Kardiale Magnetresonanztomographie bei 7 Tesla

Zusammenfassung

Die Empfindlichkeit Verstärkung, die höchste Bereich Magnetresonanz verspricht für räumlich hochauflösende Bildgebung des Herzens. Hier beschreiben wir ein Protokoll angepasst für funktionelle kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie (CMR) bei 7 Tesla mit einer erweiterten Multi-Channel-Radiofrequenz-Spule, Magnetfeld-Shim und einem auslösenden Konzept.

Zusammenfassung

CMR bei Ultra-Hochfeld (magnetische Feldstärke B₀ ≥ 7 Tesla) profitiert von der Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) Vorteil bei höheren Feldstärken inhärente und potentiell bietet verbesserte Signal Kontrast- und räumliche Auflösung. Vielversprechende Ergebnisse erzielt wurden, ist Ultra-Hochfeld CMR durch Energie Ablagerung Zwänge und physikalische Phänomene wie Übertragung Feld Ungleichförmigkeiten und Magnetfeld-Inhomogenitäten anspruchsvoll. Darüber hinaus macht der Magneto-hydrodynamische Effekt die Synchronisation der Datenerfassung mit der Herzbewegung schwierig. Die Herausforderungen werden derzeit von Erforschungen in neuartiger Magnet-Resonanz-Technologie behandelt. Wenn alle Hindernisse überwunden werden können, kann die Ultra-Hochfeld CMR neue Möglichkeiten für funktionale CMR, Herzmuskelgewebe Charakterisierung, Mikrostruktur Bildgebung oder metabolische Bildgebung generiert. Dieses Potenzial zu erkennen, wir zeigen, dass Multi-Channel-Radiofrequenz (RF) Coil Technologie für CMR bei 7 Tesla gemeinsam mit höherer Ordnung B₀ Shims und ein backup Signal maßgeschneidert für kardiale Auslösung High-Fidelity erleichtert funktionale CMR. Mit der vorgeschlagenen Einrichtung kann kardiale Kammer Quantifizierung in Untersuchungszeiten ähnlich denen bei geringeren Feldstärken erreicht erreicht werden. Um diese Erfahrung zu teilen und die Verbreitung dieses Know-how zu unterstützen, beschreibt diese Arbeit unserer Einrichtung und Protokoll für funktionale CMR bei 7 Tesla zugeschnitten.

Einleitung

Kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie (CMR) ist von bewährten klinischen Wert mit einer wachsenden Palette von klinischen Indikationen^1,2. Insbesondere die Beurteilung der kardiale Morphologie und Funktion von großer Bedeutung ist und in der Regel erkannte durch die Verfolgung und visualisieren die Herzbewegung während des gesamten Herzzyklus mit segmentierten Atem stockte zweidimensionale (2D) Cinematograpic ( CINE) bildgebende Verfahren. Während ein hoher räumlich-zeitliche Auflösung, hohe Blut-Myokard-Kontrast und hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erforderlich sind, wird die Datenerfassung hoch durch die Herz- und Atemwegserkrankungen Bewegung und den Einsatz von mehreren Atem hält, sowie die Notwendigkeit eingeschränkt. ganzem Herzen oder links-ventrikuläre führt Abdeckung häufig zu umfangreichen Scan-Zeiten. Parallele Bildgebung, gleichzeitige Multi-Slice-Bildgebung oder andere Beschleunigung Techniken helfen, die Bewegung im Zusammenhang mit Einschränkungen^3,4,5,6.

