Hjärt magnetisk resonanstomografi på 7 Tesla
Summary
Känslighet vinsten inneboende ultrahög fält magnetisk resonans håller löfte för hög rumslig upplösning imaging av hjärtat. Här beskriver vi ett protokoll som anpassade för funktionella hjärt-magnetisk resonans (CMR) på 7 Tesla använder en avancerad Multi-Channel-radiofrekvens spole, magnetfält mellanlägg och en utlösande koncept.
Abstract
CMR på en extremt hög field (magnetisk fältstyrka B0 ≥ 7 Tesla) förmåner från signal-brus-förhållande (SNR) fördelen inneboende på högre magnetisk fältstyrka och potentiellt ger förbättrad signal kontrast och rumslig upplösning. Samtidigt lovande resultat har uppnåtts, är ultrahög fältet CMR utmanande på grund av energi nedfall begränsningar och fysikaliska fenomen såsom överföring fält icke-uniformities och magnetfält inhomogeneities. Dessutom återger magneto-hydrodynamiska effekten synkroniseringen av dataförvärvet med hjärt rörelse svårt. Utmaningar behandlas för närvarande av upptäcktsfärder till romanen magnetisk resonans teknik. Om alla hinder kan övervinnas, kan ultrahög fältet CMR generera nya möjligheter för funktionella CMR, hjärtinfarkt vävnad karakterisering, mikrostruktur imaging eller metabola imaging. Erkänner denna potential, vi visar att flerkanaligt radiofrekvens (RF) spole teknik anpassade för CMR på 7 Tesla tillsammans med högre ordning B0 mellanlägg och en backup signal för hjärt utlöser underlättar HiFi funktionella CMR. Med den föreslagna setup, kan hjärtats kammare kvantifiering åstadkommas i undersökning gånger liknar dem som uppnås vid lägre fältstyrkor. Att dela denna upplevelse och för att stödja spridningen av denna expertis, beskriver detta arbete våra setup och skräddarsydda för funktionella CMR på 7 Tesla-protokollet.
Introduction
Hjärt-magnetisk resonans (CMR) är beprövade kliniskt värde med ett växande utbud av kliniska indikationer1,2. Särskilt utvärderingen av hjärtats morfologi och funktion är av stor betydelse och vanligtvis realiserat by spårning och visualisera hjärtat rörelse i hela den hela hjärt cykeln med segmenterad andedräkt-held tvådimensionell (2D) cinematograpic ( CINE) avbildningstekniker. Medan en hög plats-temporal upplösning, höga blod-myokardiet kontrast och hög signal-brus-förhållande (SNR) krävs begränsas dataförvärvet starkt av hjärt- och andningsfunktionen rörelse och användning av flera andetag-håller liksom behovet för hela hjärtat eller vänster kammare leder täckning ofta till omfattande genomsökning. Parallel imaging, samtidiga flera segment imaging eller andra acceleration teknik bidra till att lösa rörelse relaterade begränsningar3,4,5,6.
Dessutom att dra nytta av den inneboende SNR vinna på högre magnetfält, kicken sätter system med B0 = 3 Tesla används alltmer i klinisk rutin7,8. Utvecklingen har också uppmuntrat utredningar ultrahög fältet (B0≥7 Tesla, f≥298 MHz) CMR9,10,11,12,13,14. Vinsten i SNR och blod-myokardiet kontrast inneboende högre fältstyrkan håller löftet att vara överförbar till förbättrade funktionella CMR med en rumslig upplösning som överskrider dagens gränser15,16, 17. I sin tur nya möjligheter för magnetresonans (MR) baserat hjärtinfarkt vävnad karakterisering, metabola imaging och mikrostruktur imaging är beräknade13. Hittills har har flera grupper visat genomförbarheten av CMR på 7 Tesla och specifikt skräddarsydda ultrahög fältet teknik har infört17,18,19,20, 21,22. När det gäller dessa lovande utveckling, potentialen för ultrahög fältet CMR kan anses vara ännu outnyttjad13. Vid samma tid, fysikaliska fenomen och praktiska hinder såsom magnetfält inhomogeneities, radiofrekvens (RF) excitation fältet icke-uniformities, off-resonans artefakter, dielektriska effekter, lokaliserade vävnad värme och fältstyrka oberoende RF kraftbegränsningar nedfall gör imaging på ultra high field utmanande10,17. Den senare är anställd att styra RF inducerad vävnad värme och för att säkerställa säker drift. Dessutom kan elektrokardiogram (EKG) baserat utlöser avsevärt påverkas av de magneto-hydrodynamiska (MHD) effekt19,23,24. För att lösa de utmaningar som induceras av kort våglängd i vävnad, var många element sändtagare RF spole matriser skräddarsydda för CMR på 7 Tesla föreslagna21,25,26,27. Parallella RF transmissionen ger medel för överföring fält forma, även känd som B1+ mellanlägg, som gör det möjligt för att minska magnetfält inhomogeneities och känslighet artefakter18,28. Medan i det nuvarande skedet, vissa av dessa åtgärder kan öka experimentella komplexiteten, begreppen har visat bra och kan översättas till de kliniska fältstyrkorna CMR 1,5 T eller 3 T.
