Spiral Image Reconstruction for 7T MRI with Gradient System Characterization

Abstract

Bakgrunn og formål: Spiralavbildning i MR er av stor interesse som et alternativ til EPI på grunn av økt tidseffektivitet og redusert sensitivitet for bevegelse. Men spiralavbildning er svært følsom for avvik i oppførselen til gradientsystemet. Slike avvik vil føre til forvrengninger, uskarphet, og tap av signal i det rekonstruerte bildet på grunn av endringer i banen i k-rommet og tidsavhengige variasjoner i det magnetiske feltet som følge av virvelstrømmer. Målet til dette prosjektet er å legge til rette for bilderekonstruksjon som korrigerer for avvik i gradientsystemet ved å predikere endringer i k-romsbanen og magnetfeltet på en 7T MR-maskin. Prediksjonene skal gjennomføres med en impulsresponsmodell.

Metode: Karakteriseringen av gradientsystemet til et 7T-system ble gjennomført basert på målinger av et fantom med en tynnsjiktmetode. Den målte impulsresponsen til gradientsystemet (GIRF) ble deretter brukt til å predikere feltresponser til spiralsekvenser som ble sammenliknet med faktiske målinger av feltresponsene og de ukorrigerte spiralbanene. De predikerte k-romsbanene ble brukt til bilderekonstruksjon av både fantom- og in vivo-målinger med en 32-kanal mottaksspole for hodeavbildning. De rekonstruerte bildene ble sammenliknet med bilder rekonstruert med separate spiralmålinger og de ukorrigerte k-romsbanene.

Resultater: En GIRF ble beregnet og ga gradientprediksjoner som samsvarte bra med de målte spiralgradientene. Det var et betydelig større avvik for de ukorrigerte spiralbanene sammenliknet med GIRF-prediksjonene, selv når det ble medregnet en forsinkelse i de ukorrigerte spiralbanene. Bilderekonstruksjonen med GIRF-prediksjoner resulterte i bilder som var sammenliknbare med bildene rekonstruert med målte spiralbaner. Selv med de målte spiralene ble det observert artefakter i de rekonstruerte bildene. For lave R-tall var det uskarpheter på grunn av ujevnheter i magnetfeltet som var mest framtredende, mens gjenværende foldningsfeil dominerte for høye R-tall.

Konklusjon: Bilderekonstruksjon for spiralavbildning har blitt utviklet og testet på en 7T-maskin. En GIRF som beskriver både 0. og 1. ordens feltrespons kan bli beregnet med enkle tynnsjiktmålinger av et fantom. GIRF-prediksjoner av spiralbaner gir presise resultater for avvik i magnetfelt og gradientform for avanserte spiralavlesninger. De predikerte feltresponsene oppnår bilderekonstruksjon av samme kvalitet som med målte feltresponser, til tross for at enkelte artefakter fortsatt forekommer.

Background and purpose: Single-shot spiral imaging is of high interest as an alternative to EPI due to its increased time efficiency and decreased sensitivity to motion. However, spiral imaging is highly susceptible to imperfections of the gradient system, which causes image distortions, blurring, and signal loss due to k-space trajectory deviations and eddy-current induced temporal magnetic field fluctuations. This project aims to develop an offline image reconstruction pipeline that uses field responses predicted by an impulse response model of the gradient system at a 7T MR scanner.

Methods: Gradient system characterization was performed on a 7T system based on field response measurements of a phantom with a thin-slice excitation approach. The measured gradient impulse response function (GIRF) was used to predict field responses to single-shot spiral gradient sequences, which were compared to measured responses in addition to the nominal gradients. Image reconstruction based on the predicted trajectories was performed for phantom and in vivo data acquired with a 32-channel head receive coil, and the images were compared with reconstructions based on separate trajectory measurements and the nominal trajectories.

Results: A GIRF was successfully characterized and yielded predictions that agreed well with the separately measured gradients. The nominal spiral trajectories deviated significantly more from the separately measured trajectories compared to the GIRF-predictions, even with delay-correction of the nominal trajectories. Image reconstruction using the GIRF-predicted trajectories resulted in images that were comparable to using separate trajectory measurements. There were observed image artifacts even in the reconstructions based on measured trajectories. For low R-values, distortions and blurring due to off-resonance effects were most prominent, and residual aliasing dominated for high R-values.

Conclusion: An offline image reconstruction pipeline for single-shot imaging with spiral k-space trajectories has been developed and tested for a 7T MR scanner. A GIRF with both self and 0th order cross-terms can be determined with simple thin-slice excitation phantom measurements, and GIRF-predicted trajectories yield highly accurate results for the 0th and 1st order field responses for technically challenging single-shot spiral readouts. The GIRF-predicted field responses enable image reconstruction with the same quality as separately measured field responses, although some image artifacts remain, which could be addressed in later work.