Loading…
Thumbnail Image

Pilot tone–based prospective respiratory motion correction for cardiac MRI

Ludwig, Juliane

FG Medizintechnik

Cardiovascular disease (CVD), including coronary artery disease, heart failure, cardiomyopathy, and myocarditis, accounts for 32% of deaths and remains the leading cause of death worldwide (17.9 million per year; WHO, 2019). In cardiology Magnetic resonance imaging (MRI) is an essential clinical imaging tool because it provides excellent soft-tissue contrast. MR examination can be used to examine non-invasively various parameters of the heart, providing information on, for example, functionality, blood flow, or tissue composition. Depending on the intended application, different cardiac MRI techniques are utilized. For example, cine MRI is suitable for visualizing cardiac motion and regional wall motion abnormalities, while the assessment of the progression of myocarditis can be achieved with the use of T1 mapping. Of disadvantage to many techniques are the long examination times mainly due to physiological motion such as breathing. To ensure that image quality is not compromised by motion artifacts, the breathhold strategy is commonly used in clinical practice. But for a complete examination, the patients must manage several instructed breath-holding phases, which can often be difficult for the sick, elderly, or children. Therefore, methods have been developed that allow cardiac MR examination under free breathing. Often these approaches are based on an additional measurement of an MR-navigator, which provides information about the respiratory motion state. However, the MR-navigator is not suitable for continuous measurements because its acquisition interrupts the steady-state during the measurement. A novel alternative for a motion surrogate is the pilot tone (PT). The PT is an additional RF signal introduced into the scanner, which can be extracted from the acquired MR data during the measurement. The intensity of the scale-free signal changes depending on the respiratory motion and can, therefore, be used as a motion surrogate. Nevertheless, quantitative motion information is required for motion correction. In this thesis, a new PT-based method for respiratory motion correction for cardiac MRI was developed. Using phantom- and in vivo data, it was demonstrated that motion correction using the PT leads to an improvement in image quality and accuracy of quantitative parameters compared with uncorrected images. The temporal stability of the PT was shown for at least 50 min. Subject-specific motion models were derived from a calibration scan, that allow to convert the qualitative PT into a quantitative signal providing information about respiratory motion. Furthermore, a comparison of the PT with other motion surrogates was performed. For a 3D MR scan, retrospective motion correction using the PT improved the visibility of the coronary arteries similar to the MR-navigator. Thereafter, a novel prospective PT-based motion correction approach was developed, which enables slice tracking during the running sequence. The quantitative PT was used to adapt the slice position during the measurement to ensure the current imaging slice follows the respiratory motion of the heart. Motion artifacts in functional cine images with Cartesian acquisition scheme could be strongly reduced with this prospective motion correction approach. The contrast-to-noise ratio with respect to motion artifacts and also the sharpness of the endocardium improved significantly compared with the uncorrected images. Furthermore, left ventricular blood pool areas were determined, and there was no significant difference between the reference breathhold method and the presented motion-corrected free-breathing approach. Similar improvements were achieved for quantitative T1-mapping of the myocardium. Here a radial acquisition scheme was used for data acquisition. Without motion correction respiratory motion led to an overestimation of T1 values compared to breathhold data, which was successfully corrected with the PT-based approach. The presented results demonstrate that PT-based respiratory motion correction is robust, accurate, and versatile, and thus may enable future developments such as high-resolution imaging strategies under free-breathing.
