Risonanza magnetica cardiaca a 7 Tesla

Riepilogo

Il guadagno di sensibilità intrinseca alla risonanza magnetica ultraelevata campo tiene la promessa per l'imaging ad alta risoluzione spaziale del cuore. Qui, descriviamo un protocollo personalizzato per funzionale a risonanza magnetica cardiovascolare (CMR) a 7 Tesla utilizzando un'avanzato multi-canale radio-frequenza bobina, spessoramento del campo magnetico e un concetto d'avviamento.

Abstract

CMR ad un ultra-alto campo (campo magnetico B₀ ≥ 7 Tesla) beneficia il vantaggio del rapporto segnale-rumore (SNR) inerente alle più alte resistenze del campo magnetico e potenzialmente fornisce il segnale migliore contrasto e risoluzione spaziale. Mentre promettenti risultati sono stati raggiunti, ultra-alto campo CMR è difficile a causa di vincoli di deposizione di energia e fenomeni fisici come trasmissione campo non-uniformità e disomogeneità di campo magnetico. Inoltre, l'effetto magneto-idrodinamica rende difficile la sincronizzazione dell'acquisizione dei dati con il movimento cardiaco. Le sfide sono attualmente affrontate dalle esplorazioni nella tecnologia di romanzo a risonanza magnetica. Se tutti gli ostacoli possono essere superati, ultra-alto campo CMR può generare nuove opportunità di CMR funzionale, caratterizzazione di tessuto miocardico, microstruttura imaging o formazione immagine metabolica. Riconoscendo questo potenziale, mostriamo che tecnologia coil multi-canale radio frequenza (RF) su misura per CMR a 7 Tesla insieme al più alto ordine B₀ spessoramento e un segnale di backup per triggering cardiaco facilita ad alta fedeltà CMR funzionale. Con la configurazione proposta, quantificazione camera cardiaca può essere realizzato in tempi di esame simili a quelli realizzati a bassa intensità di campo. Per condividere questa esperienza e per sostenere la diffusione di questo know-how, questo lavoro descrive la nostra installazione e protocollo su misura per CMR funzionale alle 7 Tesla.

Introduzione

A risonanza magnetica cardiovascolare (CMR) è di comprovato valore clinico con una gamma crescente di indicazioni cliniche^1,2. In particolare, la valutazione della morfologia cardiaca e funzione è di grande rilevanza e tipicamente realizzato da rilevamento e visualizzazione che il movimento del cuore durante l'intero ciclo cardiaco utilizzando segmentato (alito-tenuta bidimensionale (2D) cinematograpic Tecniche di imaging CINE). Mentre un alta risoluzione spazio-temporale e sangue-miocardio alto contrasto elevato rapporto segnale-rumore (SNR) sono richiesti, l'acquisizione di dati altamente è vincolato tramite il movimento cardiaco e respiratorio e l'uso di più respiro-stive, nonché la necessità per tutto il cuore o ventricolare sinistra copertura conduce spesso ai tempi di scansione completa. Imaging parallelo, la formazione immagine simultanea multi-slice o altre tecniche di aiutano ad per affrontare il movimento di accelerazione relativi vincoli^3,4,5,6.

