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

Buschbeck, Richard Peter Martin; Fitter, Jörg Ludwig; Shah, Nadim Joni

doi:10.18154/RWTH-2020-00002

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

Buschbeck, Richard Peter Martin^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Richard Peter Martin Buschbeck

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (vii, 151 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Fitter, Jörg Ludwig (Thesis advisor)^RWTH* ; Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-00002
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/775417/files/775417.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bewegungskorrekturen (frei) ; Bewegungsmessungen (frei) ; Magnetresonanztomographie (frei) ; magnetic resonance imaging (frei) ; motion correction (frei) ; motion measurements (frei) ; spherical navigators (frei) ; sphärische Navigatoren (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

Patient motion is a frequent problem in magnetic resonance imaging (MRI) causing significant degradations of the image quality. While numerous motion correction techniques are available, most of them require time-resolved information on the movements occurring during the MRI scan. One way to measure 3D rigid-body patient motion are so-called spherical navigator (SNAV) scans. SNAVs have an excellent clinical feasibility, but have not gained widespread adoption so far, because available techniques suffer from several technical and practical limitations. This PhD thesis investigates a novel SNAV technique aiming to overcome several of these challenges. The proposed SNAV concept uses a spherical Lissajous navigator (LNAV) at a k-space radius of 0.1/cm. This value is >70 % smaller than the ones used in the previous state of the art and has been considered infeasible due to restrictions in the SNAV trajectories and processing algorithms. Unlike commonly used helical spiral SNAVs, LNAVs require only a single RF excitation, can be acquired very fast at small radii and have moderate gradient requirements. LNAV-based rotation estimations are calculated by means of a spherical harmonics-based algorithm from computer vision, capable of dealing with the small amount of magnitude features associated with small SNAV radii. The translations are calculated as described in the literature. Phantom and in vivo experiments on a commercial 3 T MRI scanner as well as simulations were conducted to investigate the performance of the novel technique. The results suggest that, while having motion measurement accuracies in the sub-degree/sub-millimetre range comparable to previous SNAV methods and maintaining the good clinical feasibility, the new technique has significant advantages over to the previous state of the art. The most important benefits are the reduced LNAV acquisition time (<5 ms), a markedly higher signal-to-noise ratio, gradient demands well within the scanner limits and significantly reduced computational complexity allowing for processing times of <18 ms on a conventional laptop. The latter makes the proposed technique potentially suited for applications in prospective motion correction. This work is a proof of concept demonstrating the feasibility of measuring patient motion with the novel LNAV concept. The results may serve as a basis for further developments and can potentially increase the performance of SNAV-based MRI motion correction in the future.

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