Darüber hinaus profitieren die inhärente SNR gewinnen bei höheren Magnetfeldern Hochfeld-Systeme mit B₀ = 3 Tesla in der klinischen Routine^7,8, werden vermehrt eingesetzt. Die Entwicklung hat auch Untersuchungen von Ultra-Hochfeld gefördert (B₀≥7 Tesla, f≥298 MHz) CMR^{9,10,11,12,13,14}. Der Gewinn an SNR und Blut-Myokard Kontrast zur höheren Feldstärke inhärenten hält das Versprechen in erweiterten funktionalen CMR mit einer räumlichen Auflösung, die heutigen Grenzen^15,16, überschreitet übertragbar sein ¹⁷. wiederum neue Möglichkeiten für Magnetresonanz (MR) basierte Herzmuskelgewebe Charakterisierung, metabolische Bildgebung und Mikrostruktur Bildgebung sind erwartete¹³. Bisher haben mehrere Gruppen gezeigt, die Machbarkeit der CMR bei 7 Tesla und speziell zugeschnittene Ultra-Hochfeld-Technologie wurde^{17,18,19,20eingeführt, 21,22}. In Bezug auf diese viel versprechende Entwicklungen, das Potenzial der Ultra-Hochfeld-CMR in Betracht gezogen werden kann, werden noch ungenutzte¹³. Gleichzeitig, physikalische Phänomene und praktische Hindernisse wie Magnetfeld-Inhomogenitäten, Radiofrequenz (RF) Erregung Feld Ungleichförmigkeiten, off-Resonance-Artefakte, dielektrische Effekte, lokalisierte Gewebe Heizung und Feldstärke unabhängige RF Power Ablagerung Einschränkungen machen Bildgebung bei Ultra-Hochfeld herausfordernde^10,17. Letztere arbeiten, RF induzierte Gewebe Heizung zu kontrollieren und einen gefahrlosen Betrieb sicherzustellen. Elektrokardiogramm (EKG) basierte auslösen kann darüber hinaus deutlich durch die Magneto-hydrodynamischen (MHD) Wirkung^19,23,24beeinflusst werden. Zur Bewältigung der Herausforderungen durch die kurze Wellenlänge im Gewebe induziert wurden viele Element Transceiver RF Spule Arrays maßgeschneidert für CMR bei 7 Tesla vorgeschlagenen^21,25,26,27. RF Parallelübertragung stellt Mittel für Übermittlungsfeld Formen, auch bekannt als B₁+ -Shim, wodurch die Magnetfeld-Inhomogenitäten und Anfälligkeit Artefakte^18,28zu reduzieren. Während in der gegenwärtigen Phase, einige dieser Maßnahmen könnte die experimentelle Komplexität erhöhen, die Konzepte hilfreich erwiesen und können übersetzt werden, um die klinische Feldstärken von CMR 1,5 T oder 3 T.

Derzeit ist 2D ausgewogene Steady-State kostenlose Präzession (bSSFP) CINE-Bildgebung Referenz für klinische funktionale CMR bei 1,5 T und 3 T¹. Vor kurzem, die Sequenz war erfolgreich bei 7 Tesla beschäftigt, aber eine große Anzahl von Herausforderungen bleiben¹⁹. Patienten spezifische B₁⁺ -Shim und zusätzliche RF Spule Anpassungen wurden eingesetzt, um RF Power Ablagerung Abhängigkeiten verwalten und sorgfältige B₀ Shimmen wurde durchgeführt, um typische Artefakte Streifenbildung Sequenz steuern. Mit eine durchschnittliche Scanzeit von 93 Minuten für links-ventrikuläre (LV) Funktion Bewertung verlängert die Bemühungen der Untersuchungszeiten klinisch akzeptablen Grenzen. Verwöhnte Gradienten-Echo-Sequenzen sorgen hier eine brauchbare Alternative. Bei 7 Tesla wurden insgesamt Untersuchungszeiten (29 ± 5) min für LV Funktion Bewertung gemeldet, auch klinische Bildgebung Protokolle im unteren Bereich stärken²¹entspricht. Dabei Basis verwöhnte gradient Echo CMR profitiert von der längeren T₁ Relaxationszeiten in Ultra-Hochfeld, die einen verbesserten Blut-Myokard-Kontrast überlegen Gradienten-Echo-Bildgebung bei 1,5 T. führen Dies macht subtile anatomische Strukturen wie der Herzbeutel, der Mitral- und dreiaufklappbar Ventile sowie die papillären Muskeln gut erkennbar. Letzterer, stimmt verwöhnte gradient Echo Basis kardiale Kammer Quantifizierung bei 7 Tesla eng mit LV Parameter aus 2D bSSFP CINE-Bildgebung bei 1,5 T²⁰. Darüber hinaus zeigte genau rechts-ventrikuläre (RV) Kammer Quantifizierung vor kurzem, machbar mit einer hohen Auflösung gradient Echo Sequenz mit 7 Tesla²⁹verwöhnt.