Inoltre, di beneficiare di guadagno il SNR inerente alle più alti campi magnetici, sistemi ad alto campo con B₀ = 3 Tesla sono sempre più impiegati nella routine clinica^7,8. Lo sviluppo ha anche incoraggiato le indagini in ultra-alto campo (B₀≥ 7 Tesla, f≥298 MHz) CMR^{9,10,11,12,13,14}. L'aumento di contrasto SNR e sangue-miocardio inerente alla resistenza del campo superiore mantiene la promessa di essere trasferibili in avanzata CMR funzionali utilizzando una risoluzione spaziale che supera i limiti^15,16, oggi ¹⁷. A sua volta, nuove possibilità per la risonanza magnetica (MR) basato caratterizzazione del tessuto miocardico, formazione immagine metabolica e microstruttura imaging sono attesi¹³. Finora, i diversi gruppi hanno dimostrato la fattibilità della CMR a 7 Tesla e specificamente su misura campo ultra-alta tecnologia è stato introdotto^{17,18,19,20, 21,22}. Per quanto riguarda questi sviluppi promettenti, il potenziale di ultra-alto campo che CMR può essere considerato ancora non sfruttato¹³. Allo stesso tempo, fenomeni fisici e gli ostacoli pratici come disomogeneità di campo magnetico, radio frequenza (RF) eccitazione campo non-uniformità, manufatti fuori risonanza, effetti dielettrici, localizzata dei tessuti riscaldamento e resistenza del campo i vincoli indipendenti di deposizione di potenza RF fare imaging ad ultra-alto campo impegnativo^10,17. Questi ultimi sono impiegati per controllare il riscaldamento del tessuto RF indotta e per garantire un funzionamento sicuro. Inoltre, elettrocardiogramma (ECG) basata di attivazione può essere significativamente influenzata dal^23,19,di effetto magneto-idrodinamica (MHD)²⁴. Per affrontare le sfide indotte dalla lunghezza d'onda corta in tessuto, matrici di bobina RF ricetrasmettitore molti elementi su misura per CMR a 7 Tesla erano proposti^21,25,26,27. Trasmissione di RF parallela fornisce mezzi per campo di trasmissione che modella, noto anche come B₁+ spessoramento, che permette di ridurre il campo magnetico disomogeneità e suscettibilità manufatti^18,28. Mentre allo stato attuale, alcune di queste misure potrebbe aumentare la complessità sperimentale, i concetti hanno dimostrato utili e possono essere tradotta per i punti di forza di campo clinico di CMR 1,5 T o T. 3

Attualmente, 2D stazionario equilibrato precessione libera (bSSFP) CINE imaging è lo standard di riferimento per CMR clinico funzionale a 1.5 T e 3 T¹. Recentemente, la sequenza è stata impiegata con successo a 7 Tesla, ma un gran numero di sfide rimanga¹⁹. Paziente specifico B₁⁺ spessoramento e regolazioni di bobina RF supplementare sono state applicate per gestire i vincoli di deposizione di potenza RF e attenta B₀ spessoramento è stato effettuato per controllare la sequenza tipica della fascia di artefatti. Con un tempo di scansione medio di 93 minuti per valutazione di funzione ventricolare sinistra (LV), gli sforzi prolungati i tempi di esame oltre limiti clinicamente accettabili. Qui, sequenze di eco di pendenza viziato forniscono una valida alternativa. A 7 Tesla, tempi di esame totale di min (29 ± 5) per la valutazione di funzione di LV sono stati segnalati, che corrisponde anche a protocolli di imaging clinici a bassa forza di campo²¹. Quindi, Eco di pendenza viziato basato beneficia CMR i prolungato T₁ tempi di rilassamento ad ultra-alto campo che si traducono in un contrasto maggiore sangue-miocardio superiore a formazione immagine di eco di pendenza a 1,5 T. Questo rende sottili strutture anatomiche come il pericardio, la mitrale e tricuspid valvole nonché i muscoli papillari ben identificabili. È, quantificazione di camera cardiaca di eco di pendenza viziato basato a 7 Tesla concorda strettamente con LV parametri derivati da formazione immagine di CINE bSSFP 2D a 1,5 T²⁰. A parte questo, quantificazione accurata delle camera ventricolare di destra (RV) è stato recentemente dimostrato fattibile usare una risoluzione alta viziati sequenza di eco di pendenza a 7 Tesla²⁹.

Riconoscendo le sfide e le opportunità della CMR ad ultra-alto campo, questo lavoro presenta un protocollo personalizzato per acquisizioni di CMR funzionale su scanner di ricerca 7 Tesla in fase di sperimentazione e installazione. Il protocollo delinea i fondamenti tecnici, spettacoli come impedimenti possono essere superate e fornisce considerazioni pratiche che aiutano a mantenere il sovraccarico aggiuntivo sperimentale al minimo. Proposta di protocollo imaging costituisce un miglioramento quadruplo in risoluzione spaziale contro pratica clinica di oggi. Esso intende fornire una linea guida per adattatori clinici, medico scienziati, ricercatori traslazionali, esperti di applicazioni, signor radiologi, tecnologi e nuovi operatori nel campo.

