Atmungs-Selbstnavigation für die koronare Magnetresonanzbildgebung des gesamten Herzens

As the average life span of the world population increases, cardiovascular diseases firmly establish themselves as the most frequent cause of death in many of the developed countries. Coronary artery disease (CAD) is responsible for more than half of these cases and there is, hence, a strong need for a non-invasive and radiation-free test that could be reliably adopted for its assessment in clinical routine. Although coronary magnetic resonance imaging (MRI) has always been regarded with high expectations, it is still not considered for clinical assessment of CAD. This is mainly due to several limitations of current coronary MRI examinations. The complex anatomy of the coronary arteries requires extensive scout-scanning to precisely plan the actual data acquisition. The current speed limitations of the MRI scanners and the contribution of cardiac and respiratory motion do not allow the high resolution acquisitions to be performed within the fraction of a single heartbeat. Consequently, data acquisition must be split into multiple heartbeats and usually performed during free-breathing. At the same time, gating with respect to a consistent respiratory position is applied using an interleaved navigated scan which monitors the position of the subject's diaphragm. Major improvements in standard navigator-gated free-breathing coronary MRI have been achieved in recent years, but a number of important intrinsic limitations, such as the prolonged and unknown acquisition times, the non-linearity of the motion compensation, and the complexity of the examination setup have so far hindered the clinical usage of this technique. In contrast, a technique known as self-navigation, which performs motion detection and correction solely based on imaging data of the heart, promises a priori knowledge of the duration of the acquisition with improved accuracy of the motion compensation and requires minimal expertise for the planning of the examination. In this work, a novel acquisition and motion correction strategy for free-breathing self-navigated whole-heart coronary MRA was introduced, analyzed and implemented to be entirely integrated in a clinical MR scanner. The proposed acquisition method consists of a novel interleaved 3D radial trajectory, mathematically constructed on the basis of a spiral phyllotaxis pattern, which intrinsically minimizes the eddy currents artifacts of the balanced steady state free-precessing acquisition, while ensuring a complete and uniform coverage of k-space. The self-navigated respiratory motion detection is performed on imaging readouts oriented along the superior-inferior axes and is based on a method for the isolation and automatic segmentation of the bright signal of the blood pool. Motion detection of the segmented blood pool is then performed using a cross-correlation technique. This fully automated respiratory selfnavigated method offers an easy and robust solution for coronary MR imaging that can also be integrated into a regular clinical routine examination. The technique was tested in volunteers, compared to the standard navigator-gating approach, and, for the first time to the author's knowledge, allowed self-navigation to be positively applied to a large patient study in an advanced clinical setting.Im Zuge des Anstiegs der durchschnittlichen Lebenserwartung der Weltbevölkerung sind kardiovaskuläre Krankenheiten heute in vielen der entwickelten Länder zur häufigsten Todesursache geworden. Koronare Gefäßerkrankungen sind dabei die Ursache für mehr als die Hälfte dieser Todesfälle. Es besteht deshalb ein großer Bedarf an Diagnosetechniken, die nichtinvasiv und ohne Einsatz ionisierender Strahlung zuverlässig in die klinische Routine eingebunden werden können. Obwohl der koronaren Magnetresonanztomographie (MRT) seit langem hohe Erwartungen entgegengebracht werden, wird sie nach wie vor nicht zur klinischen Bewertung koronarer Gefäßerkrankungen eingesetzt. Die Gründe dafür sind vielfältig, rühren jedoch vor allem von verschiedenen technischen Unzulänglichkeiten derzeitiger koronarer MRT-Untersuchungen. Die komplexe Anatomie der Koronararterien bedarf vieler zeitaufwendiger Voraufnahmen zur präzisen Planung der eigentlichen Untersuchung. Zudem behindern die Bildgebungsgeschwindigkeit heutiger MRT-Scanner in Verbindung mit den Herz- und Atmungsbewegungen die Aufnahme hochaufgelöster Bilder innerhalb eines Herzschlags. Deshalb muß die Datenakquisition über mehrere Herzschläge verteilt und typischerweise wegen ihrer Dauer auch bei freier Atmung durchgeführt werden. Während der eigentlichen Bildaufnahme wird immer wieder ein sehr schnelles Navigatorbild akquiriert, aus dem die Position des Diaphragmas und damit die Atmungsphase bestimmt werden kann. Im Zuge eines nachgeordneten „Gatings“ werden dann nur die Bildinformationen einer bestimmten Atemposition zur Weiterverarbeitung genutzt. Die Techniken zur navigatorgestützten Aufnahme koronarer MRT-Bilder bei freiem Atmen haben in den letzten Jahren wesentliche Verbesserungen erfahren. Allerdings haben die ihnen immanenten Einschränkungen wie die wesentlich erhöhte und zudem im Vorhinein unbekannte Aufnahmezeit, die Nichtlinearität der Bewegungskompensation, sowie die Komplexität der Untersuchung eine klinische Nutzung bisher verhindert. Im Gegensatz dazu versprechen die sogenannten Selbstnavigations-Methoden, die Bewegungsdetektion und -korrektur ausschließlich anhand der aufgenommenen Herzbilddaten ausführen, eine im Vorhinein bekannte Aufnahmezeit mit verbesserter Genauigkeit der Bewegungskompensation sowie wesentlich weniger benötigte Expertise bei der Akquisitionsplanung. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Aufnahmetechnik und Bewegungskorrektur für selbstnavigierte koronare Magnetresonanz-Angiographie des ganzen Herzens bei freier Atmung vorgestellt, analysiert und auf einem klinischen Kernspintomographen implementiert. Die vorgeschlagene Methode basiert auf einer neuartigen geschachtelten dreidimensionalen Radialtrajektorie, die mathematisch aus einem spiralen phylotaktischem Muster konstruiert wird. Ihre spezifischen Charakteristika garantieren eine intrinsische Minimierung von Wirbelstromartefakten der verwendeten Balanced-SSFP-Akquisition (Aufnahme bei symmetrisch ausgeglichener freier Präzession im stationären Zustand) bei gleichzeitig stets uniformer Abdeckung des K-Raumes. Die selfnavigierte Atembewegungsdetektion wird anhand von Bildauslesezügen in superiorer-inferiorer Richtung durchgeführt und basiert auf einer Methode zur Isolierung und automatischen Segmentierung des hellen Blutsignales. Die eigentliche Bewegungskorrektur des segementierten Blutreservoirs wird dann mittels Kreuzkorrelation durchgeführt. Diese vollautomatische selbstnavigierte Methode bietet eine einfache und robuste Lösung für die koronare MRT-Bildgebung, die auch in klinische Routineuntersuchungen integriert werdne kann. Die Technik wurde an Freiwilligen getestet und mit dem Gatingansatz als Referenz verglichen. Sie erlaubte, nach bestem Wissen des Autors, das erste Mal die Anwendung solcher Selbstnavigations-Techniken in einer großen Patientenstudie in einer erweiterten klinischen Umgebung