German Title: Entwicklung neuartiger Methoden in der quantitativen Magnetresonanztomographie

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Abstract

Quantitative magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive and versatile tool for the assessment of anatomical structures. In recent years, MRI has evolved rapidly and is of high clinical interest because of its potential to distinguish diseased from healthy tissue. A variety of methods have been proposed for quantitative cardiac MRI, but insufficient precision and practicality limit its clinical use. One objective of this work was to analyze the effects of blood flow in relation to T1 relaxation times of blood for conventional inversion recovery (IR) and saturation recovery (SR) methods. Simulations, phantom, and in vivo experiments were performed to validate the effects of flow. The in-flow of non-prepared spins resulted in decreased T1 times, and thus SR methods were found to be more resistant to flow effects. Based on this, a sequence was developed for simultaneous quantification of T1, T2, and T2*. Phantom measurements were performed with high accuracy in agreement with simulations and good visual image quality was observed in the myocardium compared to reference methods and in patients. In the second part of the work, a novel renal magnetic resonance fingerprinting (MRF) approach was developed for the simultaneous quantification of T1 and T2* within four slices. Simulations showed good agreement with phantom measurements and a convergence of the reconstructed relaxation times. In vivo measurements benefited from a 10-fold speedup compared to conventional methods and good reproducibility for repeated measurements. Additionally, this technique has been used in brain scans at two centers to study white matter lesions in patients with multiple sclerosis. Complex and computationally costly data processing was replaced by a neural network combining noise reduction, T1 and T2* reconstruction, distortion correction, and white matter, gray matter and lesion segmentation. Robust and accurate parameter maps provide reconstructions with a 100-fold speed up, and therefore ideal for clinical applications.

Translation of abstract (German)

Die quantitative Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein nicht-invasives und vielseitiges Werkzeug für die Beurteilung anatomischer Strukturen. In den letzten Jahren hat sich die MRT rasant weiterentwickelt und ist aufgrund ihres Potenzials, krankes von gesundem Gewebe zu unterscheiden, von hohem klinischen Interesse. Speziell für die quantitative kardiale MRT wurde eine Vielzahl von Methoden vorgeschlagen, aber unzureichende Präzision und Praktikabilität begrenzen den klinischen Einsatz. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen des Blutflusses in Bezug auf die T1-Relaxationszeiten des Blutes für konventionelle Inversions- (IR) und Saturierungs- (SR) Methoden zu analysieren. Es wurden Simulationen, Phantom- und in vivo-Experimente durchgeführt, um die Auswirkungen des Flusses zu validieren. Der Einlauf von nicht preparierten Spins führte zu verringerten T1-Zeiten, und somit erwiesen sich die SR-Methoden als resistenter gegenüber Flusseffekten. Darauf basierend wurde eine Sequenz zur simultanen Quantifizierung von T1, T2 und T2* entwickelt. Phantommessungen wurden mit hoher Genauigkeit in Übereinstimmung mit Simulationen durchgeführt und es wurde eine gute visuelle Bildqualität im Myokard im Vergleich zu Referenzmethoden und in Patienten beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein neuartiger renaler Magnetresonanz-Fingerabdruck (MRF)-Ansatz zur simultanen Bestimmung von T1 und T2* innerhalb von vier Schichten entwickelt. Simulationen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Phantommessungen und Konvergenz der rekonstruierten Relaxationszeiten. In vivo Messungen profitieren von einer 10-fachen Beschleunigung im Vergleich zu konventionellen Methoden und guter Reproduzierbarkeit bei wiederholten Messungen. Zusätzlich wurde diese Technik in Kopf Messungen benutzt und an zwei Zentren zur Untersuchung von Läsionen der weißen Substanz bei Patienten mit Multipler Sklerose eingesetzt. Die komplexe und rechenintensive Datenverarbeitung wurde durch ein neuronales Netzwerk ersetzt, und dabei das Rauschunterdrückung, die Rekonstruktion von T1 und T2*, die Verzerrungskorrektur und die Segmentierung der weißen Substanz, grauen Substanz und Läsionen kombiniert. Robuste und genaue Parameterkarten liefert die Rekonstruktion mit 100-facher Beschleunigung, und somit ideal für klinische Anwendungen.