Technological innovations in magnetic resonance for early detection of cardiovascular diseases

Most recent technical innovations in cardiovascular MR imaging (CMRI) are presented in this review. They include hardware and software developments, and novelties in parametric mapping. All these recent improvements lead to high spatial and temporal resolution and quantitative information on the heart structure and function. They make it achievable ambitious goals in the field of mapletic resonance, such as the early detection of cardiovascular pathologies. In this review article, we present recent innovations in CMRI, emphasizing the progresses performed and the solutions proposed to some yet opened technical problems

Development of novel quantitative medical imaging techniques for MPI and MRI

Tomographic imaging has become indispensable in the clinical routine. In a tomographic scan, images of the inner human body are produced without the need of dissecting the human skin. The common types of medical images are two-dimensional slices and entire three-dimensional volumes. To image dynamic processes such as organ function or perfusion, time series are produced at multiple spatial locations. To date, the most common medical imaging modalities are X-ray imaging, Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI) or tracer-based imaging such as Positron-Emission Tomography (PET) or Single-Photon Emission Tomography (SPECT). Next to the common modalities, a novel medical imaging modality called Magnetic Particle Imaging (MPI) has been introduced, and its position between the established modalities still needs to be defined. In general, cardiovascular applications impose specific challenges on medical imaging. Imaging speed is required to compensate for respiratory and cardiac motions, and to capture rapid uptake rates of contrast agents in the heart tissue. At the same time, high spatial resolution is demanded to accurately assess cardiac anatomy. In this work, we focus on two main cardiovascular applications: cardiac perfusion imaging and cardiac function imaging. Each imaging modality stands out with particular advantages and drawbacks for cardiovascular imaging. Magnetic Resonance Imaging (MRI), for example, has its main advantage in the use of non-ionizing radiation and its superb soft-tissue contrast and is hence suitable for cardiac function assessment. However, due to non-linearity of the MR signal with the contrast concentration, an application such as cardiac perfusion imaging is challenging and requires complex mathematical and practical treatment to measure the arterial input function. A more adequate tool for application on perfusion imaging would be Magnetic Particle Imaging (MPI) since its signal is linear with the contrast concentration over a wide range of concentration. Yet, a drawback of MPI is that no anatomic information is inside the MPI images since it is a purely tracer-based imaging method such as PET or SPECT. Therefore, image registration is required to fuse anatomic reference scans with MRI or CT with obtained MPI images in order to locate cardiac tissues. Magnetic Particle Imaging (MPI) renders for the application on cardiac perfusion imaging, due to its high spatial and temporal resolution and the linearity of the signal with the contrast concentration. Nevertheless, spatial coverage of MPI is currently limited to small volumes, thus there is a need for extended spatial coverage to assess human tissue structures maintaining high temporal resolution. In this work, methods are explored to extend spatial coverage with the aim to improve image registration of MPI images with anatomic reference scans from MRI or CT. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a suitable tool for cardiac function assessment. Cardiac cine imaging is the standard method to acquire heart motion during the entire cardiac cycle. Though, practical challenges still remain in the clinical application of cardiac cine MRI. The common way to obtain cine images is a stack of slices in short axis and long axis orientation, each acquired during 10-12 separate breath-holds. This is a time-consuming task and can be a tedious procedure especially for elder or illed patients in a clinical scenario. Additionally, due to possible patient movements between the breath-holds, slices at different locations can be miss-aligned leading to decreased accuracy in the assessment of cardiac function. We introduce and implement in this work a novel method for cardiac cine MRI called VF 3D-BRISA (“Very Fast 3D Breath-hold ISotropic Imaging using Spatio-temporal Acceleration”) allowing high image acceleration rates of over 30 and implement it on a real 3T MRI system. The high image acceleration is appreciated to perform non-angulated isotropic 3D cine imaging in a single breath-hold, overcoming the challenges of multi-slice 2D cine imaging. For the objective of this thesis, 2D and 3D experiments are conducted to assess optimal imaging parameters for VF 3D-BRISA. Furthermore, we conduct an in-vivo validation study of VF 3D-BRISA to demonstrate that cardiac function can be assessed with the same accuracy as with a reference method of 2D multi-slice cine imaging.Obtener imágenes