Shearlet-based compressed sensing for fast 3D cardiac MR imaging using iterative reweighting

High-resolution three-dimensional (3D) cardiovascular magnetic resonance (CMR) is a valuable medical imaging technique, but its widespread application in clinical practice is hampered by long acquisition times. Here we present a novel compressed sensing (CS) reconstruction approach using shearlets as a sparsifying transform allowing for fast 3D CMR (3DShearCS). Shearlets are mathematically optimal for a simplified model of natural images and have been proven to be more efficient than classical systems such as wavelets. Data is acquired with a 3D Radial Phase Encoding (RPE) trajectory and an iterative reweighting scheme is used during image reconstruction to ensure fast convergence and high image quality. In our in-vivo cardiac MRI experiments we show that the proposed method 3DShearCS has lower relative errors and higher structural similarity compared to the other reconstruction techniques especially for high undersampling factors, i.e. short scan times. In this paper, we further show that 3DShearCS provides improved depiction of cardiac anatomy (measured by assessing the sharpness of coronary arteries) and two clinical experts qualitatively analyzed the image quality

Kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie in der klinischen Routine - Etablierung zeiteffizienter Ansätze

Die zunehmende Bedeutung der kardiovaskulären Magnetresonanztomographie zur Diagnostik und Therapiesteuerung findet sich auch in den aktuellen Leitlinien der Kardiologie wieder. Dennoch ist ihre Anwendung noch nicht so routinemäßig verfügbar, wie es sich anbieten würde. Als ein limitierender Faktor gilt hierbei die Untersuchungsdauer. Für eine zeiteffizientere Untersuchung ist eine Nutzung bereits vorhandener Routineaufnahmen für weitere Fragestellungen sinnvoll. Gleichzeitig müssen neu entwickelte, schnellere Techniken validiert werden. Nur so können die Möglichkeiten der kardialen Magnetresonanztomographie, insbesondere die einzigartige Möglichkeit zur nicht-invasiven Gewebedifferenzierung, künftig eine breitere Anwendung finden. Ziel dieser Arbeit ist es, Möglichkeiten zur effizienteren und schnelleren Untersuchung aufzuzeigen, um die Möglichkeiten der kardialen Magnetresonanztomographie innovativ und in breiterer Anwendung nutzbar zu machen. Bei 203 gesunden Probanden wurde der linke Vorhof analysiert, um Normwerte basierend auf einem zeitsparenden klinischen Routineprotokoll zu erstellen. Abhängigkeiten von Alter, Geschlecht und Feldstärke wurden aufgezeigt.[1] Des weiteren wurden zwei neue, schnellere Aufnahmetechniken zur Narbendarstellung bei 312 Patienten mit verschiedenen Pathologien anhand des Vergleichs zur Referenzstandardsequenz evaluiert.[2] Außerdem wurden 23 Sarkompatienten vor und im Laufe ihrer Anthrazyklin-Therapie wiederholt untersucht, um einen potentiellen Markers einer anthrazyklin-induzierten Kardiomyopathie zu ermitteln.[3] Die Evaluierung der Normwerte des linken Vorhofs ergab einen Unterschied zwischen den Geschlechtern bezüglich der absoluten Volumina des linken Vorhofs. Dieser Unterschied war nicht mehr erkennbar nach Normierung der Werte auf Body-Surface-Area oder Körpergröße. Die Feldstärke hatte keinen Einfluss. Das enddiastolische Volumen des linken Vorhofs nahm mit zunehmendem Alter ab.[1] Die neuen Aufnahmetechniken hatten eine signifikant kürzere Aufnahmezeit und erlaubten darüber hinaus auch eine Auswertung bei Patienten mit arrhythmischem Herzschlag. Alle 201 in der Referenzstandardsequenz positiven Befunde wurden ebenfalls mit einer der neuen Aufnahmetechniken erkannt. In der anderen neuen Aufnahmetechnik wurden zwei kleine Narben (<1g) übersehen.[2] Sarkompatienten, die nach Beendigung der Anthrazyklintherapie eine anthrazyklin-induzierte Kardiomyopathie entwickelten, zeigten bereits 48h nach Therapiebeginn myokardiale Gewebeveränderungen, welche sich bis zum Ende der Therapie wieder erholten.[3] Zusammenfassend konnten durch die Etablierung von Normwerten des linken Vorhofs anhand eines zeitsparenden Routineprotokolls sowie der Validierung zeitsparender Aufnahmen zur Narbendarstellung Ansätze zur zeiteffizienteren und schnelleren Durchführung einer kardialen Magnetresonanztomographieuntersuchung gezeigt werden, durch die perspektivisch zeiteffizientere Untersuchungen möglich sind und somit eine breitere Anwendung auch innovativ zur Prädiktion von Kardiomyopathien möglich macht. 1. Funk S, Kermer J, Doganguezel S, Schwenke C, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Schulz-Menger J. Quantification of the left atrium applying cardiovascular magnetic resonance in clinical routine. Scand Cardiovasc J. 2018;52(2):85-92. 2. Muehlberg F, Arnhold K, Fritschi S, Funk S, Prothmann M, Kermer J, Zange L, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Schulz-Menger J. Comparison of fast multi-slice and standard segmented techniques for detection of late gadolinium enhancement in ischemic and non-ischemic cardiomyopathy - a prospective clinical cardiovascular magnetic resonance trial. J Cardiovasc Magn Reson. 