Quantitative Kartierung der T2*-Relaxation und Feldinhomogenität durch Multi-Echo radiale FLASH-Magnetresonanztomographie und modellbasierte iterative Rekonstruktion
Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde eine neue Technik für die Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt, mit der quantitative Informationen über Fett und R2* (Eisengehalt) im menschlichen Körper gewonnen werden können. Diese Technik kombiniert eine neue schnelle radiale Aufnahmetechnik, die kontinuierlich Daten während der freien Atmung erfasst, mit neuen Algorithmen für die Bildrekonstruktion. Die Daten werden zunächst mit Hilfe einer zuvor entwickelten Self-Gating-Methode nach Atemphase sortiert. Die Rekonstruktion der zeitaufgelösten Karten von Wasser, Fett und der R2*-Relaxation erfolgt dann direkt aus den aufgenommenen Daten ohne zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, indem die Rekonstruktion als hochdimensionales nichtlineares inverses Problem formuliert wird. Dies hat zwei Vorteile: Erstens können durch die Modellierung der Physik des Messvorgangs mehrere Echos verwendet werden, was die Effizienz der Aufnahme verbessert. Zweitens ermöglicht der mathematische Rahmen die Integration von Vorkenntnissen in die Rekonstruktion durch die Wahl von Regularisierungstermen, so dass weniger Daten benötigt werden, was die Aufnahmezeit weiter reduziert. Verschiedene physikalische Modelle wurden in die Open-Source-Toolbox BART implementiert. Anschließend wurden Wasser-, Fett- und Eisenphantome gebaut und die Techniken anhand von Referenzmessungen validiert. Außerdem testeten wir die Methode mit In-vivo-Daten für mehrere Anwendungen, wobei wir die Eisenquantifizierung des menschlichen Herzens, die Quantifizierung von Leberfett und die Bildgebung der Gehirnfunktion untersuchten. Wir fanden heraus, dass eine gute Initialisierung des numerischen Algorithmus und eine nichtlineare Optimierung der magnetischen B0-Feldkarte erforderlich ist, um genaue Fettanteil- und R2∗-Karten zu erhalten. Dennoch stellen Inhomogenitäten des B0-Feldes bei einigen Anwendungen (z. B. bei der Herzbildgebung) immer noch eine Herausforderung dar, ein Problem, das in diesem Projekt nicht vollständig gelöst werden konnte. Anschließend konzentrierten wir uns auf die Bildgebung der Leber bei freier Atmung und untersuchten den Einsatz verschiedener Regularisierungstechniken zur Verbesserung der Bildqualität sowie zur Verringerung der Scanzeit. Dabei stellten wir fest, dass die Verwendung fortschrittlicher spatio-temporaler Regularisierungsbedingungen die Bildqualität verbessern kann. Schließlich konnten wir in einer kleinen Studie an Probanden mit Verdacht auf eine nichtalkoholische Fettlebererkrankung zeigen, dass diese neue Methode der Bildgebung bei freier Atmung mit fortschrittlicher Rekonstruktionstechniken für die Quantifizierung von Leberfett robuster ist als die Standard-Scans mit angehaltenem Atem.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Free- Breathing Liver Fat and R2* Mapping: Multi-Echo Radial FLASH and Model-based Reconstruction (MERLOT). Proceedings of International Society for Magnetic Resonance in Medicine 2021; 30:0753.
Tan Z., Rosenzweig S., Wang X., Scholand N., Holme H.C.M., Blumenthal M. & Uecker M.
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Physics-based reconstruction methods for magnetic resonance imaging. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 379, 20200196.
Wang, Xiaoqing; Tan, Zhengguo; Scholand, Nick; Roeloffs, Volkert & Uecker, Martin
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Radial Echo-Planar Imaging with Subspace Reconstruction for Brain MRI. ISMRM 31st Annual Meeting. ISMRM.
Tan, Zhengguo & Uecker, Martin
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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