mediante equipos de tomografía se ha convertido en una parte indispensable en la rutina clínica. Durante una examinación tomográfica, se producen imágenes del interior del cuerpo humano sin la necesidad disectar la piel humana. La forma más común es a través cortes bidimensionales o volúmenes tridimensionales completos. Para capturar procesos dinámicos tales como la función o la perfusión de un órgano, se adquieren en diferentes momentos y ubicaciones espaciales. Las técnicas de imagen más comunes son típicas de imágenes de rayos X, tomografía computarizada (TAC), resonancia magnética (RM) o de imágenes basadas en trazador: como Tomografía por Emisión de Positrones (PET) o tomografía por emisión de fotón único (SPECT). Paralelo a las modalidades comunes, se ha introducido una técnica nueva llamada Imaging de Partículas Magnéticas (MPI) y su posición entre las modalidades establecidas todavía está por definirse. En general, se imponen retos específicos sobre una aplicación cardiovascular de equipos tomográficos. Se requiere velocidad de adquisición para compensar los movimientos respiratorios y cardíacos, y para capturar bien las tasas de absorción rápida de agentes de contraste en el tejido cardíaco. Al mismo tiempo, se exige una alta resolución espacial para evaluar con más precisión la función cardíaca. En esta tesis, nos centramos en las dos principales aplicaciones cardiovasculares: La imagen de perfusión cardiaca y la imagen de función cardíaca. Cada modalidad de tomografía se destaca con sus ventajas e inconvenientes particulares para aplicaciones cardiovasculares. Imagen por Resonancia Magnética (RM), por ejemplo, tiene su principal ventaja en el uso de las radiaciones no ionizantes y su excelente contraste de los tejidos blandos y, por tanto, es adecuada para la evaluación de la función cardíaco. Sin embargo, debido a la no-linealidad de la señal de RM con la concentración de contraste, obtener imágenes de perfusión cardiaca con la RM es difícil y requiere tratamiento matemático y un manejo complejo para medir la función de entrada arterial (“arterial input function”, AIF). Una herramienta más adecuada para la aplicación en imágenes de perfusión es Imaging de partículas magnéticas (MPI), ya que su señal es lineal con la concentración de contraste en un amplio intervalo de concentración. Sin embargo, un inconveniente de MPI es que no hay información anatómica dentro de las imágenes MPI ya que es un método de formación de imágenes basado a trazadores tal como PET o SPECT, por lo que requiere exploraciones de referencia anatómicos con RM o TAC para la fusión de imágenes con imágenes MPI para localizar la ubicación de tejido cardiaco. Imaging de Partículas Magnéticas (MPI) puede ser adecuada para la aplicación de imágenes de perfusión cardiaca, debido a su alta resolución espacial y temporal y la linealidad de la señal con la concentración de contraste. No obstante, la cobertura espacial de MPI se limita actualmente a pequeños volúmenes, por lo tanto se desea una necesidad de cobertura espacial extendida para evaluar las estructuras de tejido humano. En esta tesis, se trabajan métodos para ampliar la cobertura espacial manteniendo alta resolución temporal. Se estima que una cobertura espacial más amplia mejora el registro de imágenes, de imágenes MPI con imágenes de referencia anatómicas por resonancia magnética o tomografía computarizada. La Resonancia Magnética (RM) es adecuada para la evaluación de la función cardíaca. Es el método estándar para adquirir el latido del ventrículo izquierdo durante todo el ciclo cardíaco a través de las imágenes “cine” cardiaca. Aunque, prevalecen desafíos prácticos aún en la aplicación clínica de MRI cine cardíaco. La forma más común de obtener imágenes de cine cardiacas es a través de un grupo de cortes de orientación en eje corto y eje largo, cada uno adquirido en 10-12 apneas separadas. Esta tarea consume tiempo y puede ser un procedimiento tedioso, especialmente para pacientes ancianos y/o enfermos en un escenario clínico. Además, debido a posibles movimientos del paciente entre la retención de respiración, sectores en diferentes lugares pueden ser mal alineados reduciendo la exactitud en la evaluación de la función cardíaca. En esta tesis, se introduce un nuevo método para resonancia magnética cardiaca llamada VF-3D BRISA ("Very Fast 3D Breath-hold ISotropic Imaging using Spatio-temporal Acceleration") que permite grados altos de aceleración de cine RM cardiaca. Se implementa BRISA en un sistema de RM 3T. Se aprecia esta aceleración alta para adquirir imágenes cine 3D isótropo completo en una sola apnea, superando los retos de la adquisición en múltiples cortes 2D en el estándar cine durante múltiples apneas. Se llevan a cabo experimentos en 2D y 3D para evaluar los parámetros óptimos para la formación de imágenes en 3D VF-BRISA. Además, se lleva a cabo un estudio de validación en vivo de la 3D-VF-BRISA para demostrar que la función cardiaca puede evaluarse con la misma precisión que con el método de referencia utilizando el estándar 2D cine de cortes múltiples.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Leoncio Garrido Fernández.- Secretario: Juan José Vaquero López.- Vocal: Pedro Luis Sánchez Fernánde

