4Schnelle Bildgebung. Verschiedene Methoden der schnellen Bildgebung. Schnelle Bildgebungssequenzen. Beschleunigte k-raum-füllung und -Auslese
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- Oskar Acker
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1 4Schnelle Bildgebung Verschiedene Methoden der schnellen Bildgebung Übersicht über die Methoden schneller Bildgebung: Bildgebungssequenzen: Turbogradientenecho, Turbospinecho, Echo Planar Imaging (EPI), Spinecho-EPI. schnelle k-raum-auffüllung und -Auslese: Matrixreduktion = Scan Percentage, Half-Fourier = Half-Scan, Partial Echo, rechteckiges FOV (RFOV), zentrisches Imaging = Key-Hole-Imaging, elliptisch-zentrische Akquisition, Spiral-Abtastung (Spiral Scanning), Radial-Abtastung (Radial Scanning). Parallel Imaging: Sensitivity Encoding (SENSE), Simultanious Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH). Schnelle Bildgebungssequenzen Die Vor- und Nachteile der schnellen Echosequenzen sind in Kapitel 2 beschrieben. Die derzeit schnellste Bildgebungsmethode ist das Echo Planar Imaging (EPI). Die EPI-Technik reduziert das SNR und tendiert zu chemischen Verschiebungsartefakten (letzteres besonders bei dem Single- Shot-EPI). Snap-Shot-FLASH und Single-Shot-EPI werden bei schnellen Herzuntersuchungen benutzt. Schnelle Bildgebungssequenzen können mit den verschiedenen Formen der beschleunigten k-raum-auffüllung und -Auslese kombiniert werden (Abb ). Beschleunigte k-raum-füllung und -Auslese Matrixreduktion = Scan Percentage Die äußeren oberen und unteren Linien des k-raums werden nicht erfasst = Nullung. Nur etwa 80 % der bis zu 256 k-raum-linien werden erfasst (Abb. 4.7). Multi Slice Turbo Spin Echo: TE Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 z.b. 5 Echos (Turbo Faktor 5) - Faktor 5 Zeitersparnis Multi Slice GraSE: TR TE TR Zeit Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 z.b. 3 Gradientenechos pro Spin Echo: Faktor 9 Zeitersparnis gegenüber Spin Echo (Turbo-Faktor = 3 und EPI-Faktor = 3) 4.1 Messzeitverkürzung mit Turbofieldecho (TFE = TGE) 4.2 Von Spinecho bis Gradienten- und Spinecho
2 40 Schnelle Bildgebung Vorteil: schnellere Bildgebung. Nachteil: Verlust an räumlicher Auflösung in Phasenkodierrichtung. Half-Fourier = Half-Scan Ein assymetrischer Teil des Datensatzes wird erfasst. Es werden etwa 55 % einer Hälfte des k-raums aufgefüllt. Der Rest der entgegengesetzten Seite wird aus den vorhandenen Daten berechnet (Abb. 4.8). Vorteil: schnellere Datenaufnahme, gleiche räumliche Auflösung. Nachteil: abnehmendes Signal-Rausch-Verhältnis. Vorteil: schnellere Bildgebung, kürzere Echozeiten. Nachteil: höheres Bildrauschen = deutlich vermindertes SNR. Rechteckiges FOV (RFOV) = Rectangular Field Of View Nur die Hälfte der k-raum-linien wird gemessen. Das Bild wird im k-raum durch Übertragung in ein rechteckiges Bild mit geringerer Dichte in Phasenkodierrichtung gemessen (Abb. 4.10). Vorteil: Halbierung von Aufnahmezeit und FOV. Nachteil: deutliche Reduktion des SNR. Zentrisches Imaging = Key-Hole-Imaging Partial Echo Etwas weniger als die Hälfte des k-raums wird in der Frequenzkodierrichtung nicht direkt gefüllt. Die nicht gefüllten Anteile entsprechen den nicht gemessenen partiellen Echos (Abb. 4.9). Vor der eigentlichen Bildaufnahme (z. B. Kontrastmittelgabe zur Angiographie) erfolgt die Aufnahme eines Referenzbildes mit Auffüllung des gesamten k-raums. Für den dynamischen Teil der Untersuchung wird der zentrale Anteil des Referenz-k-Raums entfernt. Reduktion von TR und TE, keine Reduktion von Phasenkodierlinien (PE). 4.3 FFE-Echo Planar Imgaging (FFE-EPI) 4.4 Multi-Shot-EPI 4.5 Spinecho-EPI 4.6 Gradienten- und Spinecho
3 Schnelle Bildgebung 41 In der Kontrastmittelanreicherung werden nur die zentralen Anteile des k-raums erfasst. Die zentralen k-raum-linien werden anschließend mit den Referenzdaten kombiniert (Abb. 4.11). Vorteil: schnelle Verfolgung der Kontrastmittelverteilung im interessierenden anatomischen Abschnitt. Nachteil: nur im zentralen Teil sind die aktuellen Daten vorhanden (k 0 ). Anwendungsgebiet: nur bei Zeitserien dynamischer Bilder (z. B. Angiographie). Elliptisch-zentrische Akquisition Zunächst wird die Aufnahme des Referenzbildes mit der Aufnahme des gesamten k-raums durchgeführt. Während der Dynamik (z. B. der Kontrastmittelgabe) erfolgt die Aufnahme nur der zentralen k-raum-linien in Phasenkodier- und Frequenzkodierrichtung (Abb. 4.12). Damit wird eine noch schnellere Akquisition der dynamischen Daten mit Verbesserung der Zeit-Kontrast-Effizienz erzielt. Anwendunsgebiet: dynamische kontrastmittelverstärkte MR-Angiographie. Spiral-Scanning spiralförmige Auffüllung des k-raums (Abb. 4.13), Anwendung von Projektions- und Rekonstruktionsalgorithmen = Rückprojektionsalgorithmen. Vorteile: sehr schnelle Bildgebung, Erhöhung von SNR und CNR, robust gegenüber Bewegungsartefakten und Flussartefakten. Nachteil: Gefahr der Rückfaltung in allen Richtungen. Anwendungsgebiet: dynamische Bildgebung am Herzen. 