Erkennen die Herausforderungen und Chancen der CMR bei Ultra-Hochfeld, stellt diese Arbeit einen Setup und ein Protokoll für funktionale CMR Akquisitionen auf ein Prüfpräparat 7-Tesla-Forschung Scanner angepasst. Das Protokoll beschreibt die technischen Grundlagen, zeigt, wie Hindernisse überwunden werden können, und bietet praktische Überlegungen, die helfen, um den zusätzlichen experimentellen Aufwand gering zu halten. Das vorgeschlagene bildgebende Protokoll stellt eine vierfache Verbesserung der räumlichen Auflösung im Vergleich zu heutigen klinischen Praxis. Es soll einen Leitfaden für klinische Adapter, Arzt Wissenschaftler, translationale Forscher, Anwendungsexperten, Herr Röntgenassistenten, Technologen und Neueinsteiger in das Feld.

Protokoll

Die Studie ist zugelassen von der Ethikkommission der Universität von Queensland, Queensland, Australien und informierte Einwilligung eingeholt wurde, aller Fachrichtungen, die in die Studie eingeschlossen.

1. Themen

1. Rekrutieren Sie freiwillige Probanden über 18 Jahren intern an der University of Queensland.
2. Einwilligung nach Aufklärung
   1. Informieren Sie jedes Thema über mögliche Risiken der Untersuchung vor dem Betreten der Sicherheitszone Magnetresonanz-Bildgebung (MRI). Besprechen Sie gezielt, die ultrahohe Magnetfeldbelastung und mögliche Kontraindikationen für eine MRT-Untersuchung unterziehen. Dem Thema zu informieren, dass bei der Prüfung die Teilnahme freiwillig ist und das zu allen Zeiten kann er/Sie die Prüfung abbrechen. Einwilligung in schriftlicher Form.
   2. Erklären Sie den Ablauf des Teilnehmers. Da Bildgebung während durchgeführt wird Atem anhalten am Ende Ablauf und konsistente Atem Holding ist integraler Bestandteil der Bildqualität, Trainer das Thema Atemtechnik vor dem Scannen.
   3. Führen Sie Herr Sicherheit Screening zu allen Themen, vor dem Betreten der MRI-Sicherheitszone schriftlich und vor Betreten des Zimmers Scanner wieder. Schließen Sie aus, Patienten mit Kontraindikationen für eine MRT-Untersuchung (z.B., Herzschrittmacher, implantierten Defibrillatoren, andere unsichere medizinische Implantate oder Klaustrophobie) unterziehen.
3. Fragen Sie die Änderungenvorbehalten in Scrubs vor Betreten des Zimmers Scanner.