Restauration d'images en IRM anatomique pour l'étude préclinique des marqueurs du vieillissement cérébral

Les maladies neurovasculaires et neurodégénératives liées à l'âge sont en forte augmentation. Alors que ces changements pathologiques montrent des effets sur le cerveau avant l'apparition de symptômes cliniques, une meilleure compréhension du processus de vieillissement normal du cerveau aidera à distinguer l'impact des pathologies connues sur la structure régionale du cerveau. En outre, la connaissance des schémas de rétrécissement du cerveau dans le vieillissement normal pourrait conduire à une meilleure compréhension de ses causes et peut-être à des interventions réduisant la perte de fonctions cérébrales associée à l'atrophie cérébrale. Par conséquent, ce projet de thèse vise à détecter les biomarqueurs du vieillissement normal et pathologique du cerveau dans un modèle de primate non humain, le singe marmouset (Callithrix Jacchus), qui possède des caractéristiques anatomiques plus proches de celles des humains que de celles des rongeurs. Cependant, les changements structurels (par exemple, de volumes, d'épaisseur corticale) qui peuvent se produire au cours de leur vie adulte peuvent être minimes à l'échelle de l'observation. Dans ce contexte, il est essentiel de disposer de techniques d'observation offrant un contraste et une résolution spatiale suffisamment élevés et permettant des évaluations détaillées des changements morphométriques du cerveau associé au vieillissement. Cependant, l'imagerie de petits cerveaux dans une plateforme IRM 3T dédiée à l'homme est une tâche difficile car la résolution spatiale et le contraste obtenus sont insuffisants par rapport à la taille des structures anatomiques observées et à l'échelle des modifications attendues. Cette thèse vise à développer des méthodes de restauration d'image pour les images IRM précliniques qui amélioreront la robustesse des algorithmes de segmentation. L'amélioration de la résolution spatiale des images à un rapport signal/bruit constant limitera les effets de volume partiel dans les voxels situés à la frontière entre deux structures et permettra une meilleure segmentation tout en augmentant la reproductibilité des résultats. Cette étape d'imagerie computationnelle est cruciale pour une analyse morphométrique longitudinale fiable basée sur les voxels et l'identification de marqueurs anatomiques du vieillissement cérébral en suivant les changements de volume dans la matière grise, la matière blanche et le liquide cérébral.Age-related neurovascular and neurodegenerative diseases are increasing significantly. While such pathological changes show effects on the brain before clinical symptoms appear, a better understanding of the normal aging brain process will help distinguish known pathologies' impact on regional brain structure. Furthermore, knowledge of the patterns of brain shrinkage in normal aging could lead to a better understanding of its causes and perhaps to interventions reducing the loss of brain functions. Therefore, this thesis project aims to detect normal and pathological brain aging biomarkers in a non-human primate model, the marmoset monkey (Callithrix Jacchus) which possesses anatomical characteristics more similar to humans than rodents. However, structural changes (e.g., volumes, cortical thickness) that may occur during their adult life may be minimal with respect to the scale of observation. In this context, it is essential to have observation techniques that offer sufficiently high contrast and spatial resolution and allow detailed assessments of the morphometric brain changes associated with aging. However, imaging small brains in a 3T MRI platform dedicated to humans is a challenging task because the spatial resolution and the contrast obtained are insufficient compared to the size of the anatomical structures observed and the scale of the xpected changes with age. This thesis aims to develop image restoration methods for preclinical MR images that will improve the robustness of the segmentation algorithms. Improving the resolution of the images at a constant signal-to-noise ratio will limit the effects of partial volume in voxels located at the border between two structures and allow a better segmentation while increasing the results' reproducibility. This computational imaging step is crucial for a reliable longitudinal voxel-based morphometric analysis and for the identification of anatomical markers of brain aging by following the volume changes in gray matter, white matter and cerebrospinal fluid

