicht nur
einfacher, sondern erlauben effektiv auch längere Messzeiten. Insbesondere
wurde aber durch die Entwicklung einer radialen Methode die Echozeit zur
Messung reduziert, um die kurze T2*-Zeit in der Lunge auszugleichen.
Schließlich wurde durch Implementation einer 2D UTE Sequenz die Messung bei
der kürzesten vom Scanner erlaubten Echozeit ermöglicht.
Die Messungen bei ultrakurzen Echozeiten in Probanden zeigten allerdings
deutlich kürzere T1-Zeiten als die zuvor gefundenen oder in der Literatur
dokumentierten. In weiteren Experimenten wurde das sichtbare T1 zu mehreren
Echozeiten mit Hilfe der zur kombinierten Quantifizierung entwickelten
Methode bestimmt. Dabei ergab sich eine Zunahme des gemessenen T1 mit der
Echozeit. Aus diesem Verhalten sowie den gefundenen kürzesten und längsten T1
lässt sich schließen, dass das intra- und extravaskuläre Lungenwasser, also
Blut bzw. das umgebende Gewebe, mit unterschiedlichen T1- und T2*-Zeiten zum
Signal und damit auch dem effektiven T1 beitragen.
Dass das TE der Messung die Gewichtung dieser Kompartimente bestimmt, hat
dabei mehrere Auswirkungen: Einerseits bedeutet dies, dass beim Vergleich von
T1-Messungen in der Lunge stets auch das TE mitbetrachtet werden muss, bei
dem diese durchgeführt wurden. Andererseits lässt sich die Möglichkeit, die
Messung auf die unterschiedlichen Kompartimente abzustimmen, potentiell
ausnutzen, um zusätzliche diagnostische Informationen zu gewinnen: Da T1 vom
Blutvolumenanteil und der Gewebezusammensetzung abhängt, könnte dieser Effekt
helfen, diese beiden Einflüsse zu differenzieren.
Während die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente die TE-Abhängigkeit
des sichtbaren T1 in Probanden aufzeigen, liefern sie allerdings noch keine
genaue Erklärung für die möglichen Ursprünge dieses Effekts. Um diese weiter
zu untersuchen, könnten allerdings gezielte Phantom- und in vivo-Experimente
Aufschluss geben: Ein Aufbau, der die Feldverzerrung durch luftgefüllte
Alveolen in Lösungen mit entsprechenden verschiedenen Suszeptibilitäten
nachbildet, reduziert den Unterschied zwischen den Kompartimenten auf T1 und
χ. Eine in vivo-Messung mit möglichst großer Differenz zwischen Ex- und
Inspiration hingegen könnte den Einfluss der Abstände der Kompartimente vom
Gasraum aufzeigen, da die Alveolarwände in tiefer Inspiration am weitesten
gedehnt und daher am dünnsten sind.
N2 - In this work, methods for the local measurement of T1 and T2* maps optimized
for the application in the human lungs are discussed: Quantification during
free breathing was enabled by applying dc-gating, where a correction for the
dc-signal acquired during T1-quantification using a inversion recovery was
introduced. This is especially useful to achieve parameter maps in identical
breathing states from multiple measurements using their dc-signals. Since T1
and T2* depend on the oxygen concentration through different mechanisms, this
is especially interesting to produce ΔT1- and ΔT2*-difference maps at varying
O2-concentrations in the breathing gas.
Parameter quantification is primarily interesting for the monitoring of the
courses of disease or therapy since T1 and T2* are absolute, comparable
numbers. As T2* depends significantly on the respiratory state, ensuring
identical states via gating is relevant there as well. To further improve the
comparison of oxygen influence on T1 and T2* a method for the combined
measurement of both parameters was implemented: Since this is also employs
gating, not only the difference maps benefit from image coregistration, but
the comparison of the ΔT1 and ΔT2* maps to each other as well.
Measurements using the conventional cartesian method on COPD patients under
room air and pure oxygen conditions resulted in much lower ΔT1 than in
healthy volunteers when using identical oxygen masks. The much lower average
T1 times at room air found there demonstrate that T1 in the lungs not only
depends on the oxygen concentration but also on tissue composition and
especially the blood volume fraction. Proton densities that were reduced even
further due to emphysematous destruction made these measurements additionally
difficult.
Accordingly, the optimizations for T1 quantification mentioned above are
intended to maximize signal from the lung parenchyma to improve patient
measurements: Measurements during free breathing are not only easier for
patients but effectively also allow for longer acquisition times. In
particular the developement of a radial method provides a shorter echo time
to help compensate for the short T2* in the lungs. Finally, the
implementation of a 2D UTE sequence enables the measurement at the shortest
echo time available on the scanner hardware.