2. Vorbereitung

1. Richten Sie die zusätzliche Hardware erforderlich, um die speziellen 32 Kanal ¹H kardiale Transceiver (Tx/Rx) RF Spule²⁶ auf dem Patiententisch betreiben wie in Abbildung 1a und bdargelegt. Eine kleine Power Splitterbox (Abbildung 1 c) umfasst neben die zusätzlichen Spule Ausrüstung ein Power-Splitter-Box und Phase Shifter Box (Abbildung 1-d) und ein Tx/Rx-Interface-Box (Abbildung 1e) für jede der beiden RF Spule Abschnitte, die unten und oben auf das Thema platziert. Der größere Teil die lokalen beherbergt übertragen-Elektronik, die für Signal Erregung bei 7 Tesla erforderlich ist, da traditionelle Vogelkäfig Körper als bei 1,5 T bis 3,0 T verwendeten Spulen sind nicht verfügbar.
2. Legen Sie die zusätzliche RF Spule Hardware am oberen Ende der Patienten Tabelle wie in Abbildung 1 b und verbinden Sie die einzelnen Felder zusammen mit dem Bajonett Neill-Concelman (BNC) Kabel. Da der Abstand der Patiententisch in das MRI gesteuert werden kann Bohrung ist begrenzt, stellen sicher, dass lassen Sie ausreichend Platz auf dem Patiententisch für die Spule-Infrastruktur zu gewährleisten, dass das Thema Herzen kann, mit der Mitte der Spule an die Isozentrum des positioniert werden der Magnet.
3. Verbinden Sie die Tx/Rx-Schnittstelle-Boxen mit vier Spulen Stecker auf dem Patiententisch.
4. Legen Sie die Mitte des hinteren Spule Arrays 147 cm vom oberen Ende des Tisches Patienten (Abb. 1 b). Dieser Stelle definiert, wo die hintere Spule Array platziert werden, um sicherzustellen, dass das Thema Herz steht im Isozentrum des Magneten, wenn der Patiententisch maximal in die Bohrung getrieben wird. Die Platzierung auf der vordefinierten Spule Stelle ist entscheidend, um optimale Funktion zu gewährleisten. Bestimmen Sie die optimale Position des hinteren Spule Arrays sowie die Positionierung von Zusatzgeräten in Vorversuchen einschließlich mehrere Freiwillige unterschiedlicher Körpergröße.
5. Schließen Sie die vier Kabel des hinteren Spule Arrays in die entsprechenden Buchsen des Tx/Rx-Interface-Box für die hintere Reihe.
6. Verbinden Sie die vier Module des vorderen Spule Arrays sind mit Tx/Rx-Interface-Box für die oberste Reihe und die zusätzliche Spule Ausrüstung zum Thema Positionierung ermöglichen das Array umdrehen.
7. Legen Sie die drei EKG-Elektroden auf den Körper des Opfers. Folgen Sie den Kreditor Richtlinien für die Platzierung der Elektrode zum optimalen Betrieb des Systems Trigger Algorithmus zu gewährleisten.
8. Positionieren Sie das Motiv auf dem Patiententisch (Abb. 1f). Kritisch, stellen Sie sicher, dass des Subjekts Herzen positioniert ist zentral an der hinteren Spule Gewährleistung innerhalb der Isozentrum des Magneten scannen. Wie, je nach Höhe des Subjekts, den Kopf über die Spule/Interface Box Anschlüsse platziert werden, legen Sie die Kabel sorgfältig und entsprechende Dämpfung um des Thema Komfort und Compliance sicherzustellen.
9. Schließen Sie die Trigger-Gerät an der EKG-Elektroden.
10. Das Thema Zeigefinger die Puls-Trigger-Gerät zuordnen. Verwenden Sie dieses zweite Gerät zur Auslösung im Falle von schweren Verwerfungen der EKG-Signal durch den MHD-Effekt eingeführt.
11. Hand die Sicherheit drücken Ball zu den Themen.
12. Statten Sie das Thema mit Kopfhörer und Ohrhörer, die Lärmbelastung zu reduzieren und um die Kommunikation mit dem Thema ermöglichen.
13. Legen Sie die vordere Spule auf das Thema Brust, so, dass die Kabel, die an die Stecker, E-F und G-H anschließen nach rechts und links vom Kopf des Subjekts, bzw. befinden.
14. Fahren Sie das Thema in der Scanner-Bohrung. Durchführen Sie der Fahrbetrieb manuell und sicherstellen Sie, dass die Geschwindigkeitstaste Tabelle Steuerelemente in der off-Position für das Thema Sicherheit in das Fahrgeschehen. Verwenden Sie nicht der automatische Modus wie die Variablentabelle Geschwindigkeit in diesem Modus optimiert ist für Neuro-Bildgebung und die Distanz, die in der Tabelle automatisch in die Bohrung gefahren werden kann durch Scanner-Hardware begrenzt ist.
15. Überprüfen Sie, ob Kommunikation zum Thema über die Sprechanlage möglich ist und wenn das Thema gut fühlen.
16. MR-Bildgebung
    1. Ausführen grundlegender Localizer (Scout) scannt entlang der drei physische Gradienten Achsen für Slice Planung und B₀-Shim.