Kardiovaskuläre Erkrankungen (CVD), einschließlich Koronarer Herzkrankheit, Herzinsuffizienz, Kardiomyopathie und Myokarditis sind für 32% aller Todesfälle verantwortlich und bleiben weltweit die häufigste Todesursache (17,9 Millionen pro Jahr; WHO, 2019). In der Kardiologie ist die Magnetresonanztomographie (MRT) wegen des hervorragenden Weichteilkontrasts ein wichtiges klinisches Bildgebungsinstrument zur Differentialdiagnose. Mit einer MR-Untersuchung können nicht-invasiv verschiedene Parameter des Herzens untersucht werden, die z.B. Aufschluss über die Funktionsfähigkeit, den Blutfluss oder die Gewebezusammensetzung geben. Dabei werden je nach Anwendungsgebiet spezielle kardiale MRT-Techniken eingesetzt. Zur Darstellung von Herzbewegungen und regionalen Herzwandbewegungsstörungen eignet sich beispielsweise die Cine-MRT, während die Beurteilung des Verlaufs einer Myokarditis mit Hilfe des T1-Mappings möglich ist. Von Nachteil für viele Techniken ist jedoch die für MR-Untersuchungen typisch lange Aufnahmedauer pro Bild, die hauptsächlich auf physiologische Bewegungen zurückzuführen ist. Um sicherzustellen, dass die Bildqualität nicht durch Bewegungsartefakte beeinträchtigt wird, kommt in der klinischen Praxis häufig die Atemanhaltestrategie zum Einsatz, bei der die Atembewegung unterdrückt wird. Für eine vollständige Untersuchung müssen die PatientInnen jedoch mehrere instruierte Atemanhaltephasen bewältigen, was für Kranke, ältere Menschen oder Kinder oft schwierig sein kann. Daher wurden Methoden entwickelt, die eine kardiale MR-Untersuchung unter freier Atmung ermöglichen. Häufig basieren diese Ansätze auf einer zusätzlichen Messung eines MR-Navigators, welcher Informationen über den Atembewegungszustand liefert. Für eine kontinuierliche Messung ist der MR-Navigator jedoch ungeeignet, da seine Erfassung die Bildaufnahme unterbricht. Eine neue Alternative für ein Bewegungssurrogat ist der Pilotton (PT). Der PT ist ein zusätzliches in den Scanner eingebrachtes RF-signal, welches während der Messung aus den aufgenommenen MR-Daten extrahiert werden kann. Die Intensität des nicht skalierten Signals ändert sich in Abhängigkeit von der Atembewegung. Daher kann der PT als Bewegungssurrogat verwendet werden. Quantitative Bewegungsinformationen, die für eine Bewegungskorrektur genutzt werden könnten, wurden mit dem PT bisher noch nicht gewonnen. In dieser Dissertation wurde erstmals eine PT-basierte Atembewegungskorrektur für die kardiale MRT entwickelt. Auf Basis von Phantom- und in vivo-Daten konnte nachgewiesen werden, dass die Bewegungskorrektur mit dem PT zu einer Verbesserung der Bildqualität im Vergleich zu unkorrigierten Bildern führt. Die zeitliche Stabilität des PT wurde für ca. 50 Minuten gezeigt. Aus einem Kalibrierungsscan wurden personenspezifische Bewegungsmodelle abgeleitet, die es ermöglichen, den qualitativen PT in ein quantitatives Signal umzuwandeln, das Informationen über die Atembewegung liefert. Darüber hinaus wurde ein Vergleich des PT mit anderen Bewegungssurrogaten durchgeführt. Bei einem 3D-MR-Scan verbesserte die retrospektive Bewegungskorrektur mit dem PT die Sichtbarkeit der Koronararterien ähnlich wie mit dem MR-Navigator. Ferner wurde ein prospektiver PT-basierter Ansatz zur Bewegungskorrektur entwickelt, der schon während der Messung, eine atemangepasste Schichtmitführung (Slice Tracking) ermöglicht. Bewegungsartefakte in funktionellen Cine-Aufnahmen mit kartesischem Aufnahmeschema konnten mit dieser prospektiven Bewegungskorrektur stark reduziert werden. Das Kontrast-Rausch-Verhältnis in Bezug auf Bewegungsartefakte und auch die Kantenschärfe des Endokards verbesserten sich im Vergleich zu den unkorrigierten Bildern signifikant. Darüber hinaus wurden die linksventrikulären Blutpoolflächen bestimmt, wobei es keinen signifikanten Unterschied zwischen der Referenzmethode und dem vorgestellten bewegungskorrigierten Ansatz gab. Ähnliche Verbesserungen wurden bei der quantitativen Messmethode T1-Mapping erzielt. Hier wurde ein radiales Akquisitionsschema f¨ur die Datenerfassung verwendet. Ohne Bewegungskorrektur führte die Atembewegung zu einer Überschätzung der T1-Werte im Vergleich zu den Referenzdaten, was mit der Anwendung der PT-basierten Methode korrigiert werden konnte. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die PT-basierte Atembewegungskorrektur robust, akkurat und vielseitig einsetzbar ist und damit zukünftigen Entwicklungen, wie beispielsweise hochauflösenden Bildgebungsstrategien unter freier Atmung den Weg ebnet.