Philipp Eirich

• In this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T). To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied. Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to imageIn this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T). To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied. Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to image artifacts in non-Cartesian acquisitions. Among other reasons such as an increased reconstruction complexity, they cause the lack of spiral sequences in clinical routine compared to standard Cartesian imaging. Therefore, the Gradient System Transfer Functions (GSTFs) of both scanners were determined and used for k-space trajectory correction in post-correction as well as in terms of a pre-emphasis. The GSTF pre-emphasis was implemented as a fully automatic procedure, which enabled a precise correction of arbitrary gradient waveforms for double-oblique slice orientations. Consequently, artifacts due to trajectory errors could be mitigated, which resulted in high image quality in non-Cartesian MRI. Additionally, the GSTF correction was validated by measuring pre-emphasized spiral gradient outputs, which showed high agreement with the theoretical gradient waveforms. Furthermore, it could be demonstrated that the performance of the GSTF correction is superior to a simple delay compensation approach. The developed pulse sequences were applied to gated as well as real-time CMR. Special focus lied on the implementation of a spiral imaging protocol to resolve the beating heart of animals and humans in real time and free breathing. In order to achieve real-time CMR with high spatiotemporal resolution, k-space undersampling was performed. For this reason, efficient sampling strategies were developed with the aim to facilitate compressed sensing (CS) during image reconstruction. The applied CS approach successfully removed aliasing artifacts and yielded high-resolution cardiac image series. Image reconstruction was performed offline in all cases such that the images were not available immediately after acquisition at the scanner. Spiral real-time CMR could be performed in free breathing, which led to an acquisition time of less than 1 minute for a whole short-axis stack. At 3T, the results were compared to the gold standard of electrocardiogram-gated Cartesian CMR in breath hold, which revealed similar values for important cardiovascular functional and volumetric parameters. This paves the way to an application of the developed framework in clinical routine of CMR. In addition, the spiral real-time protocol was transferred to swallowing and speech imaging at 3T, and first images were presented. The results were of high quality and confirm the straightforward utilization of the spiral sequence in other fields of MRI. In general, the GSTF correction yielded high-quality images at both field strengths, 3T and 7T. Off-resonance related blurring was mitigated by applying non-Cartesian readout gradients of short duration. At 7T, however, B1-inhomogeneity led to image artifacts in some cases. All in all, this work demonstrated great advances in accelerating the MRI process by combining efficient, undersampled non-Cartesian k-space coverage with CS reconstruction. Trajectory correction using the GSTF can be implemented at any scanner model and enables non-Cartesian imaging with high image quality. Especially MRI of dynamic processes greatly benefits from the presented rapid imaging approaches.…
• In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden der beschleunigten Magnetresonanztomographie (MRT) etabliert, welche auf nicht-kartesischer Datenaufnahme beruhen. Diese wurden insbesondere in der Herzbildgebung bei verschiedenen Magnetfeldstärken (3T und 7T) angewendet. Der Fokus lag auf der Entwicklung von hocheffizienten spiralförmigen k-Raum Trajektorien, mit dem Zweck sehr kurze Aufnahmezeiten zu ermöglichen. Zusätzlich wurde eine hybride k-Raum Trajektorie untersucht, die sogenannte "twisting radial lines (TWIRL)" k-Raum Trajektorie.In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden der beschleunigten Magnetresonanztomographie (MRT) etabliert, welche auf nicht-kartesischer Datenaufnahme beruhen. Diese wurden insbesondere in der Herzbildgebung bei verschiedenen Magnetfeldstärken (3T und 7T) angewendet. Der Fokus lag auf der Entwicklung von hocheffizienten spiralförmigen k-Raum Trajektorien, mit dem Zweck sehr