Verbesserte schnelle 1H-spektroskopische Bildgebungstechniken unter Verwendung von SSFP-Pulssequenzen (Steady-State-Free-Procession)
Final Report Abstract
Im Projekt wurden verschiedene Varianten für Messsequenzen zur schnellen NMR- spektroskopischen Bildgebung (spectroscopic imaging, SI) entwickelt, die auf dem Prinzip der Messung im Fließgleichgewicht („steady state free precession“, SSFP) beruhen. Die experimentellen Arbeiten wurden vor allem an einem 7-Tesla-Tierscanner (Bruker) sowie einem 3-Tesla-Human-Kopfscanner (Siemens) durchgeführt. Die Hauptziele des Projekts bestanden darin, das für die quantitative Auswertung entscheidende Signal-zu-Rausch-Verhältnis pro Einheitsmesszeit (SRVt) zu maximieren, die Mindestmesszeit weiter zu reduzieren und die Fehleranfälligkeit und den Justageaufwand zu minimieren, um die Anwendbarkeit schneller SSFP-basierter SI-Sequenzen zu erweitern und deren Integration in bestehende Messprotokolle zu vereinfachen. Zur Optimierung SSFP-basierter schneller SI-Sequenzen wurden Simulationsprogramme entwickelt, mit deren Hilfe die Signalentwicklung und das Signal im Fließgleichgewicht berechnet und nachfolgend die Sequenzparameter (Wiederholzeit, Kippwinkel und Phasen der Hochfrequenzpulse) optimiert werden können. Dabei wurde das Programm „Spinevolution“ (Veshtort et al., 2006) eingesetzt, das die Sequenzsimulation für Metabolite mit schwach oder stark J-gekoppelten Spinsystemen ermöglicht und auch für große Spinsysteme und komplexe Pulssequenzen akzeptable Rechenzeiten aufweist. Die Arbeiten zur Pulssequenz „spectroscopic FAST“ (spFAST), bei der das FID-artige Signal S1 detektiert wird und sehr hohe SRVt–Werte erzielt werden, wurden am 7-Tesla- Tierscanner durchgeführt. Durch die Kombination verschiedener Sequenzmodule (SAR- optimierte doppeltresonante HF-Pulse zur simultanen Wasser- und Lipidunterdrückung, räumlich selektiver Sättigungsschichten zur Lipidunterdrückung, optimierte räumlich und spektral selektive Pulsgruppen zur Signalanregung und -refokussierung) gelang es erstmals, diese Sequenz auch in vivo am gesunden Rattengehirn einzusetzen. Mehrere Teilprojekte zielten darauf ab, ein Hauptproblem SSFP-basierter SI-Sequenzen zu reduzieren: die inhärent hohen SAR-Werte (spezifische Absorptionsrate SAR), die wegen der resultierenden Gewebeerwärmung die in-vivo-Anwendbarkeit dieser Pulssequenzen einschränken können, insbesondere bei höheren Magnetfeldstärken. Daher wurden SAR-optimierte VERSE-artige Sättigungspulse (mit modulierten Schichtselektionsgradienten) entwickelt, die eine Halbierung der SAR-Werte bei vergleichbarem Schichtprofil ermöglichen. Weiterhin wurde am Beispiel der spFAST-Sequenz gezeigt, dass eine deutlich SAR-Reduzierung (um bis zu 70%) möglich ist, wenn statt konstanter Kippwinkel Folgen von Pulsen mit modulierten Kippwinkeln eingesetzt werden, wodurch zudem die Punktverbreiterungsfunktion optimiert werden kann und das SRVt nur geringfügig abgesenkt wird. Die Notwendigkeit, die Mindestmesszeit SSFP-basierter SI-Sequenzen weiter zu reduzieren, stellte sich besonders dringlich bei Human-Messungen mittels der spMP- SSFP-Sequenz am 3T-Kopfscanner dar. Daher wurde, abweichend von der ursprünglichen Planung, eine Sequenz zur Kombination von spMP-SSFP und Echo- Planar-spektroskopischer Bildgebung (EPSI) entwickelt, die alle Vorteile der spMP- SSFP-Sequenz erhält, aber die Mindestmesszeit um den Faktor 16 reduziert. Dadurch wurden Messungen mit größerer Datenmatrix möglich sowie der Einsatz k-Raumgewichteter Abtastschemata, die eine verbesserte Punktverbreiterungsfunktion und ein hohes SRVt gestatten. Durch die genannten methodischen Verbesserungen konnten die Anwendungsmöglichkeiten SSFP-basierter schneller SI-Sequenzen erweitert werden, so dass in Zukunft auch Implementierungen an anderen MR-Systemen, speziell auch bei höheren Magnetfeldstärken möglich sein werden. Aktuelle Arbeiten im Anschluss an das DFG-geförderte Projekt konzentrieren sich auch auf Messungen an X-Kernen (19F, 13C), für die SSFP-basierte SI-Sequenzen von besonderem Interesse sein werden.
Publications
- ,,Applying optimized variable-rate excitation for outer volume suppression in fast 3D proton spectroscopic imaging of the human brain at 3 Tesla", Proc. 16th Ann. Sci. Meet. ISMRM, Toronto, 2008, p.1614
D. Ebel, C. Schuster, W. Dreher, D. Leibfritz
- ,,Fast thre-dimensional 1H MR spectroscopic imaging at 7 Tesla using 'spectroscopic missing pulse SSFP'", Magn. Reson. Med. 60, 1243-1249(2008)
C. Schuster, W. Dreher, J. Stadler, J. Bernarding, D. Leibfritz
- ,,SSFP and RARE based fast spectroscopic imaging at high magnetic fields", 7th bi-annual Minnesota workshop on high field MR imaging and spectroscopy, Minneapolis, Oct 9-11, 2009
W. Dreher
- ,,Fast 3D Proton Spectroscopic Imaging of the Human Brain at 3 Tesla by Combining Spectroscopic Missing Pulse SSFP and Echo Planar Spectroscopic Imaging", Joint Ann. Meet. ISMRM and ESMRMB, Stockholm, 2010, p.27
W. Dreher, P. Erhard, D. Leibfritz
- ,,SAR-reduced spectroscopic FAST imaging with variable flip angles", Joint Ann. Meet. ISMRM and ESMRMB, Stockholm, 2010, p.973
L. Becker, W. Dreher, D. Leibfritz
- ,,SSFP and RARE Based fast Spectroscopic Imaging at High Magnetic Fields", Vortrag beim German-Chinese Workshop on High-Field MRI, Magdeburg, 26.04.-27.04.2010
W. Dreher