4.7 k-raum: Methoden zur Messzeitverkürzung I 4.8 k-raum: Symmetrieeigenschaften I 4.9 k-raum: Symmetrieeigenschaften II 4.10 k-raum: Methoden zur Messzeitverkürzung II
4 42 Schnelle Bildgebung Radial-Scanning radialförmige Auffüllung des k-raums (Abb. 4.14), Anwendung von Projektions- und Rekonstruktionsalgorithmen = Rückprojektionsalgorithmen. Vorteile: schnelle Bildgebung, Erhöhung von SNR und CNR, robuste Technik gegenüber Bewegungs- und Flussartefakten, geringere Gefahr von Rückfaltungsartefakten. Anwendungsgebiet: dynamische Bildgebung am Herzen. Parallele Bildgebung (Parallel Imaging) SENSitivity Encoding (SENSE) Die unterschiedlichen räumlichen Funktionen (Spulensensitivitäten) der einzelnen Empfangsspulen einer Array-Spule werden zur Ortskodierung verwendet (Abb. 4.15). Durch die Aufnahme von nur jeder zweiten, dritten oder bis achten Datenzeile verdoppelt, verdreifacht oder verachtfacht sich der Abstand gemessener Datenlinien im k-raum. Dementsprechend wird die Messzeit um den Reduktionsfaktor zwei, drei bis acht beschleunigt (= SENSE-Faktor 2, 3 oder 8). Durch die Beschleunigung und die Reduktion der Abtastdichte in der Phasenkodierrichtung wird das FOV um einen entsprechenden Faktor R verringert (Abb. 4.16). Diese Verringerung des FOV führt bei Objekten größerer Ausdehnung zu Einfaltungen (Fold over). Mit speziellen P-MRT-Rekonstruktionsmethoden werden diese Einfaltungen unter Zuhilfenahme der räumlichen Information der einzelnen Spulen rückgängig gemacht. Vorteil: signifikante Verkürzung der Bildmesszeit. Nachteil: Verminderung des SNR. SiMultanious Acquisition of Spacial Harmonics (SMASH) Die unterschiedlichen räumlichen Funktionen (Spulensensitivitäten) der einzelnen Empfangsspulen einer Array-Spule werden zur Ortskodierung verwendet. Durch die Aufnahme von nur jeder zweiten, dritten oder bis achten Datenzeile verdoppelt, verdreifacht oder verachtfacht sich der Abstand gemessener Datenlinien im k-raum. Dementsprechend wird die Messzeit um den Reduktionsfaktor zwei, drei bis acht beschleunigt. Durch die Beschleunigung und die Reduktion der Abtastdichte in der Phasenkodierrichtung wird das FOV um einen entsprechenden Faktor R verringert. Diese Verringerung des FOV führt bei Objekten größerer Ausdehnung zu Einfaltungen (Fold over). Mit speziellen P-MRT-Rekonstruktionsmethoden werden diese Einfaltungen unter Zuhilfenahme der räumlichen Information der einzelnen Spulen rückgängig gemacht. Vorteil: signifikante Verkürzung der Bildmesszeit. Nachteil: Verminderung des SNR. Charakterisierung von SENSE und SMASH SENSE = Rekonstruktionsverfahren der Bildraumklasse: Die multiplen eingefalteten Bildkopien (nach Fourier-Transformation) werden im Bildraum unter Referenz auf die Empfindlichkeitsfunktion der Einzelspulen einer pixelweisen Matrixinversion unterzogen und auf das korrekte Gesamtbild zurückgerechnet = Rekonstruktion der Bildraummasse. SMASH = Rekonstruktionsverfahren der k-raum-klasse: Die fehlenden k-raum-linien werden mithilfe benachbarter aufgenommener k-raum-linien unter Zuhilfenahme der bekannten Spulensensitivitäten berechnet. Nach dieser k-raum-restaurierung wird das Bild durch die übliche Fourier-Transformation errechnet. Anwendungsgebiete der parallelen Bildgebung = Parallel Imaging: schnelle Funktionsuntersuchung des Herzens, First-Pass-Perfusion, MR-Koronarangiographie, MR-Gefäßwandimaging.
5 Schnelle Bildgebung 43 ky ky kx (kss) kx (kss) 4.11 Schema des Keyhole Imaging für die CE-MRA (modifiziert nach McRobbie et al. 2003) 4.12 Schema der elliptisch-zentrischen k-raum-auffüllung für die schnelle CE-MRA (modifiziert nach McRobbie et al. 2003) 4.13 k-raum: weitere Trajektorien durch den k-raum (Spiral) I 4.14 k-raum: weitere Trajektorien durch den k-raum (Radial) II 4.15 Sensitivity encoding 4.16 SENSE-Faktor 2: 50 % RFOV (halbe Messzeit)
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