Parallele Datenakquisition zur Beschleunigung Diffusionsgewichteter Kernspintomographie mit Stimulierten Echos
Parallel Data Acquisition for the Acceleration of Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging using Stimulated Echoes
by Matthias Küntzel
Date of Examination:2006-08-17
Date of issue:2007-04-18
Advisor:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:Prof. Dr. Jens Frahm
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Magnetic resonance imaging (MRI) experiments can be sensitised to the erratic thermal displacement of (water) molecules by the application of magnetic field gradients. The associated signal decay allows for the quantification of the Brownian motion in terms of diffusion coefficients. In linearly structured biological tissues such as brain white matter where cell boundaries of bundled nerve fibres restrict and hinder free propagation, a marked dependence of the results on the direction of the gradients can be observed, the highest diffusivity being measured parallel to the fibre orientation. On the comparatively course scale of the MRI resolution contrasted with the cellular level, some aspects of the molecular dynamics in simple anisotropic geometries have been successfully characterised by an average diffusion tensor whose main eigenvector then coincides with the material's principal direction. For the reliable determination of the model parameters, a considerable number of data sets has to be acquired. Since the computation relies on local signal comparison, this time-consuming experiment is prone to errors arising from subject movement in in-vivo studies.To date, the fastest MRI diffusion measurements are based on imaging sequences which are encumbered by distortion artefacts partly due to their reliance on gradient echos for signal generation. In contrast, the approach followed in this thesis builds on the sizeably slower single-shot stimulated echo acquisition mode (SSSTEAM) which however maps the anatomy truthfully. In order to better comply with the stringent time constraints, a data space reduction scheme, parallel imaging, has been adopted here. This method makes use of the data redundancy afforded by the simultaneous recording of the NMR (Nuclear Magnetic Resonance) signal with multiple receivers. For the application to SSSTEAM particular care has to be taken to redistribute the available magnetisation contributing to the signal over the data space via a defined modulation of the excitation strength in order to control the point spread function (PSF) of the acquisition and thus to honour the nominal resolution. The current work presents an exact approach to this problem which supports the shaping of arbitrary PSFs as well as a broader class of data space trajectories than a previously published approximate ansatz which it extends.In comparison with a reference sequence, diffusion-weighted measurements using SSSTEAM with the minimal parallel imaging reduction factor are here shown to yield data with uncompromised quality as measured by the signal-to-noise ratio (SNR), in spite of being faster by 45% than the non-accelerated experiment. Theoretical considerations even suggest the possibility of future SNR improvements at increased speed-ups.For the investigation of the image quality a computer program has been devised, in particular to test the measured data for their potential to help elucidate the gross fibre architecture of the human brain by means of main diffusion direction tractography. In addition to the published descriptions of anatomical white matter structures already traced with diffusion tensor MRI, the anatomical fidelity of SSSTEAM allows the reconstruction of fibres in regions poorly accessible to gradient echo sequences. For example the brain stem and even the optic nerve and its surrounding muscles can be depicted. Moreover, the presented tractography-based segmentation results suggest a revisal of the current view on the nature of the axon bundles populating the anterior internal capsule.
