Iterative Reconstruction Methods to Reduce Respiratory Motion Artifacts in Cartesian Coronary MRI

dc.contributorHornegger, Joachim
dc.contributorStuber, Matthias
dc.contributor.authorForman, Christoph
dc.date.accessioned2017-07-31
dc.date.available2017-07-14
dc.date.created2017
dc.date.issued2017-07-31
dc.description.abstractCardiovascular diseases and coronary artery disease (CAD) in particular are the leading cause of death in most developed countries worldwide. Although CAD progresses slowly over several years, it often remains unnoticed and may lead to myocardial infarction in a sudden event. For this reason, there is a strong clinical need for the development of non-invasive and radiation-free screening methods allowing for an early diagnosis of these diseases. In this context, magnetic resonance imaging (MRI) represents a promising imaging modality. However, the slow acquisition process and the consequent susceptibility to artifacts due to cardiac and respiratory motion are major challenges for coronary MRI and have so far hindered its routine application in clinical examinations. Commonly, respiratory motion is addressed during free-breathing acquisitions by gating the scan to a consistent respiratory phase in end-expiration with a navigator monitoring the patient's diaphragm. Acceptance rates below 40% lead to a prolonged total acquisition time that is also not predictable in advance. In this work, a novel variable-density spiral phyllotaxis pattern is introduced for free-breathing whole-heart coronary MRI. It provides an incoherent sub-sampling of the Cartesian phase-encoding plane and allows for highly accelerated data acquisition when combined with compressed sensing reconstruction. With this sampling pattern, sub-sampling rates up to 10.2 enable a significant reduction of the total acquisition time. Furthermore, this sampling pattern is well-prepared for respiratory self-navigation, which performs respiratory motion compensation solely relying on the acquired imaging data and promises full scan efficiency. In this context, a novel motion detection approach is proposed that provides a robust tracking of respiration. However, 1-D motion compensation based on respiratory self-navigation was found to be not always sufficient for Cartesian imaging. Hence, an alternative method is presented to reduce the effects of respiration following the concept of weighted iterative reconstruction. In this technique, inconsistencies introduced by respiratory motion during data acquisition are addressed by weighting the least squares optimization according to a data consistency measure that is obtained from respiratory self-navigation. This approach forms the basis for an extension to a motion-compensated reconstruction with a dense, non-rigid motion model. With the proposed method, motion-compensated reconstruction was enabled for the first time in 3-D whole-heart imaging without the need for either additional calibration data or manual user interaction. The techniques presented in this thesis were fully integrated in a clinical MR scanner and tested in 14 volunteers. These results were compared to a navigator-gated reference acquisition. The acquisition time of the navigator-gated reference acquisition of 10.1 ± 2.3 min was reduced by one third to 6.3 ± 0.9 min with the proposed method utilizing respiratory self-navigation. After motion-compensated reconstruction, assessment of image quality revealed no significant differences com- pared to the images of the reference acquisition. Vessel sharpness was measured as 0.44 ± 0.05 mm−1 and 0.45 ± 0.05 mm−1 for RCA, and 0.39 ± 0.04 mm−1 and 0.40 ± 0.05 mm−1 for LAD, respectively.en
