Whole-Heart Cine MRI in a Single Breath-Hold – A Compressed Sensing Accelerated 3D Acquisition Technique for Assessment of Cardiac Function

Abstract

Purpose: The aim of this study was to perform functional MR imaging of the whole heart in a single breath-hold using an undersampled 3 D trajectory for data acquisition in combination with compressed sensing for image reconstruction.

Materials and Methods: Measurements were performed using an SSFP sequence on a 3 T whole-body system equipped with a 32-channel body array coil. A 3 D radial stack-of-stars sampling scheme was utilized enabling efficient undersampling of the k-space and thereby accelerating data acquisition. Compressed sensing was applied for the reconstruction of the missing data. A validation study was performed based on a fully sampled dataset acquired by standard Cartesian cine imaging of 2 D slices on a healthy volunteer. The results were investigated with regard to systematic errors and resolution losses possibly introduced by the developed reconstruction. Subsequently, the proposed technique was applied for in-vivo functional cardiac imaging of the whole heart in a single breath-hold of 27 s. The developed technique was tested on three healthy volunteers to examine its reproducibility.

Results: By means of the results of the simulation (temporal resolution: 47 ms, spatial resolution: 1.4 × 1.4 × 8 mm, 3 D image matrix: 208 × 208 × 10), an overall acceleration factor of 10 has been found where the compressed sensing reconstructed image series shows only very low systematic errors and a slight in-plane resolution loss of 15 %. The results of the in-vivo study (temporal resolution: 40.5 ms, spatial resolution: 2.1 × 2.1 × 8 mm, 3 D image matrix: 224 × 224 × 12) performed with an acceleration factor of 10.7 confirm the overall good image quality of the presented technique for undersampled acquisitions.

Conclusion: The combination of 3 D radial data acquisition and model-based compressed sensing reconstruction allows high acceleration factors enabling cardiac functional imaging of the whole heart within only one breath-hold. The image quality in the simulated dataset and the in-vivo measurement highlights the great potential of the presented technique for an efficient assessment of cardiac functional parameters.

Citation Format:

• Wech T, Pickl W, Tran-Gia J et al. Whole-Heart Cine MRI in a Single Breath-Hold – A Compressed Sensing Accelerated 3D Acquisition Technique for Assessment of Cardiac Function. Fortschr Röntgenstr 2014; 186: 37 – 41

Zusammenfassung

Ziel: Ziel dieser Studie war es, die funktionelle MR-Herzbildgebung mit vollständiger Herzabdeckung mittels der Kombination aus einer unterabgetasteten 3-D-Aufnahmetechnik und einer Compressed-Sensing-Rekonstruktion in einem Atemstopp durchzuführen.

Material und Methoden: Die Messungen wurden mittels einer SSFP-Sequenz an einem 3T-Ganzkörpersystem, das mit einer 32-Kanalspule ausgestattet ist, durchgeführt. Um eine möglichst effiziente Unterabtastung des k-Raumes und damit eine Beschleunigung der Datenakquisition zu ermöglichen, wurde eine radiale 3-D-Stack-of-Stars-Trajektorie verwendet. Anschließend wurden die fehlenden Daten mittels Compressed-Sensing rekonstruiert. Zur Validierung der Technik wurden zunächst Simulationen anhand mehrerer standardmäßig an einem gesunden Probanden aufgenommener 2-D-Cine-Datensätze durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse wurden auf systematische Fehler und Auflösungsverluste untersucht. Anschließend wurde mittels der Technik die funktionelle MR-Herzbildgebung des gesamten Herzens in einem Atemstopp von 27 s durchgeführt. Die entwickelte Untersuchungsmethode wurde an drei gesunden Probanden getestet, um die Reproduzierbarkeit zu kontrollieren.

Ergebnisse: Die Simulationen zeigten nur kleine systematische Fehler in der um einen Faktor von 10 beschleunigten und anschließend mit der vorgestellten Methode rekonstruierten Aufnahme (zeitliche Auflösung: 47 ms, räumliche Auflösung: 1,4 × 1,4 × 8 mm, 3-D-Bildmatrix: 208 × 208 × 10). In der Bildebene war ein leichter Auflösungsverlust von 15 % zu verzeichnen. Auch die anschließende in-vivo-Studie (zeitliche Auflösung: 40.5 ms, räumliche Auflösung: 2,1 × 2,1 × 8 mm, 3-D-Bildmatrix: 224 × 224 × 12) bestätigte die gute Bildqualität unter einer 10,7-fachen Beschleunigung.

Schlussfolgerung: Die Kombination einer radialen 3-D-Aufnahme mit einer modell-basierten Compressed-Sensing-Rekonstruktionstechnik erlaubt hohe Beschleunigungsfaktoren und ermöglicht damit eine funktionelle Aufnahme mit vollständiger Herzabdeckung in nur einem Atemstopp. Die Bildqualität in den Simulations- sowie in-vivo-Ergebnissen unterstreicht das Potential der Technik für eine zeiteffizientere Bestimmung der funktionellen Herzparameter.

Key words

heart - MR imaging - MR functional imaging

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