However, the measurements at ultra short echo times in volunteers showed
significantly shorter T1 times than those found previously and those reported
in the literature. In further experiments, the observable T1 was determined
at multiple echo times using the method developed for simultaneous
quantification. This revealed a gradual increase of the measured T1 with the
echo time. From this behaviour as well as the shortest and longest times
found, it can be concluded that the intra- and extravascular compartments of
lung water, essentially blood and the surrounding tissue, contribute with
different T1 and T2* times to the MR signal and thus also the effective T1.
That the echo time of the measurement determines the weighting of these
compartments has multiple consequences: Firstly, this means that when
comparing T1 measurements in the lungs, the echo time that was used to
acquire them also has to be considered. Secondly, the possiblity to focus the
measurement on these different compartments might be used to gain additional
diagnostic information: Since T1 depends on blood volume content and tissue
composition, this effect might help to differentiate these two influences.
While the experiments described in this work demonstrate the echo time
dependence of the observed T1 in volunteers, they do not yet provide an
explanation for the exact origins of this effect. To examine these further,
appropriate phantom and in vivo experiments could be insightful: A phantom
design that simulates the field distortion caused by air-filled alveoli in
solutions with suitable susceptibilites would reduce the difference between
the compartments to T1 and χ. A in vivo measurement with an especially large
difference between ex- and inspiration could help to show the influence of
the distance of the compartments from the gas space, since the alveolar walls
are most dilated and thus thinnest during deep inspiration.
KW - Kernspintomografie
KW - Lunge
KW - T2*-Relaxation
KW - T1-Relaxtion
KW - funktionelle Lungenbildgebung
KW - MRT der Lunge
KW - Spin-Gitter-Relaxation
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139621
ER -
TY - THES
A1 - Wang, Tungte
T1 - Anatomische und funktionelle Magnetresonanztomographie der menschlichen Lunge
T1 - Anatomical and Functional 1H Magnetic Resonance Imaging of the Human Lung
N2 - Zur Beurteilung der Lungenanatomie wurde das MT-STIR-Verfahren vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass das MT-STIR-Verfahren das störende Signal des umgebenden Muskelgewebes effektiv unterdrückt und damit die Visualisierung des Lungenparenchyms verbessert. Im Vergleich zu konventionellen anatomischen 1H-MR-Verfahren wie IR- und MIR-Verfahren erhöht das MT-STIR-Verfahren das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) des Lungenparenchyms signifikant und vermeidet den Signalausfall des Lungenparenchyms aufgrund der pathologischen Verkürzung der Lungen-T1-Relaxationszeit auf ca. 900 ms wie bei Patienten mit Mukoviszidose (CF), so dass sowohl große Lungenperfusionsdefekte in Patienten mit CF als auch kleine ungefährliche Lungenentzündungen in „gesunden“ Probanden durch das MT-STIR-Verfahren gut dargestellt werden können. Für die indirekte, aber quantitative Beurteilung der Lungenventilation wurde die oben genannte schnelle quantitative Lungen-T1-Mapping-Technik während der Inhalation eines Atemgasgemisches mit verschiedenen O2-Konzentrationen (21%, 40%, 60%, 80% und 100%) eingesetzt. Dabei ist im Blut physikalisch gelöster Sauerstoff leicht paramagnetisch und dient als Blut-T1-verkürzendes MR-Kontrastmittel (KM). In der Lunge ist das Blut die Hauptquelle des freien Wassers, so dass Lungen-T1-Werte nach dem Zwei-Kompartimente-Schnellaustausch-Modell der Lungen-T1-Relaxationszeit durch den Blut-T1-Wert beeinflusst werden. Die zugehörige Theorie, ein O2-gestütztes Lungen-T1-Modell, wurde aus der Lungenphysiologie und den T1-Relaxationsmechanismen hergeleitet und zeigt, dass bei Probanden die Lungen-T1-Verkürzung von 21% O2 zu 100% O2 ca. 11% beträgt und die Beziehung zwischen dem Lungen-R1 (= 1/T1)-Wert und der inhalierten O2-Konzentration linear mit einer Steigung von 0,12 1/s und einem R1-Achsenabschnitt von 0,70 1/s ist. Die Steigung wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit als oxygen transfer function (OTF) definiert und ist vom gasaustauschbestimmenden Ventilations-Perfusions- und Diffusions-Perfusions-Verhältnis abhängig, so