    2. Verwenden Sie einen ECG ausgelöst schnell niedrigen Winkel (FLASH) Sequenz mit den folgenden Parametern Erwerb gedreht: Sichtfeld (FOV) = 400 mm, Matrix = 192 x 144, Scheiben pro Farbverlaufsachse = 1, Dicke = 8 mm, echo der Zeit (TE) = 1.24, Wiederholzeit (TR) = 298 ms, Flipwinkel = 10°.
    3. Gelten parallel MRI mit Beschleunigungsfaktor = 2, Referenzlinien = 24 und generalisierte Autocalibrating teilweise parallel Übernahmen (GRAPPA) Wiederaufbau.
    4. Verwenden Sie die Localizer Images, um sicherzustellen, dass das Thema Herz im Isozentrum des Magneten positioniert ist. Positionieren Sie das Thema, wenn nötig.
17. 3^rd bestellen B0-Shim
    1. 3^rd -Order-Shim-Tool (Abbildung 2a) zu öffnen und alle 3^rd Auftrag Shim Strömungen (Abb. 2 b) zurückgesetzt.
    2. Verschreiben Sie die Shim-Lautstärke für richtige Shimmen über eine Region, die das Herz (Abbildung 2 c).
    3. Führen Sie ein nicht ausgelöst erweiterte Fluss 2D Multi-Echo Flash-Shim-Sequenz für die Berechnung der 3^rd Auftrag Shim Ströme ausgeglichen. Verwenden Sie die folgenden Parameter: FOV = 400 x 400 mm, Matrix = 80 x 80, Scheiben = 64, Dicke = 5,0 mm, TE1 = 3.06, TE2 = 5.10, TR = 7 ms, Flipwinkel = 20°, parallele MRI (GRAPPA), Beschleunigungsfaktor = 2, Referenzlinien = 24.
    4. Um zu berechnen, und wenden Sie die 3^rd Auftrag Shim Strömungen, öffnen Sie das nächste Protokoll und kopieren Sie die oben genannten Shim-Lautstärke. Führen Sie das SetShim -Programm im Menü "Start" (Abbildung 2a). Als nächstes öffnen Sie das Manuelle Anpassungen -Fenster im Menü " Optionen " (Abb. 2d). Klicken Sie in der Registerkarte " 3D Shim " berechnen | Wenden Sie auf die Shim-Ströme für den 2^Nd -Auftrag (Abb. 2e) festgelegt. Legen Sie abschließend die Shim-Ströme durch Anklicken Setzen Shim_3rd in 3^rd -Order-Shim-Tool (Abb. 2 b).
    5. Das Manuelle Einstellungen -Fenster zu schließen. Halten Sie die Shim-Lautstärke und die Shim-Ströme für den Rest der Prüfung behoben. Beachten Sie, dass das Shim Verfahren systemspezifisch hoch sein kann.
18. Lokalisierer zur Doppel-schräge Scheibe Planung Unterstützung zu erwerben. Sofern nicht anders angegeben, verwenden Sie einen Atem gehalten und ECG ausgelöst 2D Flash-Sequenz mit den folgenden Parametern für alle Localizer Messungen: FOV = 360 x 290 mm, Matrix 256 x 206, Dicke = = 6,0 mm, TE = 1,57, TR = 3,9 ms, Flipwinkel = 35°, parallele MRI (GRAPPA), Accelera Tion-Faktor: 2, Referenzlinien: 24. Raten Sie den Patienten, den Atem anzuhalten, im Ablauf. Beschäftigen Sie hohen Flip Winkeln zu oder verwenden Sie eine segmentierte Cine-Protokoll (siehe unten), um verbesserte Kontrast zu erzielen.
    1. Erwerben Sie die 2 Kammer Localizer (1 Scheibe), geplante senkrecht auf der axialen Scout parallel zur septal Wand (Abb. 3a).
    2. Die 4 Kammer Localizer (1 Scheibe), geplant senkrecht auf die 2 Kammer Localizer Scheibe durch die Mitralklappe und der Spitze des linken Ventrikels (Abb. 3 b) zu erwerben.
    3. Die kurze Achse Localizer zu erwerben (7 Scheiben, FOV = 360 x 330 mm), geplante senkrecht auf die 4 Kammer Localizer parallel zu der Mitralklappe und senkrecht zur septal Wand (Abb. 3 c).
19. Durchzuführen Sie die CINE-Akquisitionen. Einsatz ein hochauflösenden Atem ECG ausgelöst stockte segmentiert 2D Flash-Sequenz mit den folgenden Parametern: FOV = 360 x 270 mm, Matrix 256 X 192/264 x 352, Dicke = = 4,0 mm, TE = 3.14, TR = 6,3 ms, Flipwinkel = 35-55 °, Segmente = 7, parallel MRI (GRAPPA), Beschleunigung Fa Ctor = 2/3, zeitliche Auflösung = 42.6/44.3 ms.
    1. Beginnen Sie mit der linken Herzkammer 4 Kammer Ansicht (horizontale Längsachse, HLA) Scheiben. Planen Sie die zentrale Scheibe durch das Zentrum der Mitral- und dreiaufklappbar Ventile und der Spitze des linken Ventrikels (Abbildung 3d). Jede Scheibe innerhalb einer einzelnen Atem halten im Ablauf zu erwerben.
    2. Als nächstes erwerben Sie die linke Herzkammer kurze Achse Scheiben. Planen sie senkrecht zu der HLA und parallel zu der Mitralklappe, so dass es die ganze linke Herzkammer von der Basis zum Apex (Abbildung 3e bedeckt). Um genaue Funktionsprüfung zu gewährleisten, positionieren Sie die erste Scheibe genau an die Mitralklappe Packungsbeilage Einfügungen, so, dass das Zentrum der Scheibe innerhalb der Herzkammer ist. Jede Scheibe innerhalb einer einzelnen Atem halten im Ablauf wieder zu erwerben.

