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Purpose
The aim of this study was to compare the wave‐CAIPI (controlled aliasing in parallel imaging) trajectory to the Cartesian sampling for accelerated free‐breathing 4D lung MRI.
Methods
The wave‐CAIPI k‐space trajectory was implemented in a respiratory self‐gated 3D spoiled gradient echo pulse sequence. Trajectory correction applying the gradient system transfer function was used, and images were reconstructed using an iterative conjugate gradient SENSE (CG SENSE) algorithm. Five healthy volunteers and one patient with squamous cell carcinoma in the lung were examined on a clinical 3T scanner, using both sampling schemes. For quantitative comparison of wave‐CAIPI and standard Cartesian imaging, the normalized mutual information and the RMS error between retrospectively accelerated acquisitions and their respective references were calculated. The SNR ratios were investigated in a phantom study.
Results
The obtained normalized mutual information values indicate a lower information loss due to acceleration for the wave‐CAIPI approach. Average normalized mutual information values of the wave‐CAIPI acquisitions were 10% higher, compared with Cartesian sampling. Furthermore, the RMS error of the wave‐CAIPI technique was lower by 19% and the SNR was higher by 14%. Especially for short acquisition times (down to 1 minute), the undersampled Cartesian images showed an increased artifact level, compared with wave‐CAIPI.
Conclusion
The application of the wave‐CAIPI technique to 4D lung MRI reduces undersampling artifacts, in comparison to a Cartesian acquisition of the same scan time. The benefit of wave‐CAIPI sampling can therefore be traded for shorter examinations, or enhancing image quality of undersampled 4D lung acquisitions, keeping the scan time constant.
Purpose:
The gradient system transfer function (GSTF) characterizes the frequency transfer behavior of a dynamic gradient system and can be used to correct non‐Cartesian k‐space trajectories. This study analyzes the impact of the gradient coil temperature of a 3T scanner on the GSTF.
Methods:
GSTF self‐ and B\(_0\)‐cross‐terms were acquired for a 3T Siemens scanner (Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) using a phantom‐based measurement technique. The GSTF terms were measured for various temperature states up to 45°C. The gradient coil temperatures were measured continuously utilizing 12 temperature sensors which are integrated by the vendor. Different modeling approaches were applied and compared.
Results:
The self‐terms depend linearly on temperature, whereas the B0‐cross‐term does not. Effects induced by thermal variation are negligible for the phase response. The self‐terms are best represented by a linear model including the three gradient coil sensors that showed the maximum temperature dependence for the three axes. The use of time derivatives of the temperature did not lead to an improvement of the model. The B\(_0\)‐cross‐terms can be modeled by a convolution model which considers coil‐specific heat transportation.
Conclusion:
The temperature dependency of the GSTF was analyzed for a 3T Siemens scanner. The self‐ and B0‐cross‐terms can be modeled using a linear and convolution modeling approach based on the three main temperature sensor elements.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Kompatibilität in der medizinischen Bildgebung unter zwei verschiedenen Aspekten: (A) Beeinflussung von Gradientenfeldern durch das Magnetsystem eines Magnetresonanztomographen. (B) Beeinflussung elektronischer Bauteile durch ionisierende Strahlung.
Imperfektionen in der Gradientenhardware (7–13) führen dazu, dass nicht die ideale zeitliche Gradientenform ausgespielt wird, sondern eine verzerrte Version der Gradienten (6,14). In der nicht-kartesischen Bildgebung führen diese resultierenden Abweichungen in den k-Raum Trajektorien zu Bildartefakten, die sich negativ auf die Diagnosestellung auswirken können. Die linearen und zeitinvarianten Eigenschaften des Gradientensystems ermöglichen die Bestimmung der Übertragungsfunktion (GSTF) (20). Diese Übertragungsfunktion kann innerhalb der Bildrekonstruktion zur Trajektorienkorrektur verwendet werden (14,15,70). In dieser Arbeit wurden mit der Feldkamera (Skope Magnetic Resonance Technologies, Zürich, Schweiz) (22,23) und der schichtselektiven Phantommethode (5,6) zwei etablierte GSTF-Messverfahren verglichen. Dabei wurde die Notwendigkeit einer Abtastzeitkompensation festgestellt, um die GSTF-Informationen entsprechend der gewählten Abtastzeit zu korrigieren (s. Abbildung 16) und die Trajektorien hinreichend zu korrigieren und damit Bildartefakte zu reduzieren. Die Langzeit- und Temperaturanalyse der GSTF zeigte für zwei verschiedene Siemens-Tomographen (Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) eine Langzeit und Temperaturstabilität, auch bei extensiven Duty-Cyclen. Damit lässt sich auch einfach eine Pre-emphasis-Korrektur der Gradienten realisieren, was exemplarisch mit einer Zig-Zag- und einer Spiral-Sequenz gezeigt werden konnte. Die GSTF-Pre-emphasis-Korrektur lieferte dabei ähnliche Ergebnisse wie die GSTF-Post-Processing-Technik (s. Abbildung 44 und 47).
In Bezug auf die Kompatibilität in der medizinischen Bildgebung wurde in dieser Arbeit auch die Beeinflussung von medizinischen Implantaten durch ionisierende Strahlung untersucht. Herzschrittmacher, Kardioverter-Defibrillatoren oder andere aktive medizini- sche Implantate können in ihrer Funktion durch ionisierende Strahlung, die bei verschiedenen diagnostischen und therapeutischen Anwendungen appliziert wird, beeinträchtigt werden (28,97,111). In dieser Studie wurden verschiedene elektronische Bauteile, wie Kondensatoren, Transistoren, Batterien und Speicherkarten in einer gewebeäquivalenten Messumgebung bestrahlt und dabei auf ihre Funktionalität überprüft. Die Messumgebung simuliert dabei die Wechselwirkungseigenschaften von menschlichem Gewebe mit ionisierender Strahlung in einem Energiebereich von 10 keV – 6 MeV. Zudem ermöglicht sie mit der Einschubeinheit die Integration von Implantaten/elektronischen Bauteilen, sowie eine realistische Bestrahlungsplanung und Dosisverifikation (35,77). Bei den Kondensatoren zeigten sich während der Bestrahlung ein verändertes Funktionsverhalten, mit signifikant abweichenden Spannungen und Zeitkonstanten gegenüber dem unbestrahlten Zustand. Auch die Batterien haben sich während der Bestrahlung signifikant schneller entladen, als ohne Strahlungsapplikation. Nach der Bestrahlung konnten bei den untersuchten SD-Speicherkarten auch Veränderungen in den Speicherzellen festgestellt werden. Bei den Transistoren war aufgrund von Fehlern im Messsetup und dem Schaltungsdesign keine genauere teststatistische Auswertung möglich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich charakteristische Kenngrößen der untersuchten Bauteile bei Strahlungsapplikation signifikant veränderten.