kurze Aufnahmezeiten zu ermöglichen. Zusätzlich wurde eine hybride k-Raum Trajektorie untersucht, die sogenannte "twisting radial lines (TWIRL)" k-Raum Trajektorie. Ungenauigkeiten des dynamischen Gradientensystems eines MRT Scanners resultieren in fehlerbehafteter k-Raum Abtastung während der Datenaufnahme. In der nicht-kartesischen Bildgebung kann dies letztendlich zu Artefakten im rekonstruierten Bild führen. Zusammen mit anderen Hemmnissen, wie beispielsweise einer komplexeren Bildrekonstruktion, sind sie verantwortlich dafür, dass noch immer mehrheitlich kartesische Bildgebungssequenzen in der klinischen Routine durchgeführt werden. Aus diesem Grund wurden die Übertragungsfunktionen der Gradientensysteme der verwendeten MRT Scanner (eng. "Gradient System Transfer Function (GSTF)") bestimmt und für k-Raum Trajektorienkorrekturen verwendet. Diese Korrektur wurde sowohl in der Bildrekonstruktion nach bereits erfolgter Datenaufnahme angewendet als auch im Rahmen einer Vorverstärkung bevor die Gradienten ausgespielt werden. Diese Vorverstärkung wurde als vollständig automatisierter Prozess implementiert und ermöglichte eine präzise Korrektur beliebig gewählter Gradientenfunktionen aller Schichtorientierungen. Auf diesem Wege konnten die durch Trajektorienfehler verursachten Bildartefakte kompensiert werden, was zu hoher Bildqualität in der nicht-kartesischen MRT Bildgebung führte. Des Weiteren wurde die Gradientenkorrektur durch Messungen der tatsächlich ausgespielten Gradientenformen validiert. Diese wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretisch zu erwarteten Gradientenformen auf. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die auf der Impulsantwort basierende, umfassende Gradientenkorrektur eine höhere Bildqualität ermöglicht als eine einfache Korrektur mittels globaler Zeitverschiebungen. Die entwickelten MRT Sequenzen wurden sowohl in der segmentierten als auch in der Echtzeit-Herzbildgebung angewendet. Im Speziellen lag der Fokus auf der Implementierung eines Protokolls für die spirale MRT Bildgebung, welche das schlagende Herz von Tieren und Menschen in Echtzeit und freier Atmung auflösen kann. Um Echtzeit-Herzbildgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vereinen, wurde der k-Raum unterabgetastet. In diesem Zusammenhang wurden Strategien zur effizienten und komprimierten Datenaufnahme entwickelt, unter Anwendung der Modell-basierten "Compressed Sensing" (CS)-Technik. Diese Methode reduziert Aliasing-Artefakte in der Bildrekonstruktion von unterabgetasteten Daten und ermöglicht deshalb hochaufgelöste, dynamische Echtzeit-Bilderserien des schlagenden Herzens. Allerdings wurden die gemessenen Daten stets extern rekonstruiert, sodass die Bilder nicht unmittelbar nach der Aufnahme am MRT Scanner verfügbar waren. Die spirale Echtzeit-Herzbildgebung konnte in freier Atmung durchgeführt werden, was eine Messzeit aller Schichten in der kurzen Herzachse in unter 1 Minute ermöglichte. Bei 3T wurden die Ergebnisse mit dem Goldstandard der mittels eines Elektrokardiogramms segmentierten kartesischen Herzbildgebung im Atemstopp verglichen und es konnte gezeigt werden, dass wichtige funktionelle und volumetrische Herzparameter übereinstimmen. Dies ebnet den Weg zur Anwendung des entwickelten Protokolls in der klinischen Routine der Herzbildgebung am MRT. Darüber hinaus wurde das Protokoll in der Echtzeit-Bildgebung von Schlucken und Sprechen bei 3T getestet. Die Ergebnisse waren ebenfalls von hoher Qualität und bestätigen den unkomplizierten Transfer der spiralen Sequenz in andere Bereiche der MRT Bildgebung. Insgesamt lieferte die GSTF-Korrektur Bilder von hoher Qualität bei beiden Feldstärken, 3T und 7T. Eine durch off-Resonanz verursachte Bildunschärfe wurde durch kurze Auslesezeiten der nicht-kartesischen Gradienten abgeschwächt. Allerdings führte B1-Inhomogenität in manchen Fällen zu Bildartefakten bei 7T. Die vorliegende Arbeit stellt einen wesentlichen Beitrag zur Beschleunigung des MRT Bildgebungsprozesses dar, indem effiziente, unterabgetastete nicht-kartesische k-Raum Trajektorien mit der CS-Rekonstruktionstechnik kombiniert wurden. Trajektorien-Korrektur basierend auf der GSTF kann prinzipiell an jedem MRT Scanner implementiert werden und legt den Grundstein für nicht-kartesische Bildgebung mit hoher Bildqualität. Insbesondere die Bildgebung von dynamischen Prozessen profitiert von den hier vorgestellten beschleunigten Methoden zur Datenaufnahme.…