dass sie praktisch ein Maß für den pulmonalen Gasaustausch darstellt. Experimentell wurde gezeigt, dass Lungen-T1-Werte bei 100% O2 um 10% kürzer als bei 21% O2 sind, was gut mit dem O2-gestützten Lungen-T1-Modell übereinstimmt. Weiterhin wurde die OTF dadurch bestimmt, dass die gemessenen Lungen-R1-Werte gegen die inhalierte O2-Konzentration aufgetragen wurden und eine Gerade an die Messpunkte angepasst wurde. Gesundes Lungenparenchym von Probanden und gut perfundiertes Lungenparenchym von Patienten mit CF zeigten OTF-Werte zwischen 0,10 und 0,14 1/s, R1-Achsenabschnitte zwischen 0,70 und 0,80 1/s und ausgezeichnete Korrelationskoeffizienten von annähernd 1,00, was mit dem O2-gestützten Lungen-T1-Modell übereinstimmt. Schlecht perfundiertes Lungenparenchym von Patienten mit CF zeigte eindeutig erniedrigte OTF-Werte, erhöhte R1-Achsenabschnitte und schlechte Korrelationskoeffizienten. Das O2-gestützte Lungen-T1-Mapping-Verfahren zeigt eine hohe Reproduzierbarkeit. Zur Beurteilung der Lungenperfusion wurde eine quantitative Perfusionsmapping-Technik mittels Protonen-Spin-Labeling, ohne Verwendung eines intravenösen Kontrastmittels wie Gadolinium (Gd)-DTPA, vorgestellt. Aus einer nicht-schichtselektiven (globalen) T1-Map und einer schichtselektiven T1-Map derselben Lungenschicht, die jeweils mit der oben genannten schnellen quantitativen Lungen-T1-Mapping-Technik akquiriert wurde, wurde eine Perfusionamap berechnet, wobei jedes Pixel in der Perfusionsmap eine Perfusionsrate in Einheiten von m/100g/min hat. Es wurde demonstriert, dass die hintere coronale Lungenschicht eine höhere Perfusionsrate als die vordere coronale Lungenschicht desselben Probanden hatte, als er in Rückenlage gemessen wurde, was den Gravitationseffekt auf die Lungenperfusion bestätigt. Die berechneten Perfusionsraten des gut perfundierten Lungenparenchyms von Probanden und von Patienten mit CF lagen zwischen 400 und 600 m/100g/min, die gut mit dem Literaturwert übereinstimmen. Die berechneten Perfusionsraten des schlecht perfundierten Lungenparenchyms von Patienten mit CF waren niedriger als 200 m/100g/min. Die Spin-Labeling-Technik zeigte eine hohe Reproduzierbarkeit und niedrige relative Fehler der berechneten Perfusionsraten.
N2 - The purpose of this doctoral thesis is to develop noninvasive and clinically feasible methods for assessment of pulmonary anatomy, pulmonary function and cardiac shunts in the human using proton magnetic resonance imaging (1H MRI). All imaging experiments were performed on a commercial 1.5-T whole-body MR scanner. In Chapter 2, an efficient tissue suppression technique is presented which allows one to significantly enhance lung parenchyma visibility. A short inversion time inversion recovery (STIR) experiment combined with a magnetization transfer (MT) experiment was used for magnetization preparation in order to suppress the signal from muscle. A half-Fourier single-shot turbo spin-echo (HASTE) sequence was used as an acquisition module. This approach was used to perform lung anatomical imaging in healthy volunteers and patients with cystic fibrosis (CF). The results obtained demonstrate that with MT-STIR approach high quality human lung images can be obtained and that this approach has the potential for the evaluation of lung pathologies. In Chapter 3, a rapid and robust technique for quantitative T1 mapping of the human lung using an IR SnapshotFLASH sequence is presented. Based on a series of SnapshotFLASH images acquired after a single inversion pulse, high quality and quantitative T1 parameter maps acquired were obtained in under five seconds from healthy volunteers and patients with CF. The measured T1 values of healthy lung parenchyma ranged from 1100 to 1400 ms and are in good agreement with previously reported literature values. The measured T1 values of diseased lung parenchyma in patients with CF ranged from 800 to 1000 ms and correlated with reduced regional pulmonary blood volume and blood flow as confirmed by qualitative gadolinium (Gd)-DTPA-enhanced MR pulmonary perfusion imaging. Indirect qualitative MRI of pulmonary ventilation is feasible using the paramagnetic effects of oxygen physically dissolved in blood. In Chapter 4, a more quantitative oxygen-enhanced pulmonary function test based on the slope of a plot of R1 vs. oxygen concentration the oxygen transfer function (OTF) was developed and tested in a pool of healthy volunteers and