Development and implementation of accelerated multiple-quantum-filtered sodium magnetic resonance imaging using compressed sensing at ultra-high field

Chen, Qingping; Shah, Nadim Joni; Veselinovic, Tanja

doi:44211

Development and implementation of accelerated multiple-quantum-filtered sodium magnetic resonance imaging using compressed sensing at ultra-high field

Chen, Qingping^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Qingping Chen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH* ; Veselinovic, Tanja (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03519
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1009543/files/1009543.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Physik der Magnetresonanztomographie in den Neurowissenschaften (FZ Jülich) (535000-5 ; 934010)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Natrium (23Na) spielt eine entscheidende Rolle bei zellulären Stoffwechselprozessen durch die Regulierung der Natrium-Kalium-Pumpe, die auf Kosten der Energie einen großen Gradienten zwischen intrazellulären und extrazellulären Natriumkonzentrationen aufrechterhält. Eine zelluläre Dysfunktion kann zu einer erhöhten intrazellulären Natriumkonzentration führen, wohingegen die extrazelluläre Natriumkonzentration aufgrund der Gewebeperfusion weitgehend unverändert bleibt. Daher verspricht intrazelluläres Natrium als direkte Verbindung zur Zellintegrität und Gewebelebensfähigkeit Einblicke in pathologische Prozesse. Mit der konventionellen Natrium-Magnetresonanztomographie (MRT) mit einem einzigen Hochfrequenzimpuls kann nur das gesamte Natrium nachgewiesen werden. Basierend auf der quadrupolaren Natur des Natriumkerns wird eine fortschrittliche Technik, die mehrfach quantengefilterte (MQF) Natrium-MRT, vorgeschlagen, um eingeschränktes (hauptsächlich intrazelluläres) Natrium zu überwachen. Die klinische Anwendung der MQF-Natrium-MRT wird jedoch durch die relativ geringe Bildqualität und die damit verbundenen langen Aufnahmezeiten erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es, die Einschränkungen der MQF-Natrium-MRT zu mildern, indem zwei Aspekte genutzt werden: Datenerfassung und Bildrekonstruktion. In Bezug auf die Datenerfassung optimierte diese Arbeit die verbesserte simultane Einzelquanten- und Dreifachquanten-gefilterte Bildgebung der 23NA-Sequenz (SISTINA) unter Verwendung eines hocheffizienten nicht-kartesischen Abtastschemas. Die qualitative Validierung dieser Sequenzoptimierung wurde durch den Vergleich der optimierten Sequenz mit einer herkömmlichen erweiterten SISTINA-Sequenz in Phantommessungen bei 7T durchgeführt. Die Optimierung verbesserte die visuelle Leistung von Bildern mit ultrakurzer Echozeit erheblich, während die visuelle Qualität von MQF-Bildern erhalten blieb und Inkohärenz in den Rohdaten für die Anwendung der Compressed Sensing (CS)-Beschleunigung eintrat. In Bezug auf die Bildrekonstruktion wendete diese Arbeit CS an, um verbesserte SISTINA-Akquisitionen zu beschleunigen, indem die Bildsparsität ausgenutzt wurde, um inkohärente Unterabtastungsartefakte zu kompensieren. Die quantitative Validierung der CS-Beschleunigung wurde durchgeführt, indem die unterabgetasteten CS-basierten Rekonstruktionen mit vollständig abgetasteten und unterabgetasteten standardmäßigen Non-Uniform Fast Fourier Transform (NUFFT)-Rekonstruktionen sowohl in Phantom- als auch in vivo-Messungen bei 7T verglichen wurden. Im Vergleich zu NUFFT beschleunigte CS in dieser Studie die Verbesserung von SISTINA bei 7T um das Zweifache bei reduziertem Rauschpegel, während gleichzeitig primäre Strukturinformationen, angemessene Gewichtungen für Gesamt- und Kompartiment-Natrium und eine relativ genaue In-vivo-Quantifizierung erhalten blieben.

Sodium (23Na) plays a critical role in cellular metabolic processes via the regulation of the sodium-potassium pump, which maintains a large gradient between intracellular and extracellular sodium concentrations at the expense of energy. Cellular dysfunction can lead to an elevated intracellular sodium concentration, whereas the extracellular sodium concentration remains primarily unchanged due to tissue perfusion. Therefore, intracellular sodium, as a direct link to cell integrity and tissue viability, promises means for an insight into pathological processes.Conventional sodium Magnetic Resonance Imaging (MRI) with a single radiofrequency pulse can only detect total sodium. Based on the quadrupolar nature of the sodium nucleus, an advanced technique, Multiple-Quantum-Filtered (MQF) sodium MRI, is proposed to monitor restricted (mainly intracellular) sodium. However, the clinical application of MQF sodium MRI is hampered by the relatively low image quality and associated long acquisition times. This thesis aims to mitigate the limitations of MQF sodium MRI by exploiting two aspects: data acquisition and image reconstruction. Regarding data acquisition, this thesis optimised the enhanced Simultaneous Single-quantum and Triple-quantum-filtered imaging of 23NA (SISTINA) sequence using a highly efficient non-Cartesian sampling scheme. Qualitative validation of this sequence optimisation was conducted by comparing the optimised sequence with a conventional enhanced SISTINA sequence in phantom measurements at 7T. The optimisation greatly improved the visual performance of ultra-short-echo-time images, while maintaining the visual quality of MQF images and introducing incoherence in raw data for the application of Compressed Sensing (CS) acceleration. Regarding image reconstruction, this thesis applied CS to accelerate enhanced SISTINA acquisitions by exploiting image sparsity to compensate for incoherent under sampling artefacts. Quantitative validation of the CS acceleration was performed by comparing the under sampled CS-based reconstructions with fully sampled and under sampled standard Non-Uniform Fast Fourier Transform (NUFFT) reconstructions in both phantom and in vivo measurements at 7T. Compared to NUFFT, CS accelerated enhanced SISTINA by up to twofold at 7T in this study with reduced noise levels, while maintaining primary structural information, reasonable weightings towards total and compartmental sodium and relatively accurate in vivo quantification.

OpenAccess:
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