Development of a method for combining MRI data from multiple receiver coils

Abstract

In der Magnetresonanztomographie (MRT) findet typischerweise nur die Magnitude des gemessenen komplexen Signals Verwendung, in der Phase ist jedoch häufig ebenso wertvolle Information enthalten. Die Phase, die bei einer Gradientenechosequenz in der Zeit zwischen Anregung und Messung des Signals entsteht, ist proportional zur lokalen Abweichung des statischen Magnetfeldes, wodurch der weitere Zusammenhang zur magnetischen Suszeptibilität des Gewebes gegeben ist. Die magnetische Suszeptibilität wird zur Kontrasterzeugung in suszeptibilitätsgewichteter Bildgebung (SWI) und quantitativer Suszeptibilitätskartierung (QSM) genutzt und ermöglicht somit die Visualisierung von Venen oder Eisenablagerungen im Gewebe. Moderne MRT Scanner verwenden ein Gitter aus Oberflächenspulen, die in direkter Nähe des gemessenen Körperteils angebracht werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird und eine beschleunigte Bildgebung durch die parallele Aufnahme an den Spulen ermöglicht wird. Die daraus resultierende Notwendigkeit, die Aufnahmen der einzelnen Spulenelemente zu einem einzigen Bild zusammenzufügen, kann für Magnitudenbilder unkompliziert gelöst werden: beispielsweise in Form von Addition der Einzelkanalphasen. Die Kombination von Phasenbildern ist jedoch nicht trivial, da Aufnahmen jeder Spule einer anderen Phasenverschiebung unterliegen, welche zusätzlich auch örtlich variiert. Eine weitere Schwierigkeit im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Phasenbildern stellt die Limitierung der gemessenen Phasenwerte auf einen Bereich von 2- dar. Außerhalb liegende Werte werden modulo 2- gemessen, was als wrapping bezeichnet wird und deren Rekonstruktion als unwrapping. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Verfahrens zur Kombination von Phasenbildern von Multikanal-Spulen und Multi-Echo Aufnahmen, das robuster gegenüber Rauschen ist und weniger Rechenaufwand benötigt als die existierende Methode Multi-Channel Phase Combination using measured 3D phase offsets (MCPC-3D-I). Nach der Anregung nehmen Multi-Echo Sequenzen das Signal zu mehreren Zeitpunkten auf. Während die Magnitude des Signals exponentiell über die Zeit abfällt, ändert sich die Phase linear mit der Zeit. Das lineare zeitliche Verhalten der Phasenbilder wird für deren Kombination verwendet. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode MCPC-3D-S (wobei S für Simple steht) benötigt nur einen einzigen unwrapping-Schritt, anstelle von 2n+1 unwrapping-Schritten wie in der MCPC-3D-I Methode (wobei n für die Anzahl der Spulenelemente steht). Zusätzlich ist die Robustheit verbessert, da das kombinierte Phasendifferenzbild ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist als die Phasenbilder der n Einzelkanalspulen. Darüber hinaus wurden zwei weitere Varianten dieses Phasenkombinationsverfahrens entwickelt. Die erste Variante, UMPIRE_COMBINATION, nutzt UMPIRE als Methode für zeitliches Phasen-unwrapping des kombinierten Phasendifferenzbildes. Die zweite Variante, A Simple Phase Image Reconstruction for multi-Echo acquisitions (ASPIRE), benötigt kein unwrapping der Phasenbilder. Die Echozeiten beider Methoden müssen bestimmten Relationen genügen und eine Minimalanzahl an Echos ist erforderlich. Indem das räumliche unwrapping umgangen wird eignet sich sowohl ASPIRE als auch UMPIRE_COMBINATION gut für eine Implementierung auf dem MRT Scanner. Beide Verfahren und auch der unwrapping Algorithmus UMPIRE wurden in dem Siemens ICE Framework implementiert und stehen auf dem Rekonstruktionscomputer des Scanners bereit zur Ausführung. Alle drei entwickelten Methoden (MCPC-3D-S, UMPIRE und UMPIRE_COMBINATION) benötigen deutlich weniger Rechenaufwand als MCPC-3D-I und zeigen zusätzlich eine verbesserste Genauigkeit in der Anwendung auf in-vivo Gehirndaten von gesunden Probanden, aufgenommen mit einem 7T MRT Scanner. ASPIRE zeigte sich als die robusteste und auch rechnerisch am wenigsten aufwändige Methode. UMPIRE_COMBINATION war anfällig für Messartefakte in Regionen mit geringem Signal-Rausch-Verhältnis. Durch die Robustheit und den geringen Rechenaufwand von ASPIRE ist diese Methode geeignet für die Kombination der Phasenbilder direkt am MRT Gerät. Es ist ebenfalls zu erwarten, dass ASPIRE zur klinischen Einführung von SWI und QSM beiträgt.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) generally only uses the magnitude of the acquired complex signal. In many contexts the signal phase also contains useful information, however. The phase which accrues between signal excitation and acquisition in a gradient-echo sequence, for instance, is proportional to the local deviation from the static magnetic field. This is related to the magnetic susceptibility of the tissue, providing a contrast mechanism which is exploited in Susceptibility Weighted Imaging (SWI) and Quantitative Susceptibility Mapping (QSM), which allow veins and the iron accumulation to be visualized. In modern MRI, an array of small surface coils close to the region under examination is often employed to increase signal-to-noise ratio (SNR) and to make accelerated -parallel imaging- possible. This gives rise to the need to combine the data from each coil element to one image. Magnitude signals can be combined using a straightforward approach (e.g. addition), but combining phase information is not trivial because each coil is subject to a phase -offset-, which varies over the image and is different for each coil. An additional problem in processing phase images is that measured phase is limited to a 2- range. Values outside this range are -wrapped-. The aim of this project was to develop a more noise-robust and less computationally intensive method for combining phase images from multi-channel coils and multi-echo acquisitions than an existing method, called Multi-Channel Phase Combination using measured 3D phase offsets (MCPC-3D-I). Multi-echo MRI sequences acquire the signal a number of times after excitation. While the signal magnitude decays exponentially over time, the phase changes linearly. This temporal behavior is utilized to combine the phase images. In the method developed here - MCPC-3D-S (where S stands for Simple) - the number of images which need to be unwrapped is reduced from 2n+1 in MCPC-3D-I, where n is the number of coils, to just 1 - the combined phase difference image. The robustness is also increased because the combined phase difference image has higher SNR than the n single-coil phase images. Two additional variants of this phase combination approach have also been developed. In the first, UMPIRE_COMBINATION, the UMPIRE temporal phase unwrapping method is applied to unwrap the phase difference image. The second, -A Simple Phase Image Reconstruction for multi-Echo acquisitions- (ASPIRE) obviates the need to unwrap phase images entirely. Both are subject to certain echo time relations and minimum numbers of echoes. By avoiding the need for spatial unwrapping, ASPIRE and UMPIRE_COMBINATION are well suited to implementation on the MR reconstruction hardware. Both approaches, as well as the unwrapping algorithm UMPIRE were implemented in the Siemens ICE framework to run on the MR scanner-s reconstruction computer. All three methods developed (MCPC-3D-S, UMPIRE_COMBINATION and ASPIRE) have much lower computational demand than MCPC-3D-I and show improved accuracy when applied to 7 T in-vivo brain data acquired from healthy subjects. The ASPIRE method was the most robust and computationally light approach. UMPIRE_COMBINATION was susceptible to some measurement artifacts in low SNR regions. The robustness and the low computational demand of ASPIRE make it suitable for on-console combination of phase images, and is expected to contribute to the clinical adoption of SWI and QSM.