patients with CF. The lung T1 relaxation rate, R1, under normoxic conditions (room air, 21% O2) and the response to various hyperoxic conditions (40% – 100% O2) were studied. Lung T1 in healthy volunteers showed a relatively homogeneous distribution while they breathed room air and a homogeneous decrease under hyperoxic conditions. This T1 decrease from breathing room air to 100% O2 was statistically significant at P < 0.0001. Lung T1 in patients with CF showed an inhomogeneous distribution while they breathed room air and the observed lung T1 decrease under hyperoxia depended on the actual state of the diseased lung tissue. In the selected group of patients with CF, areas with reduced OTF also showed reduced perfusion, as confirmed by qualitative Gd-DTPA-enhanced MR pulmonary perfusion imaging. In Chapter 5, the feasibility and reproducibility of a noninvasive, rapid and quantitative pulmonary perfusion mapping method was evaluated using a two-compartment tissue model in combination with proton spin labeling within the imaging slice. Global and selective lung T1 maps were acquired from each subject. Quantitative perfusion maps were calculated from the global and selective T1 maps. The measured perfusion rates of the upper right lung in volunteers ranged from 400 to 600 m/100g/min. In patients with CF, perfusion defects detected using Gd-DTPA-enhanced MRI were also detected using the spin labeling method. The perfusion rates of diseased lung tissues were less than 200 m/100g/min. The proposed method showed a high intra-study reproducibility and low relative errors. In the first part of Chapter 6, a clinical protocol combining anatomical 1H MRI with the assessment of both OTF and pulmonary perfusion was established for the human lung and applied to patients with CF. In the selected group of patients with CF, areas with reduced oxygen enhancement showed reduced perfusion as confirmed by spin labeling perfusion imaging. These functional imaging results also correlated with anatomical MT-STIR-HASTE imaging results. The results demonstrate that this completely noninvasive clinical protocol has potential for clinical applications in the serial diagnosis of lung diseases such as CF. In the second part of Chapter 6, we compared pulmonary function before and after smoking by measuring arterial blood T1 and lung T1 using the clinical protocol. The results revealed that after smoking, both arterial blood and lung showed no significant changes in OTF, while arterial blood T1 was reduced and the pulmonary perfusion rate was increased.
KW - Lungenfunktionsprüfung
KW - NMR-Tomographie
KW - 1H MRT
KW - Lunge
KW - Herzshuntdiagnostik
KW - funktionell
KW - anatomisch
KW - 1H MRI
KW - lung
KW - cardiac shunt
KW - functional
KW - anatomical
Y1 - 2004
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14867
ER -
TY - THES
A1 - Weick, Stefan
T1 - Retrospektive Bewegungskorrektur zur hochaufgelösten Darstellung der menschlichen Lunge mittels Magnetresonanztomographie
T1 - Retrospective Motion Correction for High Resolution Magnetic Resonance Imaging of the Human Lung
N2 - Ziel dieser Arbeit war es, das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung mittels der MRT darzustellen. Um trotz der niedrigen Protonendichte der Lunge und der geforderten hohen Auflösung ausreichend Signal für eine verlässliche Diagnostik zu erhalten, sind Aufnahmezeiten von einigen Minuten nötig. Um die Untersuchung für den Patienten angenehmer zu gestalten oder auf Grund der eingeschränkten Fähigkeit eines Atemstopps überhaupt erst zu ermöglichen, war eine Anforderung, die Aufnahmen in freier Atmung durchzuführen. Dadurch entstehen allerdings Bewegungsartefakte, die die Diagnostik stark beeinträchtigen
und daher möglichst vermieden werden müssen. Für eine Bewegungskompensation
der Daten muss die auftretende Atembewegung detektiert werden. Die Bewegungsdetektion
kann durch externe Messgeräte (Atemgurt oder Spirometer) oder durch eine
zusätzliche Anregungen erfolgen (konventionelle Navigatoren) erfolgen. Nachteile
dieser Methoden bestehen darin, dass die Bewegung während der Atmung nicht
direkt verfolgt wird, dass elektronische Messgeräte in die Nähe des Tomographen
gebracht werden und das die Patienten zusätzlich vorbereitet und eingeschränkt
werden. Des Weiteren erfordert eine zusätzliche Anregung extra Messzeit und kann
unter Umständen die Magnetisierung auf unterwünschte Weise beeinflussen.
