German Title: Entwicklung und Optimierung von RadialTechniken für die Natrium-Magnetresonanzbildgebung

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Abstract

The goal of this work was to provide techniques and hardware for 23Na MRI of the human brain, heart and muscle in a clinical scanner at 1.5T. For this purpose, radiofrequency (RF) coils were developed and a transmit/receive switch was adapted to 16.84 MHz. A 3D radial gradient echo (GRE) sequence was implemented, with a minimum echo time TEmin = 0.07ms for 1H and 0.2ms for 23Na, allowing to detect both the short (T2= 0.5ms) and the long (T2= 12-25ms) components of the 23Na NMR signal for total 23Na content evaluation. A gridding reconstruction algorithm with a Kaiser-Bessel window and a rho filter was implemented and optimised for both 23Na and 1H MRI. At an acquisition time Tacq= 10min and a nominal resolution Dx= 4mm, the signal-to-noise ratio SNR of the in-vivo 23Na 3D radial images was twofold higher than in standard cartesian GRE MRI (TEmin= 2ms). In the radial images blurring due to T2 signal decay during data acquisition was observed, reducing the resolution by approximately a factor of two. Both cartesian and radial GRE methods were compared at 1.5T and 4T. An SNR increase of SNR(4T)/SNR(1.5T) ~4 was measured in-vivo. In brain tumour patients, a 20% 23Na MRI signal increase in the tumour region was detected. A contrast-to-noise ratio CNR = 23% between healthy tissue and tumour achieved with the 3D radial was 20% higher than the CNR of the cartesian sequence. In patients with a 23Na channel disfunction, a 23Na MRI signal increase of ~10% was measured. This method allows for the detection of changes in the intracellular 23Na concentration and may provide a new tool to non-invasively evaluate tissue vitality.

Translation of abstract (English)

Das Ziel dieser Arbeit war die Bereitstellung von Techniken und Hardware für die 23Na-MRT des menschlichen Gehirns, Herzens und Muskels an einem klinischen Tomographen bei 1.5T. Zu diesem Zweck wurden Hochfrequenz-(HF)-spulen entwickelt und Sende-Empfangsweichen auf 16.84MHz angepasst. Eine radiale 3D Gradientenecho-(GRE)-sequenz wurde mit einer minimalen Echozeit von TEmin= 0.07ms für 1H und 0.2ms für 23Na implementiert, um sowohl die kurze (T2= 0.5ms) als auch die lange (T2= 12-25ms) Komponente des 23Na NMR Signals bei der Messung des gesamten Natriumgehalts zu detektieren. Ein Gridding Rekonstruktionsalgorithmus mit einem rho-Filter und einem Kaiser-Bessel-Fenster wurde implementiert und sowohl für 23Na als auch für 1H MRT optimiert. Bei einer Gesamtmesszeit von Tacq= 10min und einer nominellen Auflösung von Dx= 4mm wurde ein zweifach höheres Signal-zu-Rausch Verhältnis SNR in in-vivo 23Na Radialbildern beobachtet als in konventionellen cartesischen 3D GRE Daten. In den Radialbildern wurden aufgrund des T2-Signalzerfalls während der Datenaufnahme Unschärfen beobachtet, die die Auflösung um einen Faktor von ungefähr zwei reduzierten. Sowohl cartesische als auch radiale GRE-Methoden wurden bei 1.5T und 4T miteinander verglichen. Eine Zunahme des SNR von SNR(4T)/SNR(1.5T) ~4 wurde in-vivo gemessen. In Hirntumorpatienten wurde eine 20%ige Zunahme des 23Na MR Signals in der Tumorregion detektiert. Das Kontrast-zu-Rausch Verhältnis CNR= 23% zwischen gesundem Gewebe und Tumor gemessen mit der 3D Radialtechnik war 20% grösser als das CNR der cartesischen Sequenz. In Patienten mit einer Disfunktion der Natriumkanle der Zelle wurde eine 23Na Signalerhöhung von 10% gemessen. Diese Methode erlaubt es, Änderungen der intrazellulären 23Na Konzentration zu detektieren und könnte ein neues Werkzeug zur nichtinvasiven Evaluation der Gewebevitalität darstellen.