Magnetic resonance imaging (MRI) is largely limited to producing qualitative contrast images
instead of quantitative maps of tissue characteristics. A novel framework for quantitative MRI
termed Magnetic Resonance Fingerprinting (MRF) to map tissue parameters such as the relaxation
times T1 and T2 has recently been introduced. In MRF, tissue signals are generated by applying
a pseudo-randomly varying MRI acquisition, acquired using highly undersampled trajectories
and matched to a database of simulated tissue signals. The aim of this thesis is to investigate
hypotheses underlying MRF regarding its susceptibility to undersampling artifacts and magnetic
field inhomogeneities and develop countermeasures. Since MRF can be implemented in various
ways, one of the most popular implementations based on the FISP (Fast Imaging with Steady
State Precession) sequence was chosen for analysis and as a basis for further developments.
The single shot spiral trajectories employed lead to substantial undersampling artifacts. In this
work, the temporal variation of the spiral sampling patterns was examined and optimized. The
results show that the originally proposed temporal order yields artifacts of similar frequencies as
the signal responses from tissues, which leads to spatially dependent misestimations of parameters.
To resolve those, an optimized temporal order was developed in simulations and proven in in-vivo
experiments. The following chapter is dedicated to the influence of magnetic field inhomogeneities
on MRF. Here it is shown that different local amplitudes of the radio frequency (RF) field B1+ can
lead to misestimations of parameters by up to 50%, which can be resolved by measuring a B1+
map and integrating the information in the pattern match. Another newly developed strategy in
this work is to mitigate the influence of B1+ by the introduction of acquisition segments that are
particularly sensitive to B1+. Two approaches were developed and evaluated, one including FLASH
(Fast Low-Angle Shot) and one using two 90° phase shifted pulses. Here, tissue parameter maps
and B1+ maps were simultaneously generated, thereby resolving interdependencies. Furthermore,
in this work it was found that the static magnetic field B0 can also have an impact on FISP-MRF.
The dependency was analyzed and related to the relative phase difference between spin ensembles
and RF pulses. A technique to mitigate the dependency by additionally dephasing spins before RF
pulses was developed. The chapter is concluded with the presentation of the novel development
of MRFF (Magnetic Resonance Field Fingerprinting). By replacing some FISP segments with
TrueFISP and FLASH segments, B0 and B1+ dependent information was added, which enabled
the simultaneous generation of T1, T2, B0, B1+ and intravoxel phase dispersion maps. In the
last chapter, the in-vivo reproducibility of FISP-MRF with the newly developed improvements
described in the previous chapters was evaluated by scanning ten volunteers on ten scanners. T1
and T2 values varied less than 8.0% in brain compartments across scanners.Die Magnetresonanztomographie (MRT) beschränkt sich weitgehend auf die Erzeugung qualitativer
Kontrastbilder anstelle von quantitativen Karten von Gewebeeigenschaften. Kürzlich wurde ein
neuartiges Framework für quantitative MRT, Magnetic Resonance Fingerprinting (MRF) zur
direkten Abbildung von Gewebeparametern wie der Relaxationszeiten T1 und T2 präsentiert. Bei
MRF werden Gewebesignale mittels einer pseudozufällig variierenden MRT-Sequenz generiert,
die unter Verwendung stark unterabgetasteter Trajektorien aufgenommen werden und daraufhin
mit einer Datenbank simulierter Gewebesignale zum Zweck der Identifikation von Gewebeparametern
verglichen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Anfälligkeit von MRF für Unterabtastungsartefakte
und Magnetfeldinhomogenitäten zu untersuchen und entsprechende Gegenmaßnahmen zu entwickeln.
Da MRF auf verschiedene Arten implementiert werden kann, wurde die bis dato am häufigsten
verwendete Implementierung basierend auf der FISP (Fast Imaging with Steady State Precession)
Sequenz zur Analyse und als Grundlage für weitere Entwicklungen ausgewählt.
Die in FISP-MRF verwendeten Einzelschuss-Spiraltrajektorien führen zu erheblichen Unterabtastungsartefakten
im Bildraum. In dieser Arbeit wird deren zeitliche Variation untersucht und
optimiert. Die Resultate zeigen, dass die ursprünglich vorgeschlagene Abfolge Artefakte mit
ähnlichen Frequenzen wie die der Signalantworten von Geweben ergibt, was zu ortsabhängigen
Parameterfehlern führt. Eine optimierte Abfolge wurde in Simulationen gefunden, die in in-vivo
Experimenten bestätigt wurde. Das folgende Kapitel befasst sich mit dem Einfluss von Magnetfeldinhomogenitäten auf FISP-MRF. Hier wird gezeigt, dass variierende lokale Amplituden des
HF-Feldes B1+ zu Parameterfehlern von bis zu 50% führen können, die sich durch die Messung
einer B1+ Karte und Integrieren der Informationen in den Musterabgleich beheben lassen können.
Eine weitere in dieser Arbeit entwickelte Strategie ist die Einführung von Akquisitionssegmenten,
die gegenüber B1+ besonders sensitiv sind. Zwei Ansätze, einer mit FLASH (Fast Low-Angle
Shot) und einer mit zwei um 90° phasenverschobenen Hochfrequenz-Pulsen pro TR wurden in
dieser Arbeit entwickelt. Hier werden gleichzeitig Gewebeparameter- und B1+ -Karten erzeugt,
wodurch gegenseitige Abhängigkeiten aufgelöst werden. In dieser Arbeit wurde auch gezeigt, dass
Inhomogenitäten des statischen Magnetfelds B0 sich auf FISP-MRF auswirken können. Diese
Abhängigkeit wurde analysiert und mit der relativen Phasendifferenz zwischen Spin-Ensembles
und HF-Pulsen in Beziehung gesetzt. Wie in dieser Arbeit gezeigt, kann durch zusätzliches
Dephasieren von Spin-Ensembles vor einem HF-Impuls der Einfluss von B0 stark vermindert
werden. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels wird die neue eigene Entwicklung MRFF (Magnetic
Resonance Field Fingerprinting) präsentiert. Durch Ersetzen einiger FISP-Segmente durch
TrueFISP- und FLASH-Segmente werden B0 und B1+ abhängige Informationen hinzugefügt, wodurch die gleichzeitige Erzeugung von T1, T2, B0, B1+ sowie Suszeptibilitätskarten möglich
wird. Im fünften Kapitel wurde die in-vivo Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit von
FISP-MRF mit den in den vorhergehenden Kapiteln beschriebenen Verbesserungen durch Messungen
von zehn Probanden auf insgesamt zehn Scannern evaluiert. Die T1- und T2-Werte variierten
zwischen den Scannern in den Gehirnkompartimenten um weniger als 8,0%