Um die angesprochenen Schwierigkeiten der Bewegungsdetektion zu umgehen,
wurden in dieser Arbeit innerhalb einer Anregung einer 3d FLASH-Sequenz sowohl
Bilddaten- als auch Navigatordaten aufgenommen. Als Navigator diente dabei das
nach der Rephasierung aller bildgebenden Gradienten entstehende Signal (DC Signal).
Das DC Signal entspricht dabei der Summe aller Signale, die mit einem bestimmten
Spulenelement detektiert werden können. Bewegt sich beispielsweise die Leber
bedingt durch die Atmung in den Sensitivitätsbereich eines Spulenelementes, wird
ein stärkeres DC Signal detektiert werden. Je nach Positionierung auf dem Körper
kann so die Atembewegung mit einzelnen räumlich lokalisierten Spulenelementen
nachverfolgt werden. Am DC Signalverlauf des für die Bewegungskorrektur ausgewählten
Spulenelementes sind dann periodische Signalschwankungen zu erkennen.
Zusätzlich können aus dem Verlauf Expirations- von Inspirationszuständen unterschieden
werden, da sich Endexpirationszustände im Regelfall durch eine längere
Verweildauer auszeichnen.
Grundsätzlich kann das DC Signal vor oder nach der eigentlichen Datenaufnahme
innerhalb einer Anregung aufgenommen werden. Auf Grund der kurzen Relaxationszeit
T∗2 des Lungengewebes fällt das Signal nach der RF Anregung sehr schnell ab. Um
möglichst viel Signal zu erhalten sollten, wie in dieser Arbeit gezeigt wurde, innerhalb einer Anregung zuerst die Bilddaten und danach die Navigatordaten aufgenommen
werden. Dieser Ansatz führt zu einer Verkürzung der Echozeit TE um 0.3 ms und
damit zu einem SNR Gewinn von etwa 20 %. Gleichzeitig ist das verbleibende Signal
nach der Datenakquisition und Rephasierung der bildgebenden Gradienten noch
ausreichend um die Atembewegung zu erfassen und somit eine Bewegungskorrektur
der Daten (Navigation) zu ermöglichen.
Um eine retrospektive Bewegungskorrektur durchführen zu können, müssen Akzeptanzbedingungen
(Schwellenwerte) für die Datenauswahl festgelegt werden. Bei
der Wahl des Schwellenwertes ist darauf zu achten, dass weder zu wenige noch zu
viele Daten akzeptiert werden. Akzeptiert man sehr wenige Daten, zeichnen sich die
Rekonstruktionen durch einen scharfen Übergang zwischen Lunge und Diaphragma
aus, da man sehr wenig Bewegung in den Rekonstruktionen erlaubt. Gleichzeitig
erhöht sich allerdings das Risiko, dass nach der Navigation Linien fehlen. Dies führt
zu Einfaltungsartefakten, die in Form von gestörten Bildintensitäten in den Rekonstruktionen
zu sehen sind und die diagnostische Aussagekraft einschränken. Um
Einfaltungsartefakte zu vermeiden sollte der Schwellenwert so gewählt werden, dass
nach der Datenauswahl keine Linien fehlen. Aus dieser Anforderung lässt sich ein
maximaler Schwellenwert ableiten. Akzeptiert man dagegen sehr viele Daten, zeichnen
sich die Rekonstruktionen durch erhöhtes Signal und das vermehrte Auftreten
von Bewegungsartefakten aus. In diesem Fall müsste der Arzt entscheiden, ob Bewegungsartefakte
die Diagnostik zu stark beeinflussen. Wählt man den Schwellenwert
so, dass weder Linien fehlen noch zu viel Bewegung erlaubt wird, erhält man Rekonstruktionen
die sich durch einen scharfen Diaphragmaübergang auszeichnen und in
denen noch kleinste Gefäße auch in der Nähe des Diaphragmas deutlich zu erkennen
sind. Hierfür haben sich Schwellenwerte, die zu einer Datenakzeptanz von ca. 40 %
führen als günstig erwiesen.
Um Einfaltungsartefakte auf Grund der retrospektiven Datenauswahl zu verhindern,
muss das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden. Dadurch wird
gewährleistet, dass für die letztendliche Rekonstruktion ausreichend Daten zur Verfügung
stehen, wobei mehrfach akzeptierte Daten gemittelt werden. Dies spielt auf
Grund der niedrigen Protonendichte der Lunge eine wesentliche Rolle in der Rekonstruktion
hochaufgelöster Lungendatensätze. Weiterhin führt das Mitteln von
mehrfach akzeptierten Daten zu einer Unterdrückung der sogenannten Ghost Artefakte,
was am Beispiel der Herzbewegung in der Arbeit gezeigt wird.
