Arun Antony Joseph

• Nuclear spins in motion is an intrinsic component of any dynamic process when studied using magnetic resonance imaging (MRI). Moving spins define many functional characteristics of the human body such as diffusion, perfusion and blood flow. Quantitative MRI of moving spins can provide valuable information about the human physiology or of a technical system. In particular, phase-contrast MRI, which is based on two images with and without a flow-encoding gradient, has emerged as an important diagnostic tool in medicine to quantify human bloodNuclear spins in motion is an intrinsic component of any dynamic process when studied using magnetic resonance imaging (MRI). Moving spins define many functional characteristics of the human body such as diffusion, perfusion and blood flow. Quantitative MRI of moving spins can provide valuable information about the human physiology or of a technical system. In particular, phase-contrast MRI, which is based on two images with and without a flow-encoding gradient, has emerged as an important diagnostic tool in medicine to quantify human blood flow. Unfortunately, however, its clinical usage is hampered by long acquisition times which only provide mean data averaged across multiple cardiac cycles and therefore preclude Monitoring the immediate physiological responses to stress or exercise. These limitations are expected to be overcome by real-time imaging which constitutes a primary aim of this thesis. Short image acquisition times, as the core for real-time phase-contrast MRI, can be mainly realized through undersampling of the acquired data. Therefore the development focused on related technical aspects such as pulse sequence design, k-space encoding schemes and image reconstruction. A radial encoding scheme was experimentally found to be robust to motion and less sensitive to undersampling than Cartesian encoding. Radial encoding was combined with a FLASH acquisition technique for building an efficient real-time phase-contrast MRI sequence. The sequence was further optimized through overlapping of gradients to achieve the shortest possible echo time. Regularized nonlinear inverse reconstruction (NLINV), a technique which jointly estimates the image content and its corresponding coil sensitivities, was used for image reconstruction. NLINV was adapted specifically for phase-contrast MRI to produce both Magnitude images and phase-contrast maps. Real-time phase-contrast MRI therefore combined two highly undersampled (up to a factor of 30) radial gradient-echo acquisitions with and without a flow-encoding gradient with modified NLINV reconstructions. The developed method achieved real-time phase-contrast MRI at both high spatial (1.3 mm) and temporal resolution (40 ms). Applications to healthy human subjects as well as preliminary studies of patients demonstrated real-time phase-contrast MRI to offer improved patient compliance (e.g., free breathing) and immediate access to physiological variations of flow parameters (e.g., response to enhanced intrathoracic pressure). In most cases, quantitative blood flow was measured in the ascending aorta as an important blood vessel of the cardiovascular circulation system commonly studied in the clinic. The performance of real-time phase-contrast MRI was validated in comparison to standard Cine phase-contrast MRI using studies of flow phantoms as well as under in vivo conditions. The evaluations confirmed good agreement for comparable results. As a further extension to real-time phase-contrast MRI, this thesis implemented and explored a dual-echo phase-contrast MRI method which employs two sequential gradient echoes with and without flow encoding. The introduction of a flow-encoding gradient in between the two echoes aids in the further reduction of acquisition time. Although this technique was efficient under in vitro conditions, in vivo studies showed the influence of additional motion-induced Phase contributions. Due to these additional temporal phase information, the approach showed Little promise for quantitative flow MRI. As a further method three-dimensional real-time phase-contrast MRI was developed in this thesis to visualize and quantify multi-directional flow at about twice the measuring time of the standard real-time MRI method, i.e. at about 100 ms temporal resolution. This was achieved through velocity mapping along all three physical gradient directions. Although the method is still too slow to adequately cover cardiovascular blood flow, the preliminary results were found to be promising for future applications in tissues and organ systems outside the heart. Finally, future developments are expected to benefit from the adaptation of model-based reconstruction techniques to real-time phase-contrast MRI.…
