Magnetic resonance fingerprinting for quantitative imaging of the breast

  • Magnetresonanzfingerprinting für die quantitative Brustbildgebung

Nolte, Teresa; Schulz, Volkmar (Thesis advisor); Shah, Nadim Joni (Thesis advisor); Kuhl, Christiane (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Magnetresonanz-Fingerprinting (MRF) ist ein quantitatives Verfahren in der Magnetresonztomografie (MRT), welches das schnelle und multi-parameterische Mapping von Gewebeparametern wie beispielsweise den Relaxationszeiten T1 und T2 ermöglicht. Für MRF wird eine Bildserie aufgenommen, über welche ein oder mehrere Sequenzparameter variiert werden. Verschiedene Gewebe entwickeln in Antwort darauf charakteristische Signalverläufe. Für jeden Bildvoxel vergleicht eine modellbasierte Rekonstruktion den gemessenen Signalverlauf mit einem sogenannten ‘Dictionary’, welches eine Vielzahl von simulierten Signalverläufen enthält, worüber die am besten passenden Gewebeparameter identifiziert werden. Für gewöhnlich wird zum Akquirieren des MRT-Signals nach jeder Anregung eine schnelle Auslesetechnik wie zum Beispiel die Spiralauslese verwendet, um eine hohe zeitliche Auflösung zu ermöglichen. Die damit assoziierten Unterabtastungsartefakte stören den Rekonstruktionsprozess nicht, vorausgesetzt sie sind räumlich und zeitlich inkohärent. In der Brustanatomie sind allerdings sowohl wässriges Drüsengewebe als auch Fettgewebe vorhanden. Dies führt zum Auftreten von starken Offresonanz-Artefakten, die sich bei Verwendung von Spiralauslese im Bild als Kantenunschärfe (‘Blurring’)äußern. Ziel dieser Doktorarbeit war es, MRF mit Spiralauslese für die Brust-MRT bei 1.5 T anwendbar zu machen. Die bei der Spiralauslese entstehenden Offresonanz-Blurring-Artefakte, verursacht entweder durch die chemische Verschiebung von Fett gegenüber wässrigem Signal oder durch Hintergrund-Feldinhomogenität, wurden zunächst mittels Simulationen untersucht. Die Simulationen zeigten einen negativen Einfluss von verschwommenem Fettsignal auf Messungen der Relaxationszeiten in kleinen Strukturen auf, welche sich in der Nähe von Fettgrenzen befanden. Blurring durch Hintergrund-Feldinhomogenität verschlechterte die Qualität der Parameterkarten an Gewebegrenzen zusätzlich, was die Notwendigkeit einer Blurring-Korrektur für beide Effekte verdeutlichte. Eine Gradientenecho-MRF-Sequenz mit Gradientenspoiling zur Aufnahme einer Einzelschicht wurde daraufhin um eine Wasser-Fett Trennung nach dem 3-Punkt Dixon Verfahren erweitert. Dies ermöglichte die Anwendung einer Conjugate Phase Rekonstruktion auf den Wasser-Fett separierten MRF-Signalen und somit eine Korrektur des Blurrings. Die MRF-Dixon Datenakquisition und das zugehörige Postprocessing wurden in einem Phantomexperiment und in einer in vivo Machbarkeitsstudie an sechs gesunden Probandinnen validiert. Im Phantom verringerte die Blurring-Korrektur die Variabilität der Relaxationszeiten in homogenen Bereichen. In vivo führte sie zu verbesserten Parameterkarten mit schärfer dargestellten Merkmalen. Zusätzlich wurde die MRF-Dixon Sequenz auf eine mögliche Nutzung zur Wasser-Fett Quantifizierung hin überprüft. Nachdem die Korrektur der Offresonanz-Blurring-Artefakte etabliert war, wurden B1+ Inhomogenität innerhalb der Schicht, das nicht-rechteckige Schichtprofil und Diffusion als potenzielle Störfaktoren für MRF in der Brust untersucht und ihr Einfluss auf die rekonstruierten T1 und T2 Zeiten quantifiziert. Während B1+ Inhomogenität innerhalb der Schicht und das nicht-rechteckige Schichtprofil wichtige Quellen von Abweichungen in den Brust-MRF-Messungen darstellten, beeinflusste Diffusion bei der gewählten MRF-Sequenz, Spoilergradientenstärke und Auflösung des Dictionarys die gemessenen Relaxationszeiten nicht. Zusätzlich wurde der Einfluss von elektronischem Rauschen und Unterabtastungsartefakten durch Spiralauslese untersucht. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit MRF mit einer Offresonanzkorrektur in der weiblichen Brust und diskutiert Störfaktoren, welche die modellbasierte Rekonstruktion beeinflussen können.

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