Keywords: magnetic resonance imaging; stimulated echo; diffusion tensor imaging; parallel imaging; fiber tractography
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Kernspintomographie-Experimente können durch den Einsatz von Magnetfeld-Gradienten für die thermische Translationsdynamik von (Wasser-) Molekülen sensibilisiert werden. Der dabei beobachtete Signalabfall ist die Datenbasis für eine Quantifizierung der Brownschen Bewegung mit Hilfe von Diffusionskoeffizienten. In linear strukturiertem biologischen Gewebe, wie es in der weißen Hirnsubstanz zu finden ist, wo die Zellwände von Nervenfaserbündeln die freie Ausbreitung be- und verhindern, ist eine Abhängigkeit der Ergebnisse von der Orientierung der Gradienten zu verzeichnen. Die höchste Diffusivität misst man dabei parallel zur Vorzugsrichtung. Auf der im Vergleich zu zellulären Maßstäben groben Skala, die durch die Auflösung der Kernspintomographie vorgegeben ist, lassen sich einige Aspekte der molekularen Dynamik in anisotropen Geometrien erfolgreich mit Hilfe eines mittleren Diffusionstensors charakterisieren, dessen erste Hauptachse mit der Faserrichtung übereinstimmt. Zur robusten Bestimmung der Modellparameter muß eine erhebliche Anzahl von Datensätzen aufgenommen werden. Die Tatsache, daß die Berechnung auf dem lokalen Vergleich von Signalintensitäten beruht, macht das zeitaufwendige Experiment anfällig für Bewegungsartefakte in in-vivo Untersuchungen.Zur Zeit beruhen die schnellsten Diffusionsmessungen mit Kernspintomographie auf Puls-Sequenzen, die unter Verzerrungsartefakten leiden, welche unter anderem auf den verwendeten Signalmechanismus, Gradienten-Echos, zurückzuführen sind. Im Gegensatz dazu basiert das in der vorliegenden Arbeit eingesetzte Verfahren auf einer langsameren Bildgebungsvariante mit stimulierten Echos, SSSTEAM (Single-Shot Stimulated Echo Acquisition Mode), das aber die Anatomie geometrisch wirklichkeitsgetreu wiedergibt. Um den zeitlichen Randbedingungen besser gerecht zu werden, wird hier eine Datenraum-Reduktionsstrategie, parallele Bildgebung, verfolgt. Diese Methode macht sich die Informationsredundanz in den simultan von mehreren Signalempfängern aufgenommenen Daten zunutze. Die Anwendung des Verfahrens auf SSSTEAM erfordert eine Neuverteilung der verfügbaren signalgenerierenden Magnetisierung auf den Datenraum über die Modulation der Anregungsstärke, um die Punkt-Transfer Funktion (PSF: Point Spread Function) der Aufnahme zu kontrollieren und damit die nominelle Auflösung zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird ein exakter Zugang zu diesem Problem vorgestellt, der einen zuvor publizierten genäherten Ansatz verallgemeinert, beliebige PSFs zuläßt und eine erweiterte Klasse von Datenraum-Abtastungsstrategien unterstützt.Es wird demonstriert, daß die Datenqualität gemessen am Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR: Signal-to-Noise Ratio) durch die Kombination von diffusionsgewichteten SSSTEAM-Messungen mit paralleler Bildgebung bei Wahl des minimalen Reduktionsfaktors im Vergleich zu einer Referenzsequenz nicht beeinträchtigt wird, obwohl sich die Meßzeit um 45% gegenüber dem nicht beschleunigten Experiment verringert. Theoretische Überlegungen lassen sogar einen zukünftigen SNR-Gewinn bei höheren Beschleunigungsfaktoren plausibel erscheinen.Zur Untersuchung der Bildqualität ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Computerprogramm entwickelt worden, inbesondere auch um die Meßdaten auf ihr Potential hin zu überprüfen, mittels Traktographie auf den berechneten Hauptdiffusionsrichtungen zur Aufklärung der Nervenarchitektur des menschlichen Gehirns beizutragen. Über die bisher publizierten, mit Diffusionstensor-Bildgebung isolierten Faserverbindungen hinaus, ermöglicht es die unverzerrte Wiedergabe der Anatomie durch SSTEAM, Rekonstruktionen der weißen Hirnsubstanz auch in Regionen vorzunehmen, die für Gradienten-Echo-Sequenzen schwer zugänglich sind, wie z.B. der Hirnstamm und die Region um den Nervus opticus, der zusammen mit den ihn umschließenden Augenmuskeln ebenfalls abgebildet werden kann. Darüberhinaus legen hier vorgestellte Resultate einer Traktographie-basierten Segmentierung der vorderen Capsula interna nahe, daß der in der Literatur beschriebene Verlauf der sie durchdringenden Bahnen möglicherweise einer Revision bedarf.
Schlagwörter: Kernspintomographie; stimuliertes Echo; Diffusionstensor-Bildgebung; parallele Bildgebung; Faserverfolgung