Cardiale magnetische resonantie beeldvorming bij 7 Tesla
Summary
De gevoeligheid winst die inherent zijn aan met veld magnetische resonantie houdt belofte voor hoge ruimtelijke resolutie beeldvorming van het hart. Hier beschrijven we een protocol voor functionele cardiovasculaire magnetische resonantie (CMR) aangepast op 7 Tesla met behulp van een geavanceerde meerkanaals-radiofrequentie spoel magnetisch veld shimming en een activerende concept.
Abstract
CMR-stoffen in een ultra-hoge veld (magnetische veldsterkte B0 ≥ 7 Tesla) profiteert van de signaal-ruisverhouding (SNR)-voordeel inherent aan hogere magnetische Veldsterkten en potentieel biedt verbeterde signaal contrast en ruimtelijke resolutie. Terwijl de veelbelovende resultaten hebben bereikt, is ultra-hoge veld CMR uitdagend als gevolg van energie afzetting beperkingen en fysische verschijnselen zoals transmissie veld non-uniformities en magnetisch veld inhomogeneities. Daarnaast maakt het magnetisch-hydrodynamische effect de synchronisatie van de data-acquisitie met de cardiale beweging moeilijk. De uitdagingen zijn momenteel aangepakt door verkenningen in Roman magnetische resonantie technologie. Als alle belemmeringen kunnen worden overwonnen, kan ultra-hoge veld CMR genereren nieuwe mogelijkheden voor functionele CMR, myocardiale weefsel karakterisering, microstructuur imaging of metabole beeldvorming. Dit potentieel te herkennen, laten we zien dat meerkanaals radiofrequentie (RF) coil technologie op maat voor CMR op 7 Tesla samen met hogere orde B0 shimming en een back-up signaal gemaakt voor cardiale triggering HiFi vergemakkelijkt functionele CMR. Met de voorgestelde setup, kan cardiale kamer kwantificering worden bereikt in onderzoek tijden vergelijkbaar zijn met die lagere Veldsterkten verwezenlijkt. Om deze ervaringen te delen en ter ondersteuning van de verspreiding van deze expertise, beschrijft dit werk onze setup en protocol op maat gemaakt voor functionele CMR op 7 Tesla.
Introduction
Cardiovasculaire magnetische resonantie (CMR) is van bewezen klinische waarde met een groeiend aantal klinische aanwijzingen1,2. Met name de evaluatie van de cardiale morfologie en functie is van groot belang en meestal gerealiseerd door bijhouden en visualiseren van dat het hart beweging gedurende de gehele cyclus van de cardiale met behulp gesegmenteerd adem-gehouden tweedimensionale (2D) cinematograpic) CINE) beeldvormingstechnieken. Terwijl een hoge spatio-temporele resolutie, hoge bloed-myocard contrast en hoge signaal-ruisverhouding (SNR) nodig zijn, is de data-acquisitie sterk beperkt door de cardiale en respiratoire beweging en het gebruik van meerdere adem-wachtruimten, alsmede de noodzaak voor hele hart of links-ventriculaire leidt dekking vaak tot uitgebreide cyclustijden. Parallelle imaging, gelijktijdige multi segment imaging of andere versnelling technieken helpen bij de aanpak van de motie gerelateerde beperkingen3,,4,,5,6.