Da die Messungen unter freier Atmung durchgeführt werden und keine zusätzlichen
externen Messgeräte angeschlossen werden müssen, stellte die Untersuchung
für die Patienten in dieser Arbeit kein Problem dar. Im ersten Teil dieser wurde Arbeit
gezeigt, dass sich mit Hilfe des DC Signales als Navigator und einer retrospektiven
Datenauswahl das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung
von beispielsweise 1.6 x 1.6 x 4 mm3 innerhalb von 13 min. darstellen lässt. Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode zur Bewegungskorrektur wurde neben
Probanden auch an Patienten demonstriert.
Da wie bereits beschrieben das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden
muss, wiederholt sich auch die Abfolge der für die Bildgebung verantwortlichen
Gradienten periodisch. Da sich der Atemzyklus aber auch periodisch wiederholt,
kann es zu Korrelationen zwischen der Atmung und den wiederholten Messungen
kommen. Dies führt dazu, dass auch nach vielen wiederholten Messungen immer
noch größere Bereiche fehlender Linien im k-Raum bleiben, was zu Artefakten in
den Rekonstruktionen führt. Dies konnte im Falle der konventionellen Bewegungskorrektur
in den Gatingmasken, die die Verteilung und Häufigkeit der einzelnen
akzeptierten Phasenkodierschritte im k-Raum zeigen, beobachtet werden.
Da eine vorsätzliche Unterbrechung der Atemperiodizität (der Patient wird dazu
angehalten, seine Atemfrequenz während der Messung absichtlich zu variieren) zur
Vermeidung der angesprochenen Korrelationen nicht in Frage kommt, musste die
Periodizität in der Datenaufnahme unterbrochen werden. In dieser Arbeit wurde
dies durch eine quasizufällige Auswahl von Phasen- und Partitionskodiergradienten
erreicht, da Quasizufallszahlen so generiert werden, dass sie unabhängig von ihrer
Anzahl einen Raum möglichst gleichförmig ausfüllen. Die quasizufällige Datenaufnahme
führt deshalb dazu, das sowohl akzeptierte als auch fehlende Linien nach der
Bewegungskorrektur homogen im k-Raum verteilt auftreten.
Vergleicht man das auftreten von Ghosting zeichnen sich die quasizufälligen Rekonstruktionen
im Vergleich zur konventionellen Datenaufnahme durch eine verbesserte
Reduktion von Ghost Artefakten aus. Dies ist auf die homogene Verteilung mehrfach
akzeptierter Linien im k-Raum zurückzuführen. Die homogenere Verteilung von
fehlenden Linien im k-Raum führt weiterhin zu einer wesentlich stabileren Rekonstruktion
fehlender Linien mit parallelen MRT-Verfahren (z.B. iterativem Grappa).
Dies wird umso deutlicher je höher der Anteil fehlender Linien im k-Raum wird. Im
Falle der konventionellen Datenaufnahme werden die zusammenhängenden Bereiche
fehlender Linien immer größer, was eine erfolgreiche Rekonstruktion mit iterativem
Grappa unmöglich macht. Im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme dagegen
können auch Datensätze in denen 40% der Linien fehlen einfaltungsartefaktfrei
rekonstruiert werden.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde gezeigt, wie die Stabilität der iterativen Grappa
Rekonstruktion im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme für eine erhebliche
Reduktion der gesamten Messzeit genutzt werden kann. So ist in einer Messzeit von
nur 74s die Rekonstruktion eines artefaktfreien und bewegungskorrigierten dreidimensionalen
Datensatzes der menschlichen Lunge mit einer Auflösung von 2 x 2 x
5 mm3 möglich. Des Weiteren erlaubt die quasizufällige Datenaufnahme in Kombination
mit iterativem Grappa die Rekonstruktion von Datensätzen unterschiedlicher
Atemphasen von Inspiration bis Expiration (4D Bildgebung). Nach einer Messzeit
von 15min. wurden 19 unterschiedliche Atemzustände rekonstruiert, wobei sich der Anteil der fehlenden Linien zwischen 0 und 20 % lag. Im Falle der konventionellen
Datenaufnahme wäre eine wesentlich längere Messzeit nötig gewesen, um ähnliche
Ergebnisse zu erhalten.