Advanced acquisition and reconstruction techniques in magnetic resonance imaging

Mención Internacional en el título de doctorMagnetic Resonance Imaging (MRI) is a biomedical imaging modality with outstanding features such as excellent soft tissue contrast and very high spatial resolution. Despite its great properties, MRI suffers from some drawbacks, such as low sensitivity and long acquisition times. This thesis focuses on providing solutions for the second MR drawback, through the use of compressed sensing methodologies. Compressed sensing is a novel technique that enables the reduction of acquisition times and can also improve spatiotemporal resolution and image quality. Compressed sensing surpasses the traditional limits of Nyquist sampling theories by enabling the reconstruction of images from an incomplete number of acquired samples, provided that 1) the images to reconstruct have a sparse representation in a certain domain, 2) the undersampling applied is random and 3) specific non-linear reconstruction algorithms are used. Cardiovascular MRI has to overcome many limitations derived from the respiratory and cardiac cycles, and has very strict requirements in terms of spatiotemporal resolution. Hence, any improvement in terms of reducing acquisition times or increasing image quality by means of compressed sensing will be highly beneficial. This thesis aims to investigate the benefits that compressed sensing may provide in two cardiovascular MR applications: The acquisition of small-animal cardiac cine images and the visualization of human coronary atherosclerotic plaques. Cardiac cine in small-animals is a widely used approach to assess cardiovascular function. In this work we proposed a new compressed sensing methodology to reduce acquisition times in self-gated cardiac cine sequences. This methodology was developed as a modification of the Split Bregman reconstruction algorithm to include the minimization of Total Variation across both spatial and temporal dimensions. We simulated compressed sensing acquisitions by retrospectively undersampling complete acquisitions. The accuracy of the results was evaluated with functional measurements in both healthy animals and animals with myocardial infarction. The method reached accelerations rates of 10-14 for healthy animals and acceleration rates of 10 in the case of unhealthy animals. We verified these theoretically-feasible acceleration factors in practice with the implementation of a real compressed sensing acquisition in a 7 T small-animal MR scanner. We demonstrated that acceleration factors around 10 are achievable in practice, close to those obtained in the previous simulations. However, we found some small differences in image quality between simulated and real undersampled compressed sensing reconstructions at high acceleration rates; this might be explained by differences in their sensitivity to motion contamination during acquisition. The second cardiovascular application explored in this thesis is the visualization of atherosclerotic plaques in coronary arteries in humans. Nowadays, in vivo visualization and classification of plaques by MRI is not yet technically feasible. Acceleration techniques such as compressed sensing may greatly contribute to the feasibility of the application in vivo. However, it is advisable to carry out a systematic study of the basic technical requirements for the coronary plaque visualization prior to designing specific acquisition techniques. On simulation studies we assessed spatial resolution, SNR and motion limits required for the proper visualization of coronary plaques and we proposed a new hybrid acquisition scheme that reduces sensitivity to motion. In order to evaluate the benefits that acceleration techniques might provide, we evaluated different parallel imaging algorithms and we also implemented a compressed sensing methodology that incorporates information from the coil sensitivity profile of the phased-array coil used. We found that, with the coil setup analyzed, acceleration benefits were greatly limited by the small size of the FOV of interest. Thus, dedicated phased-arrays need to be designed to enhance the benefits that accelerating techniques may provide on coronary artery plaque imaging in vivo.La Imagen por Resonancia Magnética (IRM) es una modalidad de imagen biomédica con notables características tales como un excelente contraste en tejidos blandos y una muy alta resolución espacial. Sin embargo, a pesar de estas importantes propiedades, la IRM tiene algunos inconvenientes, como una baja sensibilidad y tiempos de