dc.description.abstractKardiovaskuläre Krankheiten und speziell die Koronare Herzkrankheit (KHK) sind die häufigsten Todesursachen in den meisten Industrieländern weltweit. Obwohl sich die KHK über mehrere Jahre entwickelt, bleibt sie oft bis zu einem Herzinfarkt unbemerkt. Aus diesem Grund besteht ein großer klinischer Bedarf an der Entwicklung von nicht-invasiven und strahlungsfreien Verfahren, die eine Früherkennung der Krankheit ermöglichen. In diesem Zusammenhang bietet die Magnetresonanztompgraphie (MRT) ein vielversprechendes Bildgebungsverfahren. Allerdings stellt der langsame Aufnahmeprozess und seine Empfindlichkeit für Herz- und Atembewegung die größte Herausforderung für die koronare MRT dar. Dies hat bislang eine routinemäßige Anwendung in klinischen Untersuchungen verhindert. Während einer freiatmenden Aufnahme wird die Atembewegung häufig mit Hilfe eines Navigators adressiert, der das Diaphragma des Patienten überwacht und den Aufnahmeprozess auf eine konsistente Atemphase nach dem Ausatmen beschränkt. Die Akzeptanzraten liegen typischerweise unter 40% und führen zu einer zusätzlichen Verlängerung der Messzeit, die zudem nicht vorhersagbar ist. In dieser Arbeit wird das spirale phylotaktische Muster mit variabler Dichte in die freiatmende MRT des kompletten Herzens eingeführt. Es bietet eine inkohärente Unterabtastung in der kartesischen Phasenkodierebene und ermöglicht in Kombination mit der Compressed Sensing Rekonstruktion eine hoch-beschleunigte Datenaufnahme. Die mit diesem Abtastmuster erzielten Unterabtastraten von bis zu 10.2 ermöglichen eine signifkante Reduzierung der Messzeit. Zudem eignet sich das Abtastmuster gut für die Atemselbstnavigation. Diese kompensiert die Atembewegung lediglich auf Basis der aufgenommenen Bilddaten und verspricht eine vollständige Messeffizienz. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit ein neuer Ansatz zur Bewegungserkennung vorgestellt, der eine robuste Verfolgung der Atembewegung ermöglicht. Allerdings ist die Atemselbstnavigation nicht immer ausreichend für die Bewegungskompensation in der kartesischen Bildgebung. Daher wird eine alternative Methode zur Reduzierung der Atemartefakte vorgestellt, die dem Ansatz der gewichteten iterativen Rekonstruktion folgt. In dieser Technik werden Inkonsistenzen, die durch Atembewegung während der Datenaufnahme entstehen, in der Optimierungsmethode der kleinsten Quadrate entsprechend eines Datenkonsistenzmaßes gewichtet, welches auf Basis der Atemselbstnavigation errechnet wird. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für die Erweiterung zur bewegungskompensierten Rekonstruktion mit einem dichten, nicht-starren Bewegungsmodel. Mit der vorgestellten Methode wird zum ersten Mal eine bewegungskompensierte Rekonstruktion in der 3-D Bildgebung des kompletten Herzens ermöglicht, die weder zusätzliche Kalibrierungsdaten noch eine manuelle Benutzerinteraktion erfordert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Techniken wurden in einem klinischen MRT Scanner implementiert, an 14 Probanden getestet und mit der Navigator-basierten Referenzmethode verglichen. Die Messzeit der Referenzmethode von 10.1 � ± 2.3 min wurde mit dem vorgestellten Ansatz um ein Drittel auf 6.3� ± 0.9 min reduziert. Nach der bewegungskompensierten Rekonstruktion zeigten die Bilder keine signifikanten Unterschiede zu den Ergebnissen der Referenzmethode. Die Kantenschärfe der Gefäße betrug jeweils 0.44 ± 0.05mm-1 und 0.45 ± 0.05mm-1 für die RCA, sowie 0.39 ± 0.04mm-1 und 0.40 ± 0.05mm-1 für die LAD.de
dc.format.extent151
dc.identifier.opus-id8634
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/8634
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-86342
dc.language.isoen
dc.rights.urihttp://www.gesetze-im-internet.de/urhg/index.html
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.titleIterative Reconstruction Methods to Reduce Respiratory Motion Artifacts in Cartesian Coronary MRIen
dc.titleIterative Rekonstruktionsmethoden zur Reduzierung von Artefakten durch Atmungsbewegung in der koronaren MR-Bildgebungde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted2017-03-28
local.sendToDnbfree*
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät
local.subject.gnd3D-Rekonstruktion
local.subject.gndMRT
local.subject.gndMedizinische Bildgebung
local.subject.gndBewegungskompensation
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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