• Die Bewegung der Kernspins ist eine wesentliche Eigenschaft von dynamischen Vorgängen, die mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht werden. Bewegte oder fließende Spins charakterisieren viele Funktionen des menschlichen Körpers, wie z.B. die Gewebeperfusion und den Blutfluss in den Gefäßen. Die quantitative MRT von bewegten Spins kann daher wertvolle Informationen über die menschliche Physiologie oder auch über ein technisches System geben. Insbesondere die Phasenkontrast-MRT, die auf der Aufnahme von zwei Bildern mit und ohneDie Bewegung der Kernspins ist eine wesentliche Eigenschaft von dynamischen Vorgängen, die mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht werden. Bewegte oder fließende Spins charakterisieren viele Funktionen des menschlichen Körpers, wie z.B. die Gewebeperfusion und den Blutfluss in den Gefäßen. Die quantitative MRT von bewegten Spins kann daher wertvolle Informationen über die menschliche Physiologie oder auch über ein technisches System geben. Insbesondere die Phasenkontrast-MRT, die auf der Aufnahme von zwei Bildern mit und ohne flusskodierenden Gradienten basiert, hat sich als ein wichtiges diagnostisches Werkzeug in der Medizin entwickelt, um den Blutfluss funktionell zu quantifizieren. Die klinische Nutzung ist jedoch durch die langen Messzeiten eingeschränkt, da die Daten über mehrere Herzzyklen gemittelt werden müssen und damit die Untersuchung unmittelbarer physiologischer Reaktionen auf Stress und/oder Muskelbelastung ausgeschlossen ist. Ein primäres Ziel dieser Arbeit war es, diese Einschränkungen durch die Entwicklung einer MRT-Flussmessung in Echtzeit zu überwinden. Entscheidende Grundlage jeder Echtzeit-MRT sind kurze Aufnahmezeiten, die vor allem durch eine Reduktion der aufgenommenen Daten (Unterabtastung) realisiert werden. Daher konzentrierte sich die hier vorgestellte Entwicklung auf die damit verbundenen technischen Aspekte wie die MRT-Sequenz zur Datenaufnahme, das räumliche Kodierungsschema, und die Bildrekonstruktion. Experimentell erwies sich ein radiales Kodierungsschema als robust gegenüber Bewegungen und relativ unempfindlich gegenüber milder Unterabtastung. Dieses Kodierungsschema wurde mit der FLASH Aufnahmetechnik für eine effiziente Phasenkontrast-Sequenz in Echtzeit kombiniert. Zusätzlich wurde die Sequenz durch Überlappung von Gradienten hinsichtlich einer kurzen Echozeit optimiert. Für die Bildrekonstruktion wurde die regularisierte nichtlineare inverse Rekonstruktion (NLINV) verwendet, bei der die Bildinformation und die entsprechenden pulensensitivitäten gleichzeitig geschätzt werden. NLINV wurde speziell für die Phasenkontrast-MRT angepasst, um sowohl Betragsbilder als auch robuste Phasenkontrast-Karten mit hoher raumzeitlicher Genauigkeit zu berechnen. Das erarbeitete Verfahren der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit kombiniert daher zwei stark unterabgetastete (bis zu einem Faktor von 30) und unterschiedlich flusskodierte, radiale Gradientenecho-Aufnahmen mit einer modifizierten NLINV Rekonstruktion. Mit dieser Methode wurde sowohl eine gute räumliche Auflösung (1.3 mm), als auch eine hohe zeitliche Auflösung (40 ms) erreicht. Bei Anwendungen an gesunden Probanden sowie vorläufigen Untersuchungen von Patienten konnte nachgewiesen werden, dass die Phasenkontrast-MRT in Echtzeit einen verbesserten Komfort für die Patienten (z.B. freie Atmung) und unmittelbaren Zugang zu physiologischen Veränderungen der Flussparameter bietet (z.B. Reaktion auf erhöhten Druck im Brustraum). In den meisten Fällen wurden quantitative Blutflussmessungen in der aufsteigenden Aorta, einem klinisch wichtigen Gefäß des Herz-Kreislauf-Systems, vorgenommen. Die Messungen mit der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit wurden mit der EKG-getriggerten Cine Phasenkontrast-MRT (klinischer Standard) an einem Flussphantom und unter in vivo Bedingungen verglichen. Die Ergebnisse zeigten unter vergleichbaren Bedingungen gute Übereinstimmung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zusätzlich eine Doppelecho-Variante der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit implementiert. Das Einfügen eines flusskodierenden Gradienten zwischen den beiden Echos führte zu einer weiteren Reduzierung der Messzeit. Obwohl sich diese Technik unter in vitro Bedingungen als tauglich erwies, zeigten sich bei in vivo Studien störende Einflüsse durch bewegungsinduzierte Phasenbeiträge, die wenig Erfolg für quantitative Flussmessungen versprechen. Als weitere Methode wurde in dieser Arbeit eine dreifach kodierte Sequenz zur Phasenkontrast-MRT entwickelt, um multidirektionalen Fluss zu untersuchen. Die Geschwindigkeitskodierung entlang aller drei physikalischen Gradientenrichtungen führte zu einer verlängerten Messzeit (zeitliche Auflösung � 100 ms) gegenüber der Echtzeit-Flussmessung in nur einer Richtung. Obwohl das Verfahren noch zu langsam ist, um den kardiovaskulären Blutfluss adäquat zu beschreiben, waren vorläufige Ergebnisse in Körperregionen außerhalb des Herzens für zukünftige klinische Anwendungen sehr vielversprechend. Es ist zu erwarten, dass entsprechende Weiterentwicklungen von modellbasierten ekonstruktionsverfahren profitieren werden.…