4D-Flussbildgebung mit 2D räumlich selektiver Anregung

Magnetic resonance imaging is a versatile non-invasive imaging modality that allows complex hemodynamics to be measured three-directionally, temporally, and 3D spatially resolved by a technique called 4D flow imaging. The resulting velocity vector fields yield a variety of diagnostic parameters and physiological information. However, 4D flow imaging is still limited by long scan times, which hinder its routine clinical application. In this thesis, 4D flow imaging times were reduced by restricting the field of view and the excitation in two dimensions to the relevant region of interest. To characterize the required 2D selective RF pulses, a method was developed to determine their bandwidth-time product. Furthermore, a technique to shorten 2D selective RF pulse durations was developed by accelerating their spiral spatial frequency (k) space trajectory while preserving the excitation profiles. The excitation profiles were further improved by calculating the RF pulses based on the measured k space trajectories and they were finally analysed in phantom experiments. Finally, 2D spatially selective excitation allowed reducing the field of view and, thus, scan times without generating spatial aliasing. The combination of 2D selective excitation and 4D flow is yet not straightforward. The virtual time point during excitation at which all spins are in phase, termed isophase time point, is required to calculate velocity compensation and encoding gradients to suppress artefacts and quantify flow. In this thesis, the isophase time point of stationary and moving spins was located at the end of excitation by numerical analysis of the spiral 2D selective RF pulses. Then, 4D flow imaging and quantification in a reduced field of excitation and reduced field of view were successful in phantom and in vivo measurements at multiple field strengths. Furthermore, a second virtual time point during excitation was identified for the first time. At this second time point all spins are effectively excited and it was therefore called effective centre of excitation. The centre of excitation was shown to be crucial to suppress the flow induced displacement artefact in both phase encode directions in flow phantom experiments. Another challenge in combining 4D flow imaging and 2D selective excitation is that the more than three times longer RF pulse duration of 2D compared to 1D selective excitation reduces the 4D flow temporal resolution. This challenge was met in two different ways. First, 4D flow imaging and 2D selective excitation were combined with the dynamic acceleration technique UNFOLD. Thereby, the temporal resolution of 4D flow imaging with 1D selective excitation was regained. Accordingly, significantly higher in vivo peak flow was quantified by reconstructing the 2D selectively excited 4D flow data with UNFOLD than without. Dynamic flow phantom measurements at 3 T and an in vivo study at 7 T confirmed these results. Second, the temporal resolution of 4D flow imaging with 2D selective excitation could be increased by reducing the 2D selective RF pulse duration further. Therefore, the 2D selective RF pulse duration was decreased by a factor of three using parallel transmission in simulations and initial phantom experiments at 7 T. In conclusion, the proposed methods accelerate 4D flow imaging by restricting the excitation and the field of view in 2D to the relevant region of interest while preserving successful velocity quantification and the temporal resolution of conventional 4D flow imaging.Die Magnetresonanztomographie ist ein vielseitiges, nicht-invasives Bildgebungsverfahren, das es ermöglicht, komplexe Blutflussströmungen durch die sogenannte 4D-Flussbildgebung räumlich in drei Dimensionen richtungsaufgelöst und zeitlich aufgelöst zu messen. Die resultierenden Geschwindigkeitsvektorfelder liefern eine Vielzahl von diagnostischen Parametern und physiologischen Informationen. Allerdings ist die 4D-Flussbildgebung immer noch durch lange Aufnahmezeiten limitiert, die ihre routinemäßige klinische Anwendung behindern. In dieser Arbeit wurden daher die Aufnahmezeiten der 4D-Flussbildgebung verkürzt, indem die Aufnahme mithilfe zweidimensional selektiver Anregung auf die relevante Region beschränkt wurde. Um die dafür benötigten 2D-selektiven HF-Pulse zu charakterisieren, wurde eine Methode zur Bestimmung des Bandbreite-Zeit-Produkts hergeleitet. Außerdem wurde eine Technik zur Verkürzung der 2D-selektiven HF-Pulsdauer entwickelt, bei der die spiralförmigen, räumliche Frequenz (k)-Raumtrajektorie der HF-Pulse unter Beibehaltung der Anregungsprofile beschleunigt wird. Die Anregungsprofile wurden weiter verbessert, indem die HF-Pulse basierend auf den gemessenen k -Raumtrajektorien berechnet wurden. Außerdem wurden die Anregungsprofile in Phantomexperimenten analysiert. Schließlich ermöglichte es die 2D-selektive Anregung, die Aufnahme und damit auch die Aufnahmedauer ohne räumliches Aliasing zu reduzieren. Die Kombination von 2D-selektiver Anregung und 4D-Flussbildgebung ist allerdings nicht direkt möglich. Dazu wird zum einen der virtuelle Zeitpunkt während der Anregung benötigt, an dem alle Spins in Phase sind, der sogenannte Isophasen-Zeitpunkt. Er erlaubt es, Geschwindigkeitskodier- und -kompensationsgradienten für eine korrekte Flussmessung und Unterdrückung von Artefakten zu berechnen. In dieser Arbeit wurde der Isophasen-Zeitpunkt stationärer und sich bewegender Spins am Ende der Anregung lokalisiert, indem die spiralförmigen 2D-selektiven HF-Pulse numerisch analysiert wurden. Daraufhin wurden die Geschwindigkeiten mit der 4D-Flussbildgebung mit 2D-selektiver Anregung und Aufnahme erfolgreich in Phantom- und in-vivo-Messungen bei mehreren Magnetfeldstärken quantifiziert. Des Weiteren wurde zum ersten Mal ein zweiter virtueller Zeitpunkt während der Anregung identifiziert. An diesem zweiten Zeitpunkt werden alle Spins effektiv angeregt und er wurde daher effektives Anregungzentrum genannt. Das Anregungszentrum erwies sich in Flussphantomexperimenten als entscheidend für die Unterdrückung des strömungsinduzierten Verschiebungsartefakts in beide Phasenkodierrichtungen. Eine weitere Herausforderung bei der Kombination von 4D-Flussbildgebung und 2D-selektiver Anregung besteht darin, dass die im Vergleich zur üblichen 1D-selektiven Anregung mehr als dreimal längere HF-Pulsdauer die zeitliche Auflösung reduziert. Dieser Herausforderung wurde auf zwei verschiedene Arten begegnet. Erstens wurden die 4D-Flussbildgebung und die 2D-selektive Anregung mit der dynamischen Beschleunigungstechnik UNFOLD kombiniert. Dadurch wurde in etwa die zeitliche Auflösung der 4D-Flussbildgebung mit 1D-selektiver Anregung wiedergewonnen. Dementsprechend wurde in vivo ein signifikant höherer Peak-Flow bei der Rekonstruktion der 2D-selektiv angeregten 4D-Flussbildgebungsdaten mit UNFOLD als ohne quantifiziert. Dynamische Messungen im Flussphantom und eine in-vivo Studie bei einer ultrahohen Feldstärke von 7 T bestätigten diese Ergebnisse. Es wurde ferner gezeigt, dass die zeitliche Auflösung weiter verbessert werden kann, indem die Dauer der 2D-selektiven Anregung durch Einsatz paralleler Sendetechniken verringert wird. Dazu wurde die Dauer der 2D-selektiven Anregung in Simulationen und ersten Phantomexperimenten bei 7 T mithilfe paralleler Sendetechniken um einen Faktor drei verringert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit entwickelten Methoden die 4D-Flussbildgebung beschleunigen, indem die Anregung und die Aufnahme auf eine örtlich relevante Region beschränkt werden, um dort eine genaue Flussmessung bei gleicher Auflösung zu gewährleisten