Bovendien, om te profiteren van de inherente SNR krijgen op hogere magneetvelden, hoge veld systemen met B0 = 3 Tesla steeds werkzaam zijn in de klinische routine7,8. De ontwikkeling heeft ook aangemoedigd onderzoeken van ultra-hoge veld (B0≥7 Tesla, f≥298 MHz) CMR9,10,11,12,13,14. De winst in die inherent zijn aan de hogere veldsterkte SNR en bloed-myocard contrast houdt de belofte te zijn overdraagbaar in verbeterde functionele CMR met behulp van een ruimtelijke resolutie die hoger is dan de hedendaagse grenzen15,16, 17. op zijn beurt, nieuwe mogelijkheden voor magnetische resonantie (MR) op basis van de karakterisering van het myocard weefsel, metabole beeldvorming en microstructuur imaging zijn verwachte13. Tot nu toe verschillende groepen hebben aangetoond dat de haalbaarheid van CMR op 7 Tesla en specifiek op maat gesneden ultra-hoge veld technologie is ingevoerd17,18,19,20, 21,22. Met betrekking tot deze veelbelovende ontwikkelingen, de mogelijkheden van ultra-hoge veld die CMR kan worden beschouwd als nog onaangesproken13. Op hetzelfde moment, fysische verschijnselen en praktische belemmeringen zoals magnetisch veld inhomogeneities, radiofrequentie (RF) excitatie veld niet-uniformities, uit-resonantie artefacten, diëlectrische effecten, gelokaliseerde weefsel verwarming en veldsterkte onafhankelijke RF power afzetting beperkingen maken beeldvorming op ultra-hoge veld uitdagend10,17. De laatste zijn tewerkgesteld RF geïnduceerde weefsel verwarming en te veilige exploitatie waarborgen. Bovendien kan elektrocardiogram (ECG) gebaseerd triggering worden significant beïnvloed door de magnetisch-hydrodynamische23,(MHD) invloed19,–24. Om de uitdagingen geïnduceerd door de korte golflengte in weefsel, werden veel elementen transceiver RF spoel arrays op maat gemaakt voor CMR op 7 Tesla voorgestelde21,25,26,27. Parallelle RF overdracht zorgt voor transmissie veld vormgeven, ook bekend als B1+ shimming, waarmee de magnetisch veld inhomogeneities en18,28van de artefacten van de gevoeligheid te verminderen. Terwijl in het huidige stadium, sommige van deze maatregelen kan de experimentele complexiteit toenemen, de begrippen nuttig zijn gebleken en kunnen worden vertaald naar de klinische veldsterktes van CMR 1.5 T of 3 T.
Op dit moment is 2D evenwichtige steady-state gratis precessie (bSSFP) CINE beeldvorming de standaard referentiepunt voor klinische functionele CMR op 1,5 T en 3 T-1. Onlangs, de volgorde werd met succes werkzaam bij 7 Tesla, maar een groot aantal uitdagingen blijven19. Patiënt specifieke B1+ shimming en extra RF spoel aanpassingen werden toegepast voor het beheren van RF power afzetting beperkingen en zorgvuldige B0 shimming werd uitgevoerd om te bepalen van de volgorde die typische “banding” artefacten. Met een gemiddelde scan tijd van 93 minuten voor links-ventriculaire (LV) functie beoordeling verlengd de inspanningen het onderzoek keer klinisch aanvaardbare grenzen. Hier, voorzien verwende gradient echo reeksen een levensvatbaar alternatief. Bij 7 Tesla, werden totale onderzoek times of (29 ± 5) min voor LV functie beoordeling gemeld, hetgeen overeenkomt met goed klinische beeldvorming protocollen op lagere veld sterke21. Daarmee verwende gradient echo gebaseerd CMR voordelen uit de langdurige T1 ontspanning times op ultra-hoge veld die in een verbeterde bloed-myocard contrast superieur aan gradient echo beeldvorming op 1,5 T. resulteren Dit maakt subtiele anatomische structuren zoals het hartzakje, de mitralisklep en tricuspidalis kleppen evenals de papillaire spieren goed herkenbaar. Congruously, ermee verwende gradient echo gebaseerd cardiale kamer kwantificering op 7 Tesla nauw LV parameters afgeleid van 2D bSSFP CINE beeldvorming op 1,5 T20. Afgezien van dat, werd nauwkeurige rechts-ventriculaire (RV) kamer kwantificering onlangs aangetoond gradient echo opeenvolgende 7 Tesla29haalbaar met behulp van een hoge resolutie verwend.
Dit werk herkennen de uitdagingen en kansen van de CMR bij ultra-hoge veld, en presenteert een setup en protocol aangepast voor functionele CMR acquisities op een geneesmiddelen 7 Tesla onderzoek scanner. Het protocol beschrijft de technische onderbouwing, toont hoe de belemmeringen kunnen worden overwonnen, en levert praktische overwegingen die helpen om de extra experimentele overhead tot een minimum. De voorgestelde imaging protocol vormt een viervoudige verbetering in de ruimtelijke resolutie versus hedendaagse klinische praktijk. Het is bedoeld om te voorzien in een richtsnoer klinische adapters arts, translationeel onderzoekers, deskundigen van de toepassing, MIJNHEER radiographers, technologen en wetenschappers nieuwkomers in het veld.