För närvarande, är 2D balanserad steady-state gratis precession (bSSFP) CINE bildbehandling standarden för klinisk funktionell CMR på 1,5 T och 3 T1. Nyligen, sekvensen var framgångsrikt anställd på 7 Tesla, men ett stort antal utmaningar kvar19. Patientens specifika B1+ mellanlägg och extra RF spole justeringar tillämpades för att hantera RF kraftbegränsningar nedfall och noggrann B0 mellanlägg utfördes för att styra sekvensen typiska ränder artefakter. Med en genomsnittlig bildläsningstid av 93 minuter för vänster kammare (LV) funktion bedömning långvariga ansträngningar undersökning tider utöver kliniskt acceptabla gränser. Här, ger bortskämda gradient echo sekvenser ett lönsamt alternativ. Vid 7 Tesla rapporterades totalt undersökning gånger (29 ± 5) min LV funktion bedömning, vilket väl motsvarar kliniska imaging protokoll nedre fältet styrkor21. Därmed, baserat bortskämda gradient echo CMR fördelar från långvarig T1 avkoppling tider vid ultrahöga field som resulterar i en ökad blod-myokardiet kontrast överlägsen gradient echo imaging på 1,5 T. Detta gör subtila anatomiska strukturer såsom hjärtsäck, den mitral och tricuspid ventiler samt papillär musklerna väl identifierbara. Congruously, håller bortskämda gradient echo baserat hjärtats kammare kvantifieringsgränsen 7 Tesla noga med LV parametrar härrör från 2D bSSFP CINE imaging 1,5 T20. Frånsett detta demonstrerades nyligen korrekt höger kammare (RV) kammare kvantifiering genomförbart med en högupplöst bortskämda gradient echo sekvens 7 Tesla29.
Detta arbete erkänner de utmaningar och möjligheter av CMR på ultra high field, och presenterar en setup och protokoll anpassade för funktionella CMR förvärv på ett prövningsläkemedel 7 Tesla forskning skanner. Protokollet beskrivs den tekniska bakgrunden, visar hur hinder kan övervinnas, och ger praktiska överväganden som hjälper till att hålla extra experimentella overhead på ett minimum. Det föreslagna imaging protokollet utgör en fyrfaldig förbättring i den rumsliga upplösningen jämfört med dagens klinisk praxis. Det är tänkt att ge en riktlinje för kliniska adaptrar, läkare vetenskapsmän, translationell forskare, applikationsexperter, herr röntgensjuksköterskor, teknologer och nya aktörer i fältet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Funktionella CMR undersökningar kan genomföras framgångsrikt på 7 Tesla. Baserat på fältstyrkan driven SNR vinst, kunde CINE bilder av det mänskliga hjärtat förvärvas med betydligt högre rumslig upplösning jämfört med 1,5 eller 3 T. Medan en skiva tjocklek på 6 till 8 mm och i-plane voxel kanten 1,2 till 2,0 mm längd används ofta vid lägre kliniska fältet styrkor1,30, mätningarna vid 7 Tesla kunde genomföras med en slice tjocklek på 4 mm och…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner faciliteterna och vetenskaplig och teknisk hjälp av nationella Imaging anläggningen vid centrum för avancerade Imaging, University of Queensland. Vi vill också tacka Graham Galloway och Ian Brereton för deras hjälp att få ett CAESIE stipendium för 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 |
References
- 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).