4D flow imaging with UNFOLD in a reduced FOV

PURPOSE: Two-dimensional selective excitation (2DRF) allows shortening 4D flow scan times by reducing the FOV, but the longer 2DRF pulse duration decreases the temporal resolution, yielding underestimated peak flow values. Multiple k-space lines per cardiac phase, n(l) ≥ 2, are commonly applied in 4D flow MRI to shorten the inherent long scan times. We demonstrate that 2DRF 4D flow with n(l) ≥ 2 can be easily combined with UNFOLD (UNaliasing by Fourier-encoding the Overlaps using the temporaL Dimension), a technique that allows regaining nominally the temporal resolution of the respective acquisition with n(l) = 1, to assure peak flow quantification. METHODS: Two different 2DRF pulses with spiral k-space trajectories were designed and integrated into a 4D flow sequence. Flow phantom experiments and 7 healthy control 4D flow in vivo measurements, with and without UNFOLD reconstructions, were compared with conventional reconstruction and 1D slab-selective excitation (1DRF) by evaluating time-resolved flow curves, peak flow, peak velocity, blood flow volume per cardiac cycle, and spatial aliasing. RESULTS: Applying UNFOLD to 4D flow imaging with 2DRF and reduced FOV increased the quantified in vivo peak flow values significantly by 3.7% ± 2.3% to 5.2% ± 2.4% (P < .05). Accordingly, the peak flow underestimation of 2DRF scans compared with conventional 1DRF scans decreased with UNFOLD. Finally, 2DRF combined with UNFOLD accelerated the 4D flow acquisition 3.5 ± 1.4 fold by reducing the FOV and increasing the effective temporal resolution by 6.7% compared with conventional 1D selective excitation, with 2 k-space lines per cardiac phase. CONCLUSION: Two-dimensional selective excitation combined with UNFOLD allows limiting the FOV to shorten 4D flow scan times and compensates for the loss in temporal resolution with 2DRF (Δt = 64.8 ms) compared with 1DRF (Δt = 43.2 ms), yielding an effective resolution of Δt(eff) = 40.5 ms to enhance peak flow quantification

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