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3D super-resolution cardiac parametric mapping

Hufnagel, Simone

Cardiovascular magnetic resonance imaging (MRI) has become the standard method for assessing cardiac function, volumes, and mass and characterizing myocardial tissue composition. Compared to other imaging techniques, cardiac MRI is unique in its ability to accurately characterize the composition of myocardial tissue without any ionizing radiation. Current cardiac MRI techniques typically obtain qualitative images, which commonly only allow for the detection of focal pathologies and are difficult to compare between different scans or institutions. To address this issue, T1 mapping can be used, which yields quantitative T1 relaxation times of each voxel within the field of view. This allows for the identification of altered tissue characteristics associated with oedema, fibrosis, and infiltrative diseases. T1 mapping has the potential to detect both focal and diffuse diseases and to assess early asymptomatic tissue remodelling. However, the lengthy examination time, low spatial through-plane resolution, and limited spatial coverage limit its clinical application. In this thesis, new methods were developed to address these limitations and obtain a whole-heart high-resolution (HR) three-dimensional cardiac T1 map in a short acquisition time of three minutes. For that, two-dimensional slices were acquired using a fast, continuous Golden radial angle sequence with a high in-plane but low through-plane resolution. A k-space-based super-resolution reconstruction (SRR) approach was then used to reconstruct three-dimensional HR slices from the acquired low-resolution (LR) data. A radial SRR acquisition geometry of the LR datasets allowed a whole-heart coverage. Small structures, such as the atrial or right ventricular walls, could be visualized. The presented techniques were evaluated in simulation and phantom experiments, and feasibility was shown in healthy volunteers. The imaging approaches proposed in this thesis show promise for obtaining HR parameter maps of cardiac tissues in a short acquisition time. This approach is versatile and could be used to quickly acquire multiple quantitative parameter maps, such as simultaneous T1 and T2 mapping of the entire heart in future studies.
Die kardiovaskuläre Magnetresonanztomografie (MRT) hat sich zur Standardmethode für die Beurteilung von Herzfunktion, -volumen und -masse sowie für die Charakterisierung der Zusammensetzung des Herzmuskelgewebes entwickelt. Im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren ist die kardiovaskuläre MRT einzigartig in ihrer Fähigkeit, die Zusammensetzung des Herzmuskelgewebes ohne ionisierende Strahlung zu charakterisieren. Aktuelle kardiovaskuläre MRT-Techniken liefern in der Regel qualitative T1-gewichtete Bilder, die in willkürlichen, von Studie zu Studie variierenden Einheiten dargestellt werden und für die es keine Referenzwerte gibt. Mithilfe von T1-Mapping kann die quantitative T1-Relaxationszeit jedes Voxels innerhalb des Sichtfeldes bestimmt werden, indem mehrere T1-gewichtete Bilder aufgenommen werden. Auf diese Weise lassen sich veränderte Gewebemerkmale erkennen, die mit Krankheiten wie Ödemen, Fibrosen und infiltrativen Erkrankungen einhergehen. T1-Mapping hat das Potenzial, sowohl fokale als auch diffuse Erkrankungen zu erkennen und frühe asymptomatische Gewebeumwandlungen zu beurteilen. Jedoch schränken die lange Untersuchungszeit, die geringe räumliche Auflösung entlang der Schichtcodierrichtung und die begrenzte räumliche Abdeckung die klinische Anwendung ein. In dieser Arbeit wurden neue Methoden entwickelt, um diese Beschränkungen zu überwinden und eine hochaufgelöste, dreidimensionale kardiovaskuläre T1-Karte des ganzen Herzens in einer kurzen Aufnahmezeit von drei Minuten zu rekonstruieren. Dazu wurden zweidimensionale Schichten mit einer schnellen, kontinuierlichen Golden-radial-Winkel-Sequenz mit einer hohen Auflösung in der Ebene, aber einer geringen Auflösung entlang der Schichtcodierrichtung aufgenommen. Anschließend wurden dreidimensionale hochaufgelöste Schichten aus den niedrig aufgelösten Daten mit einem Super-Resolution-Rekonstruktionsverfahren (SRR) rekonstruiert. Eine radiale SRR-Akquisitionsgeometrie der niedrig aufgelösten Datensätze ermöglichte eine Abdeckung des gesamten Herzens. Kleine Strukturen wie Teile der Vorhofwände oder der rechten Ventrikelwand konnten mithilfe einer k-raum basierten SRR aufgelöst werden. Die vorgestellten Techniken wurden in Simulations- und Phantomexperimenten evaluiert und die erfolgreiche Anwendung an gesunden Probanden gezeigt. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Methode ist vielversprechend, um hochauflösende T1 Karten von Herzgewebe in kurzer Aufnahmezeit zu erhalten. Dieser Ansatz ist vielseitig und könnte in zukünftigen Studien zur schnellen Erfassung mehrerer quantitativer Parameter-Karten gleichzeitig, wie beispielsweise der T1- und T2-Kartierung des gesamten Herzens verwendet werden.