adquisición muy largos. Esta tesis se centra en buscar soluciones para el segundo inconveniente mencionado a través del uso de metodologías de compressed sensing. Compressed sensing es una técnica novedosa que permite la reducción de los tiempos de adquisición y también la mejora de la resolución espacio-temporal y la calidad de las imágenes. La teoría de compressed sensing va más allá los límites tradicionales de la teoría de muestreo de Nyquist, permitiendo la reconstrucción de imágenes a partir de un número incompleto de muestras siempre que se cumpla que 1) las imágenes a reconstruir tengan una representación dispersa (sparse) en un determinado dominio, 2) el submuestreo aplicado sea aleatorio y 3) se usen algoritmos de reconstrucción no lineales específicos. La resonancia magnética cardiovascular tiene que superar muchas limitaciones derivadas de los ciclos respiratorios y cardiacos, y además tiene que cumplir unos requisitos de resolución espacio-temporal muy estrictos. De ahí que cualquier mejora que se pueda conseguir bien reduciendo tiempos de adquisición o bien aumentando la calidad de las imágenes resultaría altamente beneficiosa. Esta tesis tiene como objetivo investigar los beneficios que la técnica de compressed sensing puede proporcionar a dos aplicaciones punteras en RM cardiovascular, la adquisición de cines cardiacos de pequeño animal y la visualización de placas ateroscleróticas en arterias coronarias en humano. La adquisición de cines cardiacos en pequeño animal es una aplicación ampliamente usada para evaluar función cardiovascular. En esta tesis, proponemos una metodología de compressed sensing para reducir los tiempos de adquisición de secuencias de cine cardiaco denominadas self-gated. Desarrollamos esta metodología modificando el algoritmo de reconstrucción de Split-Bregman para incluir la minimización de la Variación Total a través de la dimensión temporal además de la espacial. Para ello, simulamos adquisiciones de compressed sensing submuestreando retrospectivamente adquisiciones completas. La calidad de los resultados se evaluó con medidas funcionales tanto en animales sanos como en animales a los que se les produjo un infarto cardiaco. El método propuesto mostró que factores de aceleración de 10-14 son posibles para animales sanos y en torno a 10 para animales infartados. Estos factores de aceleración teóricos se verificaron en la práctica mediante la implementación de una adquisición submuestreada en un escáner de IRM de pequeño animal de 7 T. Se demostró que aceleraciones en torno a 10 son factibles en la práctica, valor muy cercano a los obtenidos en las simulaciones previas. Sin embargo para factores de aceleración muy altos, se apreciaron algunas diferencias entre la calidad de las imágenes con submuestreo simulado y las realmente submuestreadas; esto puede ser debido a una mayor sensibilidad a la contaminación por movimiento durante la adquisición. La segunda aplicación cardiovascular explorada en esta tesis es la visualización de placas ateroscleróticas en arterias coronarias en humanos. Hoy en día, la visualización y clasificación in vivo de es te tipo de placas mediante IRM aún no es técnicamente posible. Pero no hay duda de que técnicas de aceleración, como compressed sensing, pueden contribuir enormemente a la consecución de la aplicación in vivo. Sin embargo, como paso previo a la evaluación de las técnicas de aceleración, es conveniente hacer un estudio sistemático de los requerimientos técnicos necesarios para la correcta visualización y caracterización de las placas coronarias. Mediante simulaciones establecimos los límites de señal a ruido, resolución espacial y movimiento requeridos para la correcta visualización de las placas y propusimos un nuevo esquema de adquisición híbrido que reduce la sensibilidad al movimiento. Para valorar los beneficios que las técnicas de aceleración pueden aportar, evaluamos diferentes algoritmos de imagen en paralelo e implementamos una metodología de compresed sensing que tiene en cuenta la información de los mapas de sensibilidad de las antenas utilizadas. En este estudio se encontró, que para la configuración de antenas analizadas, los beneficios de la aceleración están muy limitados por el pequeño campo de visón utilizado. Por tanto, para incrementar los beneficios que estas técnicas de aceleración pueden aportar la imagen de placas coronarias in vivo, es necesario diseñar antenas específicas para esta aplicación.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Elfar Adalsteinsson.- Secretario: Juan Miguel Parra Robles.- Vocal: Pedro Ramos Cabre