2018;20(1):13. 3. Muehlberg F, Funk S, Zange L, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Blaszczyk E, Schulz A, Ghani S, Reichardt A, Reichardt P, Schulz-Menger J. Native myocardial T1 time can predict development of subsequent anthracycline-induced cardiomyopathy. ESC Heart Fail. 2018.The increasing importance of cardiovascular magnetic resonance for diagnostics and therapy guiding is reflected in current guidelines of cardiology. The clinical application, however, is not as widely spread as could be expected from that. The length of the examination is often seen as one limitation. For a more time-efficient examination the use of already acquired images for additional information is sensible. Also, newly developed, faster sequences have to be validated for future routine use. Thereby the potential of cardiovascular magnetic resonance, especially the unique possibility of non-invasive myocardial tissue differentiation, can be spread more broadly. Aim of this work is to show possibilities for a more efficient and faster examination to use the full potential of cardiovascular magnetic resonance also innovatively and for a broader spectrum. Left atria of 203 healthy volunteers were analyzed to establish normal values based on a time-efficient clinical routine protocol. Influence of age, sex and field strengths was evaluated.[1] Additionally, two new, faster acquisition techniques for scar imaging were compared to a reference standard sequence in 312 patients with different pathologies.[2] Furthermore 23 patients with sarcoma were examined before, during and after their anthracyclin-therapy to find a potential marker of anthracyclin-induced cardiomyopathy.[3] Evaluation the newly established normal values of the left atria showed a significant difference of the absolute volumes between both sexes, which could not be observed anymore after adjusting to body-surface-area or height. Field strength did not influence the results. The enddiastolic volume of the left atria decreased with age.[1] The new acquisition techniques had a significantly shorter acquisition time and additionally allowed for evaluation in patients with arrhythmia. All 201 positive results as depicted by the standard reference sequence were also detectable by one technique. With the other technique two small scars (<1g) were missed.[2] Patients with sarcoma, who developed an anthracyclin-induced cardiomyopathy after the anthracyclin-therapy, already showed 48 hours after beginning of treatment changes in myocardial tissue differentiation, which recovered until the end of the therapy.[3] In summary by establishing normal values for the left atria in a fast routine protocol and by validating newer, faster techniques for scar detection approaches for a more time-efficient and faster application of cardiovascular magnetic resonance could be shown, which will help expanding the application also to innovatively predict cardiomyopathies. 1. Funk S, Kermer J, Doganguezel S, Schwenke C, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Schulz-Menger J. Quantification of the left atrium applying cardiovascular magnetic resonance in clinical routine. Scand Cardiovasc J. 2018;52(2):85-92. 2. Muehlberg F, Arnhold K, Fritschi S, Funk S, Prothmann M, Kermer J, Zange L, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Schulz-Menger J. Comparison of fast multi-slice and standard segmented techniques for detection of late gadolinium enhancement in ischemic and non-ischemic cardiomyopathy - a prospective clinical cardiovascular magnetic resonance trial. J Cardiovasc Magn Reson. 2018;20(1):13. 3. Muehlberg F, Funk S, Zange L, von Knobelsdorff-Brenkenhoff F, Blaszczyk E, Schulz A, Ghani S, Reichardt A, Reichardt P, Schulz-Menger J. Native myocardial T1 time can predict development of subsequent anthracycline-induced cardiomyopathy. ESC Heart Fail. 2018

Large Scale Inverse Problems

This book is thesecond volume of a three volume series recording the "Radon Special Semester 2011 on Multiscale Simulation &amp Analysis in Energy and the Environment" that took placein Linz, Austria, October 3-7, 2011. This volume addresses the common ground in the mathematical and computational procedures required for large-scale inverse problems and data assimilation in forefront applications. The solution of inverse problems is fundamental to a wide variety of applications such as weather forecasting, medical tomography, and oil exploration. Regularisation techniques are needed to ensure solutions of sufficient quality to be useful, and soundly theoretically based. This book addresses the common techniques required for all the applications, and is thus truly interdisciplinary. This collection of survey articles focusses on the large inverse problems commonly arising in simulation and forecasting in the earth sciences