Title: Improved Methods for Ultra-High Field Magnetic Susceptibility Imaging
Language: English
Authors: Eckstein, Korbinian 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Badurek, Gerald 
Assisting Advisor: Poljanc, Karin 
Issue Date: 2021
Citation: 
Eckstein, K. (2021). Improved Methods for Ultra-High Field Magnetic Susceptibility Imaging [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.43447
Number of Pages: 171
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Das Magnetresonanzsignal ist eine komplexe Größe und kann in Magnitude und Phase zerlegt werden. Die Magnitude findet in den meisten Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT) Anwendung und spiegelt Gewebeparameter wie die Protonendichte und die charakteristischen Relaxationszeiten T1,T2 and T2 wider. Die Phase wird in der konventionellen Bildgebung nicht verwendet, enthält jedoch nützliche Informationen: Bei Gradientenechosequenzen ist sie proportional zum lokalen Magnetfeld, welches durch unterschiedliche magnetische Suszeptibilitäten im Gewebe erzeugt wird. Das lokale Magnetfeld spiegelt Kalzium und Eisen im Gewebe wider und unterstützt die Untersuchung des Gefäßsystems und die Erkennung von Suszeptibilitätsveränderungen, welche mit neurodegenerativen Prozessen wie der Demyelinisierung und Eisenakkumulation bei Multipler Sklerose einhergehen. Eine Erhöhung der Feldstärke führt im Allgemeinen zu einer höheren Auflösung und einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis. Phasenbasierte Methoden profitieren zusätzlich von ultrahohen Feldern (7T und höher), da die Größe der Phaseneffekte proportional zum Feld ist. Die Bildgebung bei ultrahohen Feldern ist jedoch aufgrund von Phasenartefakten und Signalausfällen, die sich aus schnelleren Phasenänderungen und Bildinhomogenitäten aufgrund der kürzeren Wellenlänge des Magnetresonanzsignals ergeben, mit einigen Herausforderungen verbunden. METHODEN: Drei Problematiken der Ultrahochfeld-Phasenbildgebung wurden in dieser Doktorarbeit behandelt: I) Die Kombination von komplexwertigen Signalen aus einem Array von Hochfrequenz-Empfangsspulen unter besonderer Berücksichtigung des Phasenanteils des komplexen Signals. II) Die korrekte Identifizierung von Phasenmehrdeutigkeiten auch Wraps genannt, insbesondere im Zusammenhang mit Multi-Echo oder Multi-Timepoint-Daten aus hochauflösenden dreidimensionalen Datensätzen. III) Die Eliminierung von Artefakten, die durch hohe Feldstärken in klinisch verwendeten suszeptibilitätsgewichteten Bildgebungssequenzen(SWI) entstehen. ERGEBISSE: I) Die entwickelten Spulenkombinationsmethoden waren nicht von den üblicherweise auftretenden Hochfeld-Phasenartefakten betroffen, was anhand von Datensätzen aus Gehirnaufnahmen und von Datensätzen aus problematischeren Körperregionen, wie z. B. dem Knie, bestätigt wurde. II) Es wurde eine neue Phasen-”Unwrapping”-Methode entwickelt, die bei drei Feldstärken (3T, 7T,9; 4T) eine höhere Genauigkeit, zeitliche Stabilität und eine geringere Laufzeit im Vergleich zu den standardmäßig verwendeten Methoden erreichte. III) Es wurde ein überarbeitetes Schema zu Aufnahme und Verarbeitung für SWI entwickelt, das die schwerwiegenden Artefakte, die bei SWI durch ein inhomogenes statisches Magnetfeld B0 und die Spulenempfindlichkeiten B1 entstehen, vollständig vermeidet. Darüber hinaus konnten Signalausfälle reduziert, das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht und die Sichtbarkeit kleiner Strukturen wie Venen verbessert werden – bei unveränderter Gesamtmesszeit. ZUSAMMENFASSUNG: Drei Problempunkte der Ultrahochfeld-Phasenbildgebung wurden untersucht und neue Lösungen vorgeschlagen: ein verbessertes Konzept für die Spulenkombination mit zwei Methoden (ASPIRE und MCPC-3D-S), ein neuer Ansatz für das Phasen-unwrapping (ROMEO) und ein überarbeitetes Schema für die suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (CLEAR-SWI). Diese neuen Methodensetzen an den gravierendsten Problemen der Bildgebung magnetischer Suszeptibilität bei hohen Feldstärken an. Sie wurden bereits von großen Teilen der Forschungsgemeinschaft übernommen und werden derzeit in die klinische Anwendung überführt.

The magnetic resonance signal is complex in nature, comprising both magnitude and phase constituents. The magnitude, which is the basis for most Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods, reflects tissue parameters such as proton density and the characteristic relaxation times T1, T2 and T2 . The phase is not used in conventional imaging, but contains useful information: in gradientecho imaging it is proportional to the local magnetic field which is generated by the presence of tissues with different magnetic susceptibilities. These reflect the presence of calcium and iron, providing a contrast mechanism which can be used to explore the vasculature and changes in susceptibility which accompany neurodegenerative processes such as demyelination and iron accumulation in multiplesclerosis. Increasing the field strength generally leads to increased resolution and signal-to-noise ratio (SNR), but phase imaging benefits particularly from ultra-high fields (7T and higher), as the size of phase effects is proportional to the field. However, ultra-high field imaging poses several challenges due to phase artefacts and signal drop-outs which result from more rapid phase variations and image inhomogeneities caused by the shorter wavelength of the magnetic resonance signal. METHODS: Three challenges in ultra-high field phase imaging were addressed in this PhD project: I) The combination of complex-valued signals from an array of radio-frequency receive coils, with special consideration to the phase part of the complex signal. II) Correctly identifying phase ambiguities, or wraps, especiallyin the context of multi-echo or multi-timepoint data from high-resolution threedimensional datasets. III) Eliminating artefacts arising due to high field strengths in clinically used Susceptibility Weighted Imaging (SWI) sequences. RESUTS: I) The coil combination methods developed were free of common highfield phase artefacts in brain images and also in datasets acquired in other, more problematic regions of the body, such as the knee. II) A new phase unwrapping method was developed which achieved higher accuracy, temporal stability, and a reduced runtime compared to the predominantly used methods at three field strengths (3T, 7T, 9:4T). III) A reworked acquisition and processing pipeline for SWI was devised that completely avoided the main artefacts corrupting standard SWI, which arise from an inhomogeneous static magnetic field B0 and coil sensitivities B1. Additionally, the severity of signal dropouts was reduced, the SNR increased, and the visibility of small structures such as veins improved while keeping the same total measurement time. CONCUSION: Three challenges in ultra-high field phase imaging were investigated and new solutions proposed: an improved framework for coil combination with the two methods ASPIRE and MCPC-3D-S, a new phase unwrapping approach, ROMEO, and a reworked pipeline for susceptibility weighted imaging, CLEARSWI. These new methods target the most severe problems of magnetic susceptibility imaging at high and ultra-high field strengths. They have already been adopted by large parts of the research community and are being transitioned to clinical application.
Keywords: Magnetische Kernresonanz; MR Bildgebung
Nuclear Magnetic Resonance; MR Imaging
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.43447
http://hdl.handle.net/20.500.12708/19244
DOI: 10.34726/hss.2021.43447
Library ID: AC16412089
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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