Zum Schluss soll noch ein Ausblick über mögliche Weiterentwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten,
die sich aus den Erkenntnissen dieser Arbeit ergeben haben,
gegeben werden. So könnte das quasizufällige Aufnahmeschema um eine Dichtegewichtung
erweitert werden. Hierbei würde der zentrale k-Raum Bereich etwas
häufiger als die peripheren Bereiche akquiriert werden. Dadurch sollte die iterative
Grappa Rekonstruktion noch stabiler funktionieren und Ghost Artefakte besser reduziert
werden. Die Verteilung der Linien sollte allerdings nicht zu inhomogen werden,
um größere Lücken im k-Raum zu vermeiden.
Darüber hinaus könnte die vorgestellte Methode der Bewegungskompensation
auch für die Untersuchung anderer Organe oder Körperteile verwendet werden.
Voraussetzung wäre lediglich das Vorhandensein dezidierter Spulenanordnungen,
mit denen die Bewegung nachverfolgt werden kann. So ist beispielsweise eine dynamische
Bildgebung des frei und aktiv bewegten Knies möglich, wobei zwischen
Beugung und Streckung durch die erste Ableitung des zentralen k-Raum Signales
unterschieden werden kann. Dies kann zusätzliche Diagnoseinformationen liefern
oder für Verlaufskontrollen nach Operationen benutzt werden [15].
Eine Weiterentwicklung mit hohem klinischen Potential könnte die Kombination
der in dieser Arbeit vorgestellten retrospektiven Bewegungskorrektur mit einer Multi-
Gradienten-Echo Sequenz darstellen. Hierzu musste die bestehende Sequenz lediglich
um eine mehrfache Abfolge von Auslesegradienten innerhalb einer Anregung erweitert
werden. Dies ermöglicht eine bewegungskorrigierte voxelweise Bestimmung der
transversalen Relaxationszeit T∗2 in hoher räumlicher Auflösung. Unter zusätzlicher
Sauerstoffgabe kann es zu einer Veränderung von T∗2 kommen, die auf den sogenannten
BOLD Effekt (Blood Oxygen Level Dependent) zurückzuführen ist. Aus dieser
Änderung könnten Rückschlüsse auf hypoxische Tumorareale gezogen werden. Da
diese eine erhöhte Strahlenresistenz aufweisen, könnte auf diese Bereiche innerhalb
des Tumors eine erhöhte Strahlendosis appliziert und so möglicherweise Behandlungsmisserfolge
reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die 4D Bildgebung eine
mögliche Tumorbewegung durch die Atmung erfasst und diese Information ebenfalls
in der Bestrahlungsplanung benutzt werden. Die Lungen MRT könnte somit um eine
hochaufgelöste dreidimensionale funktionelle Bildgebung erweitert werden.
N2 - The goal of this work was to depict the whole lung volume by MRI in high spatial
resolution. To obtain sufficient signal for a reliable diagnosis despite the inherently low
proton density of the lung and the requested high spatial resolution, total acquisition
times of a few minutes are mandatory. Simultaneously, the measurements should
be performed under free breathing conditions making patient examinations more
comfortable or possible for patients with limited breath holding capabilities. However,
free breathing leads to motion artifacts which can severely influence the diagnostic
value of the images and hence have to be avoided. To compensate for motion the
prevalent breathing pattern has to be detected. This can be achieved by external
measurement devices such as a respiration belt or a spirometer or by conventional
navigator echoes using an additional excitation pulse. Drawbacks of these methods
are that the respiratory motion is detected only indirectly, that electronic devices
have to be used near the MRI machine and the patients have to be prepared and are
strongly restricted. Furthermore, additional excitation pulses will prolong the total
acquisition time and may affect the magnetization adversely.
To overcome these limitations of motion detection in the present work, the image as
well as the navigator data was acquired within one excitation of a FLASH sequence.
The resulting central k-space signal (DC signal) after rephasing of all imaging gradients
was used as a navigator signal. The DC signal represents the sum of all signals
that can be detected with a single receiver coil element. If the liver is for example
moving in the sensitivity area of one coil element due to breathing, an increased DC
signal will be detected. Depending on their local position on the body the locally
confined coil elements are able to track respiratory motion. The time course of the
DC signal of the selected coil element for respiratory motion compensation will
depict periodic signal variations accordingly. Additionally, respiratory phases of
expiration can be distinguished from inspiratory phases because the resting times in
end-expiratory phases are usually longer compared to end-inspiratory phases.
The DC signal can be acquired either before or after the actual image data acquisition
within one excitation. The short T2* of the human lung tissue leads to a
rapid signal decay after the excitation. As shown in this thesis, the DC signal should
be acquired after the image data within one excitation. This approach allows for
echo time (TE) reduction of 0.3 ms leading to a signal benefit of approximately 20 %.
