Time-efficient Sampling Strategies for Flexible Motion-resolved Magnetic Resonance Imaging

Magnetic resonance imaging (MRI) of anatomical regions undergoing motion is of great interest, as dynamic imaging can reveal functional information that goes beyond mere morphological imaging. However, MRI of moving structures is especially difficult, as it is a rather slow imaging modality and the sequential data acquisition in Fourier (or k-) space can lead to distinct artefacts. There are basically two classes of methods to solve this problem – real-time imaging, acquiring images over such a short period of time to make physiological motion negligible and gated imaging, acquiring and combining the data of cyclic motion over several consecutive cycles. A prerequisite for these techniques are efficient k-space trajectories, that cover large parts of k-space in a short period of time (real-time imaging) or inherently record a suitable motion surrogate (self-gating) or combine these two properties. Both types were investigated in this work. Real-time imaging was initially realised with Echo-Planar Imaging (EPI), one of the most efficient methods to cover k-space, and the decomposition of the image in a quasi-static and dynamic part. Further on, a radial trajectory with special angular increments (tiny golden angle) was used for real-time imaging in the small animal model. The tiny golden angle increments lead to an especially homogeneous k-space coverage for almost arbitrary time intervals, facilitating the reconstruction of images from undersampled datasets. The same radial trajectory was used for gated imaging of the lung due to its favourable properties. It could be shown that it is thus possible to obtain functional parameters of the lung with respect to respiration and the heartbeat. With a sophisticated dedicated gating strategy (non-uniform self-gating), highly non-uniform respiratory patterns could be resolved as well. The last part of the work is dedicated to the design of a three-dimensional trajectory that incorporates the theoretical prerequisites for efficient and flexible imaging. This trajectory can be used for further studies to translate the (two-dimensional) results of this work into three dimensions.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) sich bewegender Anatomie ist besonders interessant, da aus der dynamischen Bildgebung funktionelle Informationen gewonnen werden können, die über die bloße morphologische Bildgebung hinausgehen. Gleichzeitig ist die Bildgebung sich ändernder Strukturen jedoch schwierig, da die MRT eine eher langsame Bildgebungsmethode ist und das sequentielle Messen der Daten im Fourierraum (auch k-Raum) zu Artefakten fuhren kann. Prinzipiell gibt es zwei Ansätze, dieses Problem zu lösen – die Echtzeitbildgebung, die Bilder über einen so kurzen Zeitraum aufnimmt, dass physiologische Bewegung vernachlässigbar ist und die gegatete Bildgebung, bei der die (Bild-) Daten einer zyklischen Bewegung in mehreren aufeinanderfolgenden Zyklen gemessen und dann zusammengefugt werden. Eine Voraussetzung für diese Methoden sind effiziente k-Raum Trajektorien, die große Teile des k-Raums in einer kurzen Zeitspanne aufnehmen (Echtzeitbildgebung) oder intrinsisch ein Signal aufzeichnen, das die Bewegung repräsentiert („self-gating“) oder diese beiden Eigenschaften kombinieren. Beide Ansätze wurden in dieser Arbeit verfolgt; die Echtzeitbildgebung wurde zunächst mittels Echo-Planar Imaging, einer der effizientesten Varianten den Frequenzraum abzutasten in Kombination mit einer Zerlegung des Bilds in quasi-statischen und dynamischen Teil realisiert. Weiterhin wurde im Kleintier eine radiale Trajektorie genutzt, deren spezielles Winkelinkrement („tiny golden angle“) zu einer besonders gleichmäßigen Frequenzraumabdeckung für fast beliebige Zeitintervalle fuhrt und deshalb gutartige Eigenschaften bei Unterabtastung besitzt. Diese radiale Trajektorie wurde aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften auch für die gegatete Bildgebung der Lunge genutzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, funktionale Parameter der Lunge in Abhängigkeit von Atmung und Herzschlag zu ermitteln. Mit einer angepassten Gating-Strategie („non-uniform self-gating“) war es auch möglich, hochgradig ungleichförmige Atembewegung adäquat aufzulösen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die theoretischen Voraussetzungen für eine effiziente und flexible Bildgebung im Design einer dreidimensionalen Trajektorie berücksichtigt. Diese Trajektorie kann für weitere Untersuchungen genutzt werden, um die in dieser Arbeit im zweidimensionalen erzielten Ergebnisse ins Dreidimensionale zu übertragen.