Protocollo

Lo studio è approvato dal comitato etico dell'Università del Queensland, il Queensland, l'Australia e il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti inclusi nello studio.

1. soggetti

1. Reclutare volontari soggetti di età superiore a 18 anni internamente presso la University of Queensland.
2. Consenso informato
   1. Informare ciascun soggetto sui potenziali rischi di subire l'esame prima di entrare nella zona di sicurezza di risonanza magnetica (MRI). In particolare, di discutere l'esposizione di ultra-alto campo magnetico e le possibili controindicazioni destinati a subire un esame di MRI. Informare il soggetto che partecipa all'esame è volontaria e che in ogni momento lui/lei può interrompere l'esame. Ottenere il consenso informato per iscritto.
   2. Spiegare la procedura al partecipante. Dal momento che la formazione immagine è effettuata durante respiro tenere alla scadenza di fine e coerente apnea è parte integrante della qualità d'immagine, allenatore il soggetto sulla respirazione tecnica prima della scansione.
   3. Eseguire lo screening di sicurezza del signor su tutti gli argomenti prima di entrare nella zona di sicurezza di MRI nella scrittura ed ancora prima di entrare nella stanza dello scanner. Escludere i soggetti con controindicazioni destinati a subire un esame di MRI (per esempio, pacemaker, defibrillatori impiantati, altre protesi mediche non sicure o claustrofobia).
3. Chiedere al soggetto di cambiare in scrub prima di entrare nella stanza dello scanner.