Lung Imaging and Function Assessment using Non-Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging

Measurement of pulmonary ventilation and perfusion has significant clinical value for the diagnosis and monitoring of prevalent lung diseases. To this end, non-contrast-enhanced MRI techniques have emerged as a promising alternative to scintigraphical measurements, computed tomography, and contrast-enhanced MRI. Although these techniques allow the acquisition of both structural and functional information in the same scan session, they are prone to robustness issues related to imaging artifacts and post-processing techniques, limiting their clinical utilization. In this work, new acquisition and post-processing techniques were introduced for improving the robustness of non-contrast-enhanced MRI based functional lung imaging. Furthermore, pulmonary functional maps were acquired in 2-year-old congenital diaphragmatic hernia (CDH) patients to demonstrate the feasibility of non-contrast-enhanced MRI methods for functional lung imaging. In the first study, a multi-acquisition framework was developed to improve robustness against field inhomogeneity artifacts. This method was evaluated at 1.5T and 3T field strengths via acquisitions obtained from healthy volunteers. The results demonstrate that the proposed acquisition framework significantly improved ventilation map homogeneity p<0.05. In the second study, a post-processing method based on dynamic mode decomposition (DMD) was developed to accurately identify dominant spatiotemporal patterns in the acquisitions. This method was demonstrated on digital lung phantoms and in vivo acquisitions. The findings indicate that the proposed method led to a significant reduction in dispersion of estimated ventilation and perfusion map amplitudes across different number of measurements when compared with competing methods p<0.05. In the third study, the free-breathing non-contrast-enhanced dynamic acquisitions were obtained from 2-year-old patients after CDH repair, and then processed using the DMD to obtain pulmonary functional maps. Afterwards, functional differences between ipsilateral and contralateral lungs were assessed and compared with results obtained using contrast-enhanced MRI measurements. The results demonstrate that pulmonary ventilation and perfusion maps can be generated from dynamic acquisitions successfully without the need for ionizing radiation or contrast agents. Furthermore, lung perfusion parameters obtained with DMD MRI correlate very strongly with parameters obtained using dynamic contrast-enhanced MRI. In conclusion, the presented work improves the robustness and accuracy of non-contrast-enhanced functional lung imaging using MRI. Overall, the methods introduced in this work may serve as a valuable tool in the clinical adaptation of non-contrast-enhanced imaging methods and may be used for longitudinal assessments of pulmonary functional changes

Microstructural imaging of the human brain with a 'super-scanner': 10 key advantages of ultra-strong gradients for diffusion MRI

The key component of a microstructural diffusion MRI 'super-scanner' is a dedicated high-strength gradient system that enables stronger diffusion weightings per unit time compared to conventional gradient designs. This can, in turn, drastically shorten the time needed for diffusion encoding, increase the signal-to-noise ratio, and facilitate measurements at shorter diffusion times. This review, written from the perspective of the UK National Facility for In Vivo MR Imaging of Human Tissue Microstructure, an initiative to establish a shared 300 mT/m-gradient facility amongst the microstructural imaging community, describes ten advantages of ultra-strong gradients for microstructural imaging. Specifically, we will discuss how the increase of the accessible measurement space compared to a lower-gradient systems (in terms of Δ, b-value, and TE) can accelerate developments in the areas of 1) axon diameter distribution mapping; 2) microstructural parameter estimation; 3) mapping micro-vs macroscopic anisotropy features with gradient waveforms beyond a single pair of pulsed-gradients; 4) multi-contrast experiments, e.g. diffusion-relaxometry; 5) tractography and high-resolution imaging in vivo and 6) post mortem; 7) diffusion-weighted spectroscopy of metabolites other than water; 8) tumour characterisation; 9) functional diffusion MRI; and 10) quality enhancement of images acquired on lower-gradient systems. We finally discuss practical barriers in the use of ultra-strong gradients, and provide an outlook on the next generation of 'super-scanners'