Ultraschnelle und robuste 4D-Magnetresonanztomographie für kardiovaskuläre Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Lotz; Professor Dr. Martin Uecker
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384478401

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde eine neue Messtechnik für die kardiale Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt, die weder Atemanhalten noch Synchronisierung mit einem Elektrokardiogramm erfordert. Diese Technik kombiniert eine schnelle 3D-Stack-of-Stars-Scantechnik, die während der freien Atmung kontinuierlich Daten erfasst, mit einem neuen Ansatz zur Sortierung der Daten in Herz- und Atemphasen, der robuster gegenüber aperiodischen Bewegungen ist als vorher verwendete Algorithmen. Nach Datenaufnahme werden zeitaufgelöste Bilder oder 3D-Volumina mit neuen iterativen Optimierungsalgorithmen rekonstruiert. Dabei werden Regulierungstechniken verwenden, die mehrdimensionale Korrelationen auszunutzen können. Dies verbessert die Qualität der rekonstruierten Bilder und ermöglicht die Rekonstruktion hochauflösender Volumina aus stark unterabgetasteten Daten, wodurch die Scanzeit auf nur wenige Minuten verkürzt werden konnte. Dazu wurden verschiedene Algorithmen und Regulierungstechniken entwickelt und analysiert. Alle im Rahmen dieses Projektes entwickelten Self-Gating- und Rekonstruktionsalgorithmen wurden der wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich gemacht, indem sie in unsere Open-Source-Toolbox BART integriert wurden, die bereits viele hochmoderne Algorithmen zur Bildrekonstruktion enthält. Die entwickelten Methoden zur Bildgebung des menschlichen Herzens bei freier Atmung wurden anhand von Daten gesunder Freiwilliger getestet. Dabei konnten zeitaufgelöste, hochauflösende Rekonstruktionen von 3D-Volumina des menschlichen Herzens in dreiminütigen Scans aufgenommen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Fast and Robust Multi-Dimensional Cardiac Magnetic Resonance Imaging, Doctoral thesis, University of Göttingen.
  Sebastian Rosenzweig
  
• Higher-Dimensional Extensions of Nonlinear Inverse Reconstruction for Magnetic Resonance Imaging, Doctoral Thesis. University of Göttingen
  H. Christian & M. Holme
  
• ENLIVE: A Non-Linear Calibrationless Method for Parallel Imaging using a Low-Rank Constraint, ISMRM 2017, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 25; 5160
  Holme H. C. M., Ong F., Rosenzweig S., Wilke R. N., Lustig M. & Uecker M.
  
• Banding-Free Reconstruction in Frequency-Modulated bSSFP using Virtual Coils with Regularized Non-Linear Inversion. ISMRM 2018, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 26; 2870
  Holme H. C. M., Scholand N., Rosenzweig S., Wilke R. N. & Uecker M.
  
• Extending the Simple Method for Adaptive Gradient-Delay Compensation in Radial MRI. In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 26; 4207 (2018b)
  Rosenzweig S., Holme H. C. M., Wilke R. N. & Uecker M.
  
• Self-Gated and Real-time Simultaneous Multi-Slice Cardiac MRI from the Same Acquisition. ISMRM 2018, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 26; 209
  Rosenzweig S., Holme H. C. M., Scholand N., Wilke R. N. & Uecker M.
  
• Simple auto‐calibrated gradient delay estimation from few spokes using Radial Intersections (RING). Magnetic Resonance in Medicine, 81(3), 1898-1906.
  Rosenzweig, Sebastian; Holme, H. Christian M. & Uecker, Martin
  
• ENLIVE: An Efficient Nonlinear Method for Calibrationless and Robust Parallel Imaging. Scientific Reports, 9(1).
  Holme H. Christian M.; Rosenzweig Sebastian; Ong Frank; Wilke Robin N.; Lustig Michael & Uecker Martin
  
• Non-linear Inverse Compressed-Sensing Reconstruction for Self-Gated Multidimensional Cardiac MRI: XD-NLINV. ISMRM 2019, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 27; 4753
  Holme H. C. M., Rosenzweig S., Wang X. & Uecker M.
  
• Plastic Bricks in MRI: An Efficient Way to Build Static and Dynamic Phantoms. ISMRM 2019, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 27; 1593 (2019)
  Scholand N., Rosenzweig S., Ertingshausen F. & Uecker M.
  
• Robust Cardiac and Respiratory Self- Gating Using an Adapted Singular Spectrum Analysis (SSA-FARI): Application to Simultaneous- Multi-Slice Imaging. ISMRM 2019, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 27; 2444 (2019a)
  Rosenzweig S., Scholand N., Holme H. C. M. & Uecker M.
  
• Simple Auto-Calibrated Gradient Delay Estimation From Few Spokes Using Radial Intersections (RING) for Interactive Real-time MRI. ISMRM 2019, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 27; 445.
  Rosenzweig, Sebastian; Holme, H. Christian M. & Uecker, Martin
  
• Cardiac and Respiratory Self-Gating in Radial MRI Using an Adapted Singular Spectrum Analysis (SSA-FARY). IEEE Transactions on Medical Imaging, 39(10), 3029-3041.
  Rosenzweig, Sebastian; Scholand, Nick; Holme, H. Christian M. & Uecker, Martin
  
• Novel insights on SSA-FARY: Amplitude-based respiratory binning in self-gated cardiac MRI. ISMRM 2021, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 29; 1956 (2021b)
  Rosenzweig S. & Uecker M.
  
• Ungated time-resolved cardiac MRI with temporal subspace constraint using SSA-FARY SE. ISMRM 2021, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 29; 0227 (2021a)
  Rosenzweig S. & Uecker M.
  
• Free-breathing, motion-resolved myocardial T1 mapping using inversion-recovery radial FLASH and model-based reconstruction. ISMRM 2021, In Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 29; 3598.
  Wang X., Rosenzweig S., Blumenthal M., Tan Z., Scholand N. & Uecker M.
  
• Free‐breathing myocardial T1 mapping using inversion‐recovery radial FLASH and motion‐resolved model‐based reconstruction. Magnetic Resonance in Medicine, 89(4), 1368-1384.
  Wang, Xiaoqing; Rosenzweig, Sebastian; Roeloffs, Volkert; Blumenthal, Moritz; Scholand, Nick; Tan, Zhengguo; Holme, H. Christian M.; Unterberg‐Buchwald, Christina; Hinkel, Rabea & Uecker, Martin
  
• Free-Breathing Liver Fat,R₂* andB₀ Field Mapping Using Multi-Echo Radial FLASH and Regularized Model-Based Reconstruction. IEEE Transactions on Medical Imaging, 42(5), 1374-1387.
  Tan, Zhengguo; Unterberg-Buchwald, Christina; Blumenthal, Moritz; Scholand, Nick; Schaten, Philip; Holme, Christian; Wang, Xiaoqing; Raddatz, Dirk & Uecker, Martin