Eliminierung von Wirbelstrom-Effekten in einer diffusionsgewichteten STEAM-EPI Sequenz

Einleitung: Die diffusionsgewichtete MR Tomographie von Geweben mit kurzen transversalen Relaxationszeiten wie Niere¹ oder Skelettmuskulatur² ist bei Spinecho (SE)-EPI Sequenzen trotz Verwendung von hohen Amplituden und schnellen Anstiegsraten bei den Diffusionsgradienten vor allem für höhere b-Werte mit einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbunden. Dieses Problem lässt sich durch Verwendung von sogenannten STEAM (stimulated echo acquisition mode) Sequenzen umgehen, indem hohe b-Werte durch Verlängerung des T1-sensitiven TM-Intervalls anstelle des T2-sensitiven TE-Intervalls erreicht werden. Dadurch kann der Signalverlust durch longitudinale Relaxation während der TM-Periode aufgrund der relativ langen T1 Zeiten und durch transversale Relaxation aufgrund eines kurzen TE gering gehalten werden. Die Verwendung hoher Gradientenamplituden für die Diffusionswichtung kann zu erheblichen Wirbelströmen führen, die bei der Diffusions-Tensor-Bildgebung signifikante Bildverzerrungen erzeugen. Diese Verzerrungen können durch den Einsatz von bipolaren Gradienten erheblich reduziert werden, was aber bei SE-Sequenzen zu einer merklichen Erhöhung der minimalen Echozeit bzw. der Akquisitionszeit führt³. Ziel war die Implementierung von bipolaren Gradienten in einer diffusionsgewichteten STEAM-EPI Sequenz ohne hierbei das minimale TE und die benötigte minimale Akquisitionszeit zu erhöhen.

Material und Methode: In das Sequenz-Schema einer diffusionsgewichteten STEAM-EPI Sequenz wurden zusätzliche Gradienten zwischen dem zweiten und dritten Anregepuls implementiert (Abb. 1). Ist die Dauer dieser Gradienten gegeben durch

t₁ =λ·ln(1 + e^–s/λ – e^{–(t + s)/λ}) und

t₂ =λ·ln(1/(1 + e^s/λ – e^{(t + s)/λ}),

so werden Wirbelstrom-Effekte, für die ein monoexponentieller zeitlicher Abfall mit einer Zeitkonstanten λ angenommen wird, jeweils für das erste und zweite Gradientenpaar eliminiert. Hierbei ist t₀ die Zeitdauer der Diffusionsgradienten und s der Abstand zwischen den Gradienten, die jeweils ein Paar bilden (siehe Abb. 1). Wirbelstrom-Artefakte treten vor allem für Zeitkonstanten λ mit T/λ≈ ln2 auf, wobei T die Zeit zwischen der Startzeit des ersten Gradienten des jeweiligen Paares und dem Beginn des Auslesefensters ist. Liegt TM im Bereich von mehreren 100 ms, gilt für das erste Gradientenpaar unter der obigen Annahme λ >> t₀. In diesem Fall vereinfacht sich Gleichung (1) zu t₁=t₀. Für t₂ wurde ein λ von 20 ms angenommen. Auch Wirbelströme mit anderen Zeitkonstanten zwischen 10 und 100 ms werden drastisch reduziert (residuale Wirbelstromamplituden <7%).

In-vivo Diffusions-Messungen wurden in der menschlichen Unterschenkelmuskulatur an einem 1.5 T Tomographen (Magnetom Sonata, Siemens, Erlangen) durchgeführt. Die Messparameter waren TE=37 ms, TM=100 ms, TR=4000 ms, b=0 bzw. 500s/mm², Matrix 64×64, FOV 200mm, 4 Akqusitionen, Schichtdicke 8mm. Die Diffusionswichtung erfolgte in sechs unabhängige Raumrichtungen, um den Diffusionstensor berechnen zu können. TM und TE wurden optimiert, um ein maximales SNR der Diffusionsbilder zu erhalten.

Abb. 1: Sequenz-Diagramm der diffusionsgewichteten STEAM-EPI Sequenz. t₀=7.5 ms, s=2.9 ms.

Die gestrichelten Linien deuten die Spoiler-Gradienten an, die unabhängig von dem gewählten b-Wert immer in alle drei Gradienten-Richtungen geschaltet sind.

Abb. 2: Transversales, T1-gewichtetes Bild der menschlichen Unterschenkel-Muskulatur (A) und eine Darstellung des Winkels θ zwischen der Hauptdiffusions- bzw. Muskelfaserrichtung und dem B₀-Feld in derselben Schicht (B).

Ergebnisse: Abbildung 2 zeigt ein T1-gewichtetes, transversales Bild der menschlichen Unterschenkelmuskulatur (A) und eine Darstellung des aus dem Diffusionstensor berechneten Winkels θ zwischen der Hauptdiffusions- bzw. Muskelfaserrichtung und dem B₀-Feld in derselben Schicht (B). Die unterschiedlichen Winkelverteilungen der einzelnen Muskelgruppen sind deutlich zu erkennen. Während der Tibialis Anterior (TA) Muskel hauptsächlich aus Fasern besteht, die parallel zum B₀-Feld orientiert sind, sind beim Soleus Muskel (SOL) die Fasern gegenüber der Feldachse deutlich gekippt. Die berechneten Diffusionsbilder zeigen keine durch Wirbelströme verursachten, signifikanten Bildverzerrungen. Die ohne Wirbelstromkorrektur üblichen breiten, hellen Bänder an der Peripherie des zu untersuchenden Objekts sind in den Bildern drastisch reduziert.

Diskussion: In einer diffusionsgewichteten STEAM-EPI-Sequenz wurden zusätzliche Gradienten zur Minimierung von Wirbelstrom-Effekten implementiert, ohne dabei die minimale Echozeit oder Akquisitionszeit zu erhöhen. Werden TE und TM in Abhängigkeit von den Gewebeparametern für einen maximalen Diffusionskontrast optimiert, erhält man genügend Zeit innerhalb TM, um zusätzliche Gradienten für die Wirbelstrom-Korrektur schalten zu können. Die Gradienten werden außerdem als Spoiler benutzt, um bis auf das stimulierte Echo alle weiteren in der STEAM-Sequenz erzeugten Kohärenzen zu dephasieren.

Literatur: (1) M. Ries, R. A. Jones, F. Basseau, C. Moonen, N. Grenier, „Diffusion Tensor MRI of the Human Kidney“, J. Magn. Reson. Imaging 14, 42–49 (2001). (2) U. Sinha, L. Yao, „In Vivo Diffusion Tensor Imaging of Human Calf Muscle“, J. Magn. Reson. Imaging 15, 87–95 (2002). (3) A. L. Alexander, J.S. Tsuruda, D.L. Parker, „Elimination of Eddy Current Artifacts in Diffusion-Weighted Echo-Planar Images: The Use of Bipolar Gradients“, Magn. Reson. Med. 38, 1016–21 (1997)