Susceptibility imaging using CAIPIRINHA acceleration

Abstract

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein äußerst vielseitiges bildgebendes Diagnoseverfahren. Sie wird im klinischen Alltag häufig eingesetzt, um strukturelle und funktionelle Bilder z. B. des Gehirns, des Abdomens und des Knies zu erhalten. Die MRT ist nicht nur äußerst anpassungsfähig, sondern auch sehr sicher. Ein Hauptproblem ist jedoch, dass die Dauer einiger Gehirnscans bis zu 10 Minuten überschreiten kann. Daher wurden Beschleunigungsverfahren entwickelt, um den Datenerfassungsprozess zu verkürzen. Diese Beschleuningungsmethoden basieren in der Regel auf einer Unterabtastung der Rohdatenmatrix, dem sogenannten k-Raum.Diese Arbeit befasst sich mit dem Vergleich zweier MRT-Beschleunigungsmethoden für die strukturelle Hirnbildgebung im Hoch- und Ultrahochfeld. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Multi-echo Suszeptibilitäts-gewichteten Bildgebung (SWI). Diese Methode ermöglicht eine zusätzliche Kontrasterzeugung für bestimmte Gewebe auf Grundlage ihrer Suszeptibilitätsunterschiede. Bei den Beschleunigungsmethoden in Frage handelt es sich um GRAPPA, und die deutlich neuere CAIPIRINHA-Beschleunigung. GRAPPA ermöglicht eine Beschleunigung der Datenerfassungszeit durch Unterabtastung des k-Raums. CAIPI basiert auf GRAPPA und bietet eine erhöhte Flexibilität bei der Wahl des gewünschten Unterabtastungsschemas. Dadurch lässt sich eine räumlich gleichmäßigere Abtastung des k-Raums erreichen, was zu einer besseren Bildqualität führen sollte. Ziel dieser Arbeit war es, diese beiden Methoden anhand einer Multi-echo Gradientenecho-Sequenz qualitativ und quantitativ zu vergleichen und zu bewerten, ob eine Implementierung von CLEAR-SWI in die VIBE-Sequenz vorteilhaft wäre.Es wurden Messungen an sphärischen Ölphantomen und freiwilligen Probanden bei Feldstärken von 3T und 7T unter Verwendung verschiedener GRAPPA- und CAIPI-Beschleunigungsschemata durchgeführt. Darüber hinaus wurde untersucht, welche Auswirkungen die Änderung von Parametern wie der Anzahl der Referenzlinien auf das Signal-Rausch-Verhältnis der resultierenden Bilder hatte. Neben der Anzahl wurde auch der Modus mit der diese Referenzlinien aufgenommen wurden, entweder integriert in den Haupt-Scan oder in einem separaten Scan, untersucht. Die SNR Verteilung der Phantom-Scans wurden berechnet, um die Bildqualität beider Beschleunigungsmethoden bei vergleichbaren Gesamtbeschleunigungsfaktoren zu quantifizieren. Die Phasenbilder der In-vivo-Scans wurden rekonstruiert und anschließend zur Erstellung von SWI-Bildern für qualitative Vergleiche der In-vivo-Messungen verwendet. Entgegen den Erwartungen zeigten die mit der neueren CAIPIRINHA-Beschleunigungsmethode aufgenommenen Bilder in den Phantommessungen insgesamt niedrigere berechnete SNR-Werte als ihre GRAPPA-Pendants. Die Verwendung von Referenzlinien, die in die Hauptsequenz integriert wurden, anstelle eines konventionellen separaten Referenzlinien-Scans, führte zu einer etwa zweifachen Erhöhung der Akquisitionszeit und verursachte starke Artefakte bei spätere Echos, während sich auch die Rekonstruktionszeiten erheblich erhöhten.Optimale CAIPIRINHA-Schemata für diese Messungen wurden für Gesamtbeschleunigungsfaktoren von R=4 und R=6 untersucht, wobei die darauf folgenden Messungen mit diesen CAIPI-Konfigurationen durchgeführt wurden. Weitere qualitative Vergleiche von Magnituden- und SWI-Bildern zeigten, dass für die CAIPIRINHA-Beschleunigung keine eindeutigen Verbesserungen gegenüber GRAPPA festgestellt werden konnten. Außerdem konnten die in der Literatur veröffentlichten Ergebnisse zum Vergleich der Magnitudenbilder von GRAPPA und CAIPI bei Gesamtbeschleunigungsfakor R=4 nicht reproduziert werden.Eine höhere SNR-Effizienz für mit R=4 beschleunigte GRAPPA Scans wurde bei einer höheren Anzahl von Referenzlinien beobachtet. Eine Implementierung höherer Standardwerte für die Referenzlinien im SWI-Protokoll sollte daher zu einer deutlich besseren Bildqualität bei nur geringfügig höheren Aufnahmezeiten führen. Bilder, die mit CAIPIRINHA Beschleunigung mit R=6 in Verbindung mit einem größeren Sichtfeld und höherer Auflösung aufgenommen wurden, zeigten eine leicht verbesserte Bildqualität im Vergleich zu einem weniger beschleunigten (R=4) GRAPPA Scans mit ähnlicher Aufnahmezeit, was auf eine Verminderung von Aliasing-Artefakten zurückzuführen ist.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CAIPIRINHA-Beschleunigung keine eindeutige Verbesserung des SNR oder der Gesamtbildqualität bewirkte. Eine künftige Implementierung von CLEAR-SWI in die VIBE-Sequenz könnte aber auch dann von Vorteil sein, wenn CAIPIRINHA selbst nicht zu den erwarteten Verbesserungen der Bildqualität führt, da die herkömmlichere GRAPPA-Beschleunigungsmethode auch in VIBE verwendet werden kann. Einige spezifische Anwendungen könnten dennoch von der zusätzlichen Flexibilität profitieren, die CAIPIRINHA in den erreichbaren Unterabtastungsmustern ermöglicht. Methoden wie die Erhöhung der Standardanzahl von Referenzlinien oder die Verwendung höherer Beschleunigungsfaktoren in Verbindung mit einem größeren FOV und einer höheren Auflösung zeigten positive Ergebnisse unabhängig von der jeweiligen Beschleunigungsmethode.