Development of a novel spherical navigator-based motion measurement technique in magnetic resonance imaging

Buschbeck, Richard Peter Martin; Fitter, Jörg Ludwig (Thesis advisor); Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Patientenbewegungen sind ein häufiges Problem in der Magnetresonanztomographie (MRT), das erhebliche Verschlechterungen der Bildqualität verursacht. Während viele Techniken für Bewegungskorrekturen zur Verfügungen stehen, benötigen die meisten davon zeitaufgelöste Informationen über die Bewegungen, die während des MRT-Scans passieren. Ein Möglichkeit 3D-Starrkörperbewegungen des Patienten zu messen sind sogenannte sphärische Navigatorscans (SNAVs). SNAVs haben eine exzellente klinische Machbarkeit, kommen bisher jedoch noch nicht flächendeckend zur Anwendung, weil die vorhandenen Techniken an einigen technischen und praktischen Einschränkungen kranken. Diese Doktorarbeit untersucht eine neue SNAV-Technik, die das Ziel hat einige dieser Probleme zu lösen. Das vorgeschlagene SNAV-Konzept nutzt einen sphärische Lissajous-Navigator (LNAV) bei einem k-Raum-Radius von 0,1/cm. Dieser Wert ist >70% kleiner als die im bisherigen Stand der Technik genutzten Radien und wurde bisher als nicht nutzbar angesehen aufgrund von Limitierungen der SNAV-Trajektorien und der Verarbeitungsalgorithmen. Im Gegensatz zu den üblicherweise genutzten helikalen Spiraltraketorien, benötigen LNAVs nur eine einzige RF-Anregung, sie können sehr schnell bei kleinen Radien aufgenommen werden und haben moderate Gradientenanforderungen. LNAV-basierte Rotationsbestimmungen werden mit Hilfe eines auf Kugelflächenfunktionen basierenden Algorithmus aus der Computervision berechnet, der in der Lage ist mit der kleinen Anzahl an Magnitudenmerkmalen bei kleinen Radien zurecht zu kommen. Die Translationen werden wie in der Literatur beschrieben berechnet. Phantom- und In-Vivo-Messungen mit einem kommerziellen 3T-MRT-Scanner sowie Simulationen wurden durchgeführt um die Leistungsfähigkeit der neuen Technik zu untersuchen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die neue Technik erhebliche Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik hat, während die Bewegungsmessgenauigkeiten vergleichbar im Sub-Grad- und Sub-Millimeter-Bereich liegen. Die wichtigsten Vorteile sind die verringerte Aufnahmedauer der LNAVs (<5ms), ein deutlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis, Gradientenanforderungen deutlich unterhalb der Grenzen des MRT-Scanners und eine erheblich verringerte Komplexität der Berechnungen, welche Berechnungszeiten von <18ms auf einem konventionellen Laptop ermöglicht. Letzteres könnte die Technik möglicherweise für Anwendungen im Bereich der prospektiven Bewegungskorrekturen eignen. Diese Arbeit ist ein Machbarkeitsnachweis, der die Möglichkeit von Bewegungsmessungen mit dem neuen LNAV-Konzept zeigt. Die Ergebnisse könnten als Basis für weitere Entwicklungen dienen und möglicherweise die Leistungsfähigkeit von SNAV-basierten Bewegungskorrekturen in der MRT erhöhen.