Ergebnisse

Repräsentative Ergebnisse der CINE Herzuntersuchungen abgeleitet von Freiwilligen sind in Abbildung 4dargestellt. Gezeigt sind systolischen und diastolischen Zeitfenster der kurze und eine lange Achse Vierkammer-Blick auf das menschliche Herz. Die deutlich höhere räumliche Auflösung für die kurze Achse Ansichten (Abbildung 4a, 4 b, 4e, 4f) im Vergleich zu der langen Achse An...

Diskussion

Funktionelle Untersuchungen der CMR konnte erfolgreich bei 7 Tesla durchgeführt werden. Basierend auf die Feldstärke SNR Gewinn getrieben, konnte CINE Bilder des menschlichen Herzens mit deutlich höherer räumlicher Auflösung im Vergleich zu 1,5 oder 3 T. erworben werden Während einer Scheibendicke von 6 bis 8 mm und in-Plane Voxel-Kante, die Längen von 1,2 bis 2,0 mm am unteren klinischen Bereich stärken^1,30, die Messungen bei 7 Tesla gebräuchlich sind m...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
7 Tesla MRI system	Siemens		Investigational Device
32-Channel -1H-Cardiac Coil	MRI.Tools GmbH		Transmit/Receive RF Coil for MR Imaging and Spectroscopy at 7.0 Tesla
ECG Trigger Device	Siemens
Pulse Trigger Device	Siemens