2. preparazione

1. Impostare l'hardware aggiuntivo richiesto per fare funzionare il 32 canale dedicato ¹H cardiaca ricetrasmettitore (Tx/Rx) RF bobina²⁶ sul tavolo paziente come indicato in Figura 1a e b. A parte una scatola di splitter di piccola potenza (Figura 1C), l'apparecchiatura di serpentino ausiliario comprende uno splitter scatola di alimentazione e scatola del cambio di fase (Figura 1D) e una scatola di interfaccia di Tx/Rx (Figura 1e) per ciascuna delle due sezioni della bobina RF che sarà collocato di sotto e sopra il soggetto. La maggior parte può ospitare il locale trasmissione elettronica, che è necessaria per l'eccitazione del segnale a 7 Tesla, poiché corpo tradizionale birdcage bobine come comunemente impiegate a 1.5 T e 3.0 T non sono disponibile.
2. Inserire l'hardware aggiuntivo della bobina RF all'estremità superiore del tavolo paziente come indicato in Figura 1b e collegare le singole caselle insieme ai cavi di Bayonet Neill-Concelman (BNC). Poiché la distanza che la tabella paziente possa essere guidata in MRI foro è limitato, assicurarsi di lasciare sufficiente spazio sul tavolo paziente per l'infrastruttura di bobina per garantire che il cuore del soggetto può essere posizionato con il centro della bobina presso isocenter di il magnete.
3. Collegare le caselle di interfaccia di Tx/Rx per le spine di quattro bobina sul tavolo paziente.
4. Posizionare il centro della matrice bobina posteriore 147 cm dall'estremità superiore del tavolo paziente (Figura 1b). Questo posto definisce dove la matrice di bobina posteriore deve essere posizionato per verificare che cuore del soggetto presso isocenter del magnete nel caso in cui la tabella paziente è guidata al massimo nel foro. Il posizionamento sul posto bobina predefiniti è fondamentale, per garantire un funzionamento ottimale. Determinare la posizione ottimale della matrice bobina posteriore così come il posizionamento delle apparecchiature ausiliarie nei test preliminari, tra cui diversi volontari di altezza differenti del corpo.
5. Collegare i quattro cavi della matrice bobina posteriore prese appropriate della finestra di interfaccia Tx/Rx per la matrice posteriore.
6. Collegare i quattro moduli della matrice anteriore bobina sono con la scatola di interfaccia di Tx/Rx per la matrice superiore e capovolgere la matrice sopra l'apparecchiatura di serpentino ausiliario per consentire per il posizionamento del soggetto.
7. Collegare i tre elettrodi dell'ECG al corpo del soggetto. Seguire le istruzioni del fornitore per il posizionamento degli elettrodi garantire un funzionamento ottimale dell'algoritmo di innesco del sistema.
8. Posizionare il soggetto sul tavolo paziente (Figura 1f). Criticamente, assicurarsi che il cuore del soggetto è posizionato centrale alla bobina posteriore al fine di garantire la scansione all'interno isocenter del magnete. Come, a seconda dell'altezza del soggetto, la testa dovrà essere posizionato sopra i connettori scatola bobina/interfaccia, posizionare i cavi con cura e uso appropriato di ammortizzazione per garantire comfort e rispetto del soggetto.
9. Collegare il dispositivo di innesco agli elettrodi ECG.
10. Collegare il dispositivo di innesco impulso al dito indice del soggetto. Utilizzare questo secondo dispositivo per l'avviamento in caso di gravi distorsioni del segnale ECG introdotto dall'effetto di MHD.
11. Mano la sicurezza spremere palla ai soggetti.
12. Dotare il soggetto di cuffie e auricolari per ridurre l'esposizione al rumore e per consentire la comunicazione con il soggetto.
13. Posizionare la bobina anteriore sul petto del soggetto, tale che i cavi che collegano ai tasselli ad E-F e G-H si trovano a destra e a sinistra della testa del soggetto, rispettivamente.
14. Guidare il soggetto nel foro dello scanner. Eseguire manualmente l'operazione di guida e assicurarsi che il pulsante della velocità dei controlli tabella sia in posizione off per garantire la sicurezza del soggetto durante il processo di guida. Non utilizzare che la modalità automatica come la velocità variabile tabella in questa modalità è ottimizzata per neuro imaging e la distanza che della tabella possa essere guidata automaticamente nel foro è limitata dall'hardware dello scanner.
15. Verifica se la comunicazione al soggetto attraverso l'interfono è possibile e se il soggetto si sente bene.
16. RISONANZA magnetica
    1. Esecuzione base localizzatore (scout) esegue la scansione lungo i tre assi fisici gradienti per la sezione pianificazione e B₀-spessoramento.
    2. Utilizzare un ECG-innescato veloce basso angolo girato sequenza (FLASH) con i seguenti parametri di acquisizione: campo visivo (FOV) = 400 mm, matrice = 192 x 144, fette per asse delle sfumature = 1, spessore = 8 mm, echo tempo (TE) = 1,24, tempo di ripetizione (TR) = 298 ms, flip angle = 10°.
    3. Applicare parallelo MRI con fattore di accelerazione = 2, linee di riferimento = 24 ed ha generalizzato la ricostruzione di autocalibrating parzialmente parallelo acquisizioni (GRAPPA).