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an extremely versatile diagnostic imaging modality. It is widely used in a clinical setting to acquire structural and functional images of for example the brain, abdomen and knee. While MRI is not only highly adaptable, as well as very safe, one main problem is that the duration of some brain scans can exceed 10 minutes. Therefore, acceleration methods have been developed in order to speed up the data acquisition process by undersampling the raw data matrix (k-space).This thesis is concerned with the comparison of two specific MRI acceleration methods for high- and ultra-high field structural brain imaging. The main focus was on multi-echo susceptibility weighted imaging (SWI), a method which allows for added generation of contrast for certain tissues based on their susceptibility differences. The acceleration methods in question are GRAPPA and the more recently developed CAIPIRINHA acceleration. GRAPPA allows for an acceleration of the data acquisition time by undersampling k-space. CAIPI is based on GRAPPA, and grants more flexibility in choosing the desired undersampling scheme, allowing for a spatially more even sampling of k-space which should result in better image quality. The aim of this work was to qualitatively and quantitatively compare these two methods using a multi-echo gradient-echo sequence and evaluate whether an implementation of CLEAR-SWI into the VIBE sequence would be beneficial.Measurements were made of spherical oil phantoms and human subjects at 3T and 7T field strengths using various GRAPPA and CAIPI acceleration schemes. Additionally, the effects of changing parameters such as the number of reference lines, as well as the way these reference lines were acquired, be it integrated into the main scan or in a separate scan, had on the signal-to-noise ratio of the resulting images was investigated. SNR maps of the phantom scans were calculated, to quantify the image quality of both acceleration methods at comparable total acceleration factors. Phase images of the in-vivo scans were reconstructed, which were then used to create SWI images for qualitative comparisons of the in-vivo measurements.Contrary to expectations, the images acquired with the more recently developed CAIPIRINHA acceleration method showed overall lower calculated SNR values in the phantom measurements compared to their GRAPPA counterparts. Using reference lines which were integrated into the main sequence, instead of a more conventional separate reference line scan, resulted in a roughly twofold increase in acquisition time and caused strong artifacts to arise for later echoes, while also substantially increasing the reconstruction times.Optimal CAIPIRINHA schemes for these measurements were examined for total acceleration factors of R = 4 and R = 6, with successive measurements using these CAIPI configurations. Further qualitative comparisons of magnitude- and SWI images demonstrated that no clear improvements could be observed for CAIPIRINHA acceleration over GRAPPA. Additionally, the results comparing magnitude images of GRAPPA and CAIPIRINHA accelerated images at total acceleration factors of R = 4, published in the literature, could not be replicated in this study.Higher SNR efficiency for GRAPPA accelerated scans with R = 4 was observed for an increased number of reference lines. An implementation of higher default values of reference lines in the SWI protocol should therefore lead to noticeably better image quality at just fractionally higher acquisition times. Images acquired with CAIPI acceleration, with R = 6, in conjunction with a larger field-of-view and higher resolution showed slightly improved image quality compared to a less accelerated (R = 4) GRAPPA scan with a similar acquisition time, due to a decrease in aliasing artifacts.In conclusion, CAIPIRINHA acceleration showed no clear improvement in SNR or overall image quality. Nonetheless, a future implementation of CLEAR-SWI into the VIBE sequence might still be beneficial, given that the GRAPPA acceleration method can also be used in VIBE. Some applications might still profit from the added flexibility that CAIPIRINHA allows for in the achievable undersampling patterns, e.g. depending on the distribution of coils in relation to the object. Methods such as increasing the default number of reference lines or using higher accelerated factors in conjunction with larger FOV and higher resolution, showed positive results regardless of the acceleration method used.