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Retrospective and prospective motion correction for magnetic resonance imaging of the head

 
: Dold, Christian
: Fellner, Dieter W.; Bischof, Horst

Graz, 2010, 191 S.
Graz, TU, Diss., 2010
Englisch
Dissertation
Fraunhofer IGD ()
motion artefact; realtime; rigid body

Abstract
The compensation of motion artifacts during Magnetic Resonance Imaging (MRI) of the head is essential to get excellent images. The detection of motion is sometimes done by the MRI system itself to reduce the artifacts (so-called navigators or navigators echoes). This prolongs the scan time and needs additional radio frequency (RF) pulses, not utilizing the whole available magnetization for imaging and interrupting steady-state image readout. Moreover the motion information is delayed by at least one repetition time (TR) available, because of data processing. Further on, eddy currents are produced so that detection of motion is not entirely compatible with the imaging acquisition sequences. Also, the planning time for the image acquisition is longer, because the localization of the navigator differs among patients. Therefore these techniques are not settled and rarely used in the clinical routine.
In this work a new method was developed, which is able to detect and compensate the head motion simultaneously to the image acquisition. To achieve this, the gradients and the RF are updated depending on motion data detected by an optical tracking system in order to compensate the motion. The compatibility of the stereoscopic tracking system and the MRI was analyzed first. Markers, developed to be visible in both modalities, are used in the calibration procedure for correlating the coordinate systems.
In a first version a time synchronized acquisition scheme of both systems was used to compensate a translational motion retrospectively. In a second version the motion data is handled from the MRI system directly to compensate motion prospectively. For the prospective trials, two optical systems with an accuracy of 200µm RMS and 60µm RMS were evaluated. It has been shown that the accuracy of the motion detection is significant for the success of the correction.
A "volume to volume -" followed by a "slice to slice-" and finally a "line to line-" correction was performed. For that the MR sequences for echo planar imaging (EPI), spin echo (SE), gradient echo (GRE) and turbo spin echo (TSE) were adapted to work with optical prospective motion correction (OPROMOC) on phantoms and humans. Several times the calibration phase and the construction were re-engineered in order to eventually get an isotropic accuracy of 60µm with a latency time of less than 32 ms.
In addition the technique was compared to established motion compensation techniques. In spectroscopic MR data acquisition, which is used to display metabolic information, the OPROMOC technique was the first technique to correct motion artifacts. Initial applications of the optical tracking system in functional imaging (fMRI), high resolution imaging and spectroscopy have shown that the technique will be convenient for brain imaging, registration and acquisition of metabolic information.

 

Enorm wichtig bei der Aufnahme des Kopfes in der Kernspintomographie (MRT) ist die Eliminierung von Artefakten, hervorgerufen durch Bewegungen. Bisher verwendete Techniken benutzen den MRT selbst, um die Detektion der Bewegung und die Kompensation dieser durchzuführen. Diese verlängern jedoch die Untersuchungszeit, stehen nur zeitverzögert zur Verfügung, stören die Erregerfrequenzen in ihrem zeitlichen Ablauf bzw. verhindern den Steady-State der magnetischen Anregung und können Eddy Ströme erzeugen. Zudem benötigen die Navigatortechniken eine Planungsphase in der das Aufnahmevolumen und der Detektionsbereich des Navigators festgelegt wird. In der klinischen Routine haben sich deshalb diese Techniken noch nicht durchgesetzt und werden selten eingesetzt.
Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches in der Lage ist, Kopfbewegungen durch Kameras zu detektieren und die Gradienten und die Ortsfrequenz des MRT entsprechend der Bewegungsänderung "On The Fly" nachzuführen und somit die Bewegung schon bei der Aufnahme zu kompensieren.
Zu Beginn wurde die Kompatibilität von dem optischen stereoskopischen Trackingsystem zum MRT untersucht. Es folgte der Entwurf von speziellen Markern zur Überlagerung der Koordinatensysteme vom MRT und dem Trackingsystem mit einem Kalibrierungsverfahren, das eigens dafür entwickelt wurde.
Mit einer zeitsynchronisierten Aufnahme beider Systeme gelang es nun eine translatorische schnelle Bewegung vollständig retrospektiv zu kompensieren. In einem nächsten Schritt erfolgte die prospektive Bewegungskorrektur, bei der die Trackingdaten direkt imMRT verarbeitet werden. Die prospektiven Tests wurden mit 2 verschiedenen Trackingsystemen durchgeführt. Zum Einen mit einem etwas günstigeren und auf dem Markt erhältlichen Trackingsystem (RMS 200µm) und zum Anderen mit einem teuren speziell konfigurierten Trackingsystem (RMS 60µm). Eine "Volume to Volume -" eine "Slice to Slice-" und schließlich eine "Line to Line-" Korrektur wurden für echo planar imaging (EPI), spin echo (SE), turbo spin echo (TSE) und für die gradienten echo (GRE) Sequenz durchgeführt und am Phantom und Menschen getestet. Die Kalibrierung und die Konstruktion des Aufbaus wurde mehrmals überarbeitet, um schließlich eine 3-dimensionale Genauigkeit von 60µm bei einer Latenzzeit von insgesamt 32ms (worst case) zu erhalten. Abschließend erfolgte ein Vergleich der Technik mit etablierten Korrekturmöglichkeiten, sowie erste Tests das Verfahren in der funktionellen Kernspintomographie und der Spektroskopie einzusetzen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-161054.html