    4. Utilizzare le immagini di localizzatore per verificare che il cuore del soggetto è posizionato nella isocenter del magnete. Se necessario, riposizionare il soggetto.
17. ordine 3^rd B0-spessoramento
    1. Aprire lo strumento di shim di ordine 3^rd (Figura 2a) e reimpostare tutte le 3^rd ordine shim le correnti (Figura 2b).
    2. Prescrivere il volume di spessore adeguato spessoramento sopra una regione che copre il cuore (Figura 2C).
    3. Eseguire che un flusso avanzato non innescato compensata sequenza 2D multi-eco FLASH shim per il calcolo delle correnti di shim di ordine^rd 3. Utilizzare i seguenti parametri: FOV = 400 x 400 mm, matrice = 80 x 80, fette = 64, spessore = 5,0 mm, TE1 = 3.06, TE2 = 5.10, TR = 7 ms, flip angle = 20 °, parallelo MRI (GRAPPA), fattore di accelerazione = 2, linee di riferimento = 24.
    4. Per calcolare e applicare le 3 correnti di shim ordine^rd , aprire il protocollo successivo e copiare il volume suddetto shim. Eseguire il programma di SetShim nel menu start (Figura 2a). Successivamente, aprire la finestra di Regolazione manuale nel menu Opzioni (figura 2d). Nella scheda Shim 3D , fare clic su Calculate | Applicare per impostare le correnti di shim per l'ordine di 2^nd (Figura 2e). Infine, è possibile impostare le correnti di shim facendo clic Shim_3rd impostare lo strumento di shim di ordine 3^rd (Figura 2b).
    5. Chiudere la finestra di Regolazione manuale . Mantenere il volume di spessore e le correnti di spessore fissate per tutto il resto dell'esame. Si noti che la procedura di spessoramento può essere altamente specifico del sistema.
18. Acquisire nuovi localizzatori per supportare double-obliquo fetta pianificazione. A meno che non diversamente specificato, utilizzare un respiro tenuto e sequenza FLASH 2D ECG-innescato con i seguenti parametri per tutte le misurazioni di localizzatore: FOV = 360 x 290 mm, matrice = 256 x 206, spessore = 6,0 mm, TE = 1,57, TR = 3,9 ms, flip angle = 35 °, parallelo MRI (GRAPPA), accelera zione fattore: 2, linee di riferimento: 24. Consigliare al paziente di trattenere il respiro in scadenza. Impiegano elevati angoli flip o utilizzare un protocollo di cine segmentato (Vedi sotto) per ottenere la migliore qualità di contrasto.
    1. Acquisire il localizzatore camera 2 (1 fetta), pianificato perpendicolare sul scout assiale parallelo alla parete settale (Figura 3a).
    2. Acquisire la perpendicolare di localizzatore (1 fetta), programmato 4 camera sulla fetta 2 vano localizzatore attraverso la valvola mitrale e l'apice del ventricolo sinistro (Figura 3b).
    3. Acquisire il localizzatore di asse corto (7 fette, FOV = 360 x 330 mm), pianificata perpendicolare sul localizzatore 4 camera parallelo alla valvola mitrale e perpendicolare alla parete settale (Figura 3C).
19. Eseguire le acquisizioni di CINE. Uso un respiro di alta risoluzione tenuto ECG-innescato segmentato sequenza FLASH 2D con i seguenti parametri: FOV = 360 x 270 mm, matrice = 256 x 192/264 x 352, spessore = 4,0 mm, TE = 3.14, TR = 6,3 ms, flip angle = 35-55 °, segmenti = 7, MRI (GRAPPA), fa di accelerazione in parallelo ctor = 2/3, risoluzione temporale = 42.6/44.3 ms.
    1. Iniziare con la vista di 4 camera ventricolare sinistra (asse lungo orizzontale, HLA) fette. Pianificare la fetta centrale attraverso il centro della mitrale e tricuspid valvole e l'apice del ventricolo sinistro (figura 3d). Acquisire ogni fetta all'interno di una tenuta di respiro individuale in scadenza.
    2. Successivamente, acquisire le fette di asse corto ventricolare sinistro. Piano perpendicolare al HLA e parallelo alla valvola mitrale in modo che copra il ventricolo sinistro tutto dalla base all'apice (Figura 3e). Affinché la prova accurata di funzione, posizionare la prima fetta con precisione alle operazioni di inserimento foglio illustrativo della valvola mitrale, in modo che il centro della fetta è all'interno del ventricolo. Ancora una volta, acquisire ogni fetta all'interno di una tenuta di respiro individuale in scadenza.

Risultati

Risultati rappresentativi di esami cardiaci CINE derivati da volontari sono rappresentati in Figura 4. Vengono mostrati diastoliche e sistolica tempi di asse corto e un asse lungo di quattro-alloggiamento viste del cuore umano. La risoluzione spaziale significativamente più alta per i panorami di asse corto (Figura 4a, 4b, 4e, 4f) rispetto alle viste asse lungo (

Discussione

Gli esami di CMR funzionali potrebbero essere condotte con successo a 7 Tesla. Basato sull'intensità di campo guidato guadagno SNR, immagini CINE del cuore umano potrebbero essere acquistati con risoluzione spaziale significativamente più alto rispetto a 1,5 o 3 T. Mentre uno spessore fetta di 6 a 8 mm e in piano bordo voxel lunghezze di 1.2-2.0 millimetri sono comunemente usate a basso campo clinico punti di forza^1,30, le misurazioni a 7 Tesla potrebbe effettu...

Materiali

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