Protocol
Representative Results
Discussion
Functionele CMR-examens kunnen plaatsvinden met succes op 7 Tesla. Op basis van de veldsterkte SNR winst gedreven, kon CINE beelden van het menselijk hart worden verkregen met een aanzienlijk hogere ruimtelijke resolutie in vergelijking met 1,5 of 3 T. Terwijl de dikte van een segment van 6 tot 8 mm en in-plane voxel rand lengtes van 1.2 tot 2.0 mm vaak bij lagere klinische veld sterke1,30, de metingen op 7 Tesla gebruikt worden kan worden uitgevoerd met een segm…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de faciliteiten, en de wetenschappelijke en technische bijstand voor de nationale Imaging faciliteit in het centrum voor Advanced Imaging, Universiteit van Queensland. Wij zouden ook willen bedanken Graham Galloway en Ian Brereton voor hun hulp bij het verkrijgen van een CAESIE-subsidie voor Thoralf Niendorf.
Materials
| 7 Tesla MRI system | Siemens | Investigational Device | |
| 32-Channel -1H-Cardiac Coil | MRI.Tools GmbH | Transmit/Receive RF Coil for MR Imaging and Spectroscopy at 7.0 Tesla | |
| ECG Trigger Device | Siemens | ||
| Pulse Trigger Device | Siemens |
Referências
- Kramer, C. M., et al. Standardized cardiovascular magnetic resonance (CMR) protocols 2013 update. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 15 (1), 1 (2013).
- Earls, J. P., Ho, V. B., Foo, T. K., Castillo, E., Flamm, S. D. Cardiac MRI: Recent progress and continued challenges. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 16 (2), 111-127 (2002).
- Wintersperger, B. J., et al. Cardiac CINE MR imaging with a 32-channel cardiac coil and parallel imaging: Impact of acceleration factors on image quality and volumetric accuracy. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (2), 222-227 (2006).
- Schmitt, M., et al. A 128-channel receive-only cardiac coil for highly accelerated cardiac MRI at 3 Tesla. Magnetic Resonance in Medicine. 59 (6), 1431-1439 (2008).
- Wech, T., et al. High-resolution functional cardiac MR imaging using density-weighted real-time acquisition and a combination of compressed sensing and parallel imaging for image reconstruction. RöFo: Fortschritte Auf Dem Gebiete Der Röntgenstrahlen Und Der Nuklearmedizin. 182 (8), 676-681 (2010).
- Stäb, D., et al. CAIPIRINHA accelerated SSFP imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (1), 157-164 (2011).
- Gutberlet, M., et al. Influence of high magnetic field strengths and parallel acquisition strategies on image quality in cardiac 2D CINE magnetic resonance imaging: comparison of 1.5 T vs. 3.0 T. European Radiology. 15 (8), 1586-1597 (2005).
- Gutberlet, M., et al. Comprehensive cardiac magnetic resonance imaging at 3.0 Tesla: feasibility and implications for clinical applications. Investigative radiology. 41 (2), 154-167 (2006).
- Kraff, O., Fischer, A., Nagel, A. M., Mönninghoff, C., Ladd, M. E. MRI at 7 tesla and above: Demonstrated and potential capabilities: Capabilities of MRI at 7T and Above. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 41 (1), 13-33 (2015).
- Moser, E., Stahlberg, F., Ladd, M. E., Trattnig, S. 7-T MR-from research to clinical applications?. NMR in Biomedicine. 25 (5), 695-716 (2012).
- Hecht, E. M., Lee, R. F., Taouli, B., Sodickson, D. K. Perspectives on Body MR Imaging at Ultrahigh Field. Magnetic Resonance Imaging Clinics of North America. 15 (3), 449-465 (2007).
- Niendorf, T., et al. W(h)ither human cardiac and body magnetic resonance at ultrahigh fields? technical advances, practical considerations, applications, and clinical opportunities: Advances in ultrahigh field Cardiac and Body Magnetic Resonance. NMR in Biomedicine. 29 (9), 1173-1179 (2016).
- Niendorf, T., Sodickson, D. K., Krombach, G. A., Schulz-Menger, J. Toward cardiovascular MRI at 7 T: clinical needs, technical solutions and research promises. European Radiology. 20 (12), 2806-2816 (2010).
- Niendorf, T., et al. Progress and promises of human cardiac magnetic resonance at ultrahigh fields: A physics perspective. Journal of Magnetic Resonance. 229, 208-222 (2013).
