Motion detection in MRI using wireless accelerometers and beat pilot tone

Abstract

Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein etabliertes medizinisches Bildgebungsverfahren, das nicht invasiv ist, einen hohen Weichteilkontrast aufweist und auf der Wechselwirkung von Kernspins mit externen Magnetfeldern beruht.MRT-Messungen im Brustbereich mit speziellen Brustspulen sind eine aktuell erforschte Anwendung dieser Technik, die die Mammographie bei der Diagnose von Brustkrebs ersetzen soll. Aufgrund der langen Scanzeiten werden MRT-Messungen im Allgemeinen und besonders bei der Anwendung im Brustbereich stark durch Bewegungsartefakte beeinträchtigt, die z. B. durch die Atembewegungen der Patienten entstehen können und die Bildqualität einschränken.In dieser Diplomarbeit werden Möglichkeiten untersucht, die Bewegung des Patienten bei Messungen mit einer tragbaren und flexiblen Brustspule zu erfassen,um diese Daten zur Bewegungskorrektur der resultierenden Bilder zu nutzen. Mit einem Setup des kürzlich entwickelten Beat-Pilot-Tone (BPT) Verfahrens, bei dem externe Hochfrequenz-Signale von den MR-Empfangsspulen aufgenommen werden und die Amplitudenmodulation mit der Patientenbewegung korreliert, konnten erfolgreich und zuverlässig zeitaufgelöste Bewegungssignale parallel zur MR-Messung erzeugt werden. Dieser Aufbau ist für den klinischen Einsatz attraktiv,da keine zusätzliche Hardware auf der Spule benötigt wird und die Daten direkt in den Rohdaten des MR-Scanners enthalten sind. Der GRICS-Algorithmus (Generalized reconstruction by inversion of coupled systems) wurde in Kombination mit den aufgezeichneten bewegungskorrelierten Zeitverläufen zur Bewegungskorrektur der Bilder verwendet, und es konnte gezeigt werden, dass eine wesentliche Verbesserung der Bewegungsartefakte erreicht werden konnte. Dies motiviert die weitere Untersuchung und den potenziellen klinischen Einsatz dieses Systems.

Magnetic resonance imaging (MRI) is an established medical imaging technique thatis non-invasive, has high soft tissue contrast and relies on the interaction of nuclearspins with external magnetic fields. Free breathing supine breast MRI is anapplication of that technique with specific chest coils, that is currently researched and set to substitute mammography for the diagnosis of breast cancer. Due to the longscan times, MRI in general and in specific chest imaging is heavily affected by motion artefacts that arise for example from breathing motion of the patient.This diploma thesis explores options to record the patient motion in measurements with a wearable and flexible chest coil, in order to use this data for motion correction of the resulting images. A setup of the recently proposed beat pilot-tone (BPT) technique, where external RF signals are picked up by the receiving MR coils and the amplitude modulation correlates with patient motion, was built and proved to producereliable time-resolved motion signals. This setup is attractive to use clinically, since no additional on-coil hardware is needed and the data is directly accessible within theMR scanner’s raw data. The GRICS (Generalized reconstruction by inversion of coupled systems) algorithm was used in combination with the recordedmotion-correlated time courses for motion correction of the images and it was shown that a substantial improvement of motion artefacts was achievable. This motivates the further investigation and potential clinical use of this setup.