Simultaneously, the remaining signal after image data acquisition and rephasing of
all imaging gradients is still sufficient to track respiratory motion and can therefore
be used for motion compensation of the acquired data. In order to compensate for motion retrospectively, threshold values for data acceptance
have to be defined. Setting the threshold value, neither too less nor too much
data should be accepted. Accepting very few data leads to sharp transition between
the lung and the diaphragm because not much motion is allowed in the reconstruction
process. On the other hand, disturbed signal intensity can be observed because of
under-sampling artifacts due to missing lines after gating. These artifacts can restrict
the diagnostic value of the reconstructions. Therefore, the selected threshold value
should lead to a fully sampled k-space after gating. This requirement can be used to
define the maximum threshold value for data acceptance. On the contrary, accepting
very much data leads to higher signal intensity but also to more distinctive motion
artifacts. In this case, the physician has to decide whether the motion artifacts affect
his diagnosis too much. A moderate threshold value leads to a fully sampled k-space
as well as good motion artifact compensation. This results in reconstructions that
are characterized by a sharp depiction of small vessels even near the diaphragm. For
this, threshold values leading to a data acceptance of about 40 % turned out to be
beneficial.
To avoid under-sampling artifacts because of retrospective gating, the imaging
volume has to be acquired several times. This ensures that enough data is available
for the final reconstruction whereas multiple accepted data is averaged. Averaging is
essential for the reconstruction of high resolution data sets because of the inherently
low proton density of the lung. Furthermore it leads to the reduction of ghost artifacts
as is shown using the example of heart motion in this work.
As no external measurement devices were used and the data was acquired under
free breathing conditions the examinations posed no problem for the patients within
this work. It was shown so far that the DC signal in combination with retrospective
gating can be used to reconstruct high resolution 3d lung data sets with a resolution
of 1.6 x 1.6 x 4 mm3 within 13 min., for instance. The applicability of the presented
method for motion compensation was shown for volunteers as well as patients.
Since as already described the imaging volume must be acquired several times, the
series of gradients for spatial encoding are repeated periodically. As the respiratory
cycle is periodically as well, correlations between the repeated measurements and the
breathing cycle can occur. Therefore, even after many repeated measurements large
areas of missing k-space lines can remain, leading to artifacts in the reconstructions.
This can be observed in the gating masks, showing the distribution of accepted and
missing lines in k-space, in case of conventional motion compensation used in this
work so far.
To avoid the aforementioned correlations, the periodicity in the repeated acquisitions
has to be interrupted because of suspending the periodic breathing pattern of
patients deliberately would be a serious intervention and is therefore ineligible. This
was accomplished by a quasi-random selection of the phase and partition encoding
gradients as quasi-random numbers are generated to fill the space as uniformly as possible regardless of their number. Therefore, accepted lines as well as missing lines
are uniformly distributed in k-space after retrospective gating.
A more uniform distribution of multiple accepted k-space lines in case of quasirandom
sampling leads to an improved reduction of Ghost-Artifacts compared to
conventional sampling. Furthermore, the more uniform distribution of missing kspace
lines leads a considerably more stable reconstruction of missing lines using
parallel imaging techniques (as iterative Grappa for example). This is getting more
distinct the higher the proportion of missing k-space lines is. The contiguous areas
of missing k-space lines are becoming increasingly large in case of conventional
sampling, making a successful reconstruction using iterative Grappa impossible. In
contrast, quasi-random sampling enables for the successful reconstruction of artifact
free images even when 40 % of the acquired lines were missing after retrospective
gating.
In addition, the stability of the iterative GRAPPA reconstructions in case of quasirandom
sampling allows for a substantial reduction of the total acquisition time.
Thus, an artifact free motion compensated data set of 2 x 2 x 5 mm3 resolution could
be reconstructed for a measurement time of only 74s. Furthermore, quasi-random
sampling in combination with iterative Grappa enables for the reconstruction of
data sets of different respiratory phases from inspiration to expiration (4d imaging).
Accordingly, 19 different respiratory phases could be reconstructed after 15min of
data acquisition. The percentage of missing lines was between 0 and 20 %. Hence, in
case of conventional sampling a considerably longer measurement time would have
been required to achieve similar results.
KW - Kernspintomografie
KW - Retrospektive Bewegungskorrektur
KW - Magnetresonanztomographie
KW - Lungenbildbgebung
KW - freie Atmung
KW - Retrospective Motion Compensation
KW - DC-Gating
KW - Lung Imaging
KW - free breathing
KW - Lunge
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124084
ER -