- Hinton, D. P., Wald, L. L., Pitts, J., Schmitt, F. Comparison of Cardiac MRI on 1.5 and 3.0 Tesla Clinical Whole Body Systems. Investigative Radiology. 38 (7), 436-442 (2003).
- Ohliger, M. A., Grant, A. K., Sodickson, D. K. Ultimate intrinsic signal-to-noise ratio for parallel MRI: Electromagnetic field considerations. Magnetic resonance in medicine. 50 (5), 1018-1030 (2003).
- Vaughan, J. T., et al. Whole-body imaging at 7T: Preliminary results. Magnetic Resonance in Medicine. 61 (1), 244-248 (2009).
- Hezel, F., Thalhammer, C., Waiczies, S., Schulz-Menger, J., Niendorf, T. High Spatial Resolution and Temporally Resolved T2* Mapping of Normal Human Myocardium at 7.0 Tesla: An Ultrahigh Field Magnetic Resonance Feasibility Study. PLOS ONE. 7 (12), e52324 (2012).
- Suttie, J. J., et al. 7 Tesla (T) human cardiovascular magnetic resonance imaging using FLASH and SSFP to assess cardiac function: validation against 1.5 T and 3 T. NMR in biomedicine. 25 (1), 27-34 (2012).
- von Knobelsdorff-Brenkenhoff, F., et al. Cardiac chamber quantification using magnetic resonance imaging at 7 Tesla-a pilot study. European Radiology. 20 (12), 2844-2852 (2010).
- Winter, L., et al. Comparison of three multichannel transmit/receive radiofrequency coil configurations for anatomic and functional cardiac MRI at 7.0T: implications for clinical imaging. European Radiology. 22 (10), 2211-2220 (2012).
- Schmitter, S., et al. Cardiac imaging at 7 tesla: Single- and two-spoke radiofrequency pulse design with 16-channel parallel excitation: Cardiac Imaging at 7T. Magnetic Resonance in Medicine. 70 (5), 1210-1219 (2013).
- Krug, J., Rose, G., Stucht, D., Clifford, G., Oster, J. Limitations of VCG based gating methods in ultra high field cardiac MRI. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 15 (Suppl 1), W19 (2013).
- Stäb, D., Roessler, J., O’Brien, K., Hamilton-Craig, C., Barth, M. ECG Triggering in Ultra-High Field Cardiovascular MRI. Tomography. 2 (3), 167-174 (2016).
- Gräßl, A., et al. Design, evaluation and application of an eight channel transmit/receive coil array for cardiac MRI at 7.0T. European Journal of Radiology. 82 (5), 752-759 (2013).
- Graessl, A., et al. Modular 32-channel transceiver coil array for cardiac MRI at 7.0T. Magnetic Resonance in Medicine. 72 (1), 276-290 (2014).
- Snyder, C. J., et al. Initial results of cardiac imaging at 7 tesla. Magnetic Resonance in Medicine. 61 (3), 517-524 (2009).
- Meloni, A., et al. Detailing magnetic field strength dependence and segmental artifact distribution of myocardial effective transverse relaxation rate at 1.5, 3.0, and 7.0 T: Magnetic Field Dependence of Myocardial R 2 *. Magnetic Resonance in Medicine. 71 (6), 2224-2230 (2014).
- von Knobelsdorff-Brenkenhoff, F., et al. Assessment of the right ventricle with cardiovascular magnetic resonance at 7 Tesla. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 15, 23 (2013).
- Petersen, S. E., et al. Reference ranges for cardiac structure and function using cardiovascular magnetic resonance (CMR) in Caucasians from the UK Biobank population cohort. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 19 (1), (2017).
- Frauenrath, T., et al. Feasibility of cardiac gating free of interference with electro-magnetic fields at 1.5 Tesla, 3.0 Tesla and 7.0 Tesla using an MR-stethoscope. Investigative radiology. 44 (9), 539-547 (2009).
- Frauenrath, T., et al. Acoustic cardiac triggering: a practical solution for synchronization and gating of cardiovascular magnetic resonance at 7 Tesla. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 12 (1), 67 (2010).
- Schroeder, L., et al. A Novel Method for Contact-Free Cardiac Synchronization Using the Pilot Tone Navigator. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. 24, 3103 (2016).
