English Title: Method development for fast 3D measurement of the T1- and T2-Relaxation Times in-vivo with Steady-State Imaging at 3 Tesla

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Abstract

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das sich in den letzten 20 Jahren zu einer Standardmethode der modernen Radiologie entwickelt hat. Die quantitative Messung der Relaxationszeiten ist allerdings in der klinischen Routine nicht etabliert, was zum Teil an der langen Messzeit und Komplexität existierender Techniken liegt. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von 3D Messmethoden, die eine B1-korrigierte Messung der T1- und T2-Relaxationszeiten in weniger als 15 Minuten bei hinreichender Auflösung ermöglichen. Für die Messung der Relaxationszeiten wurden dazu die sogenannten Variable Flip Angles (VFA) Methoden verwendet. Alle implementierten Methoden wurden an einem Relaxationszeiten-Phantom getestet. Für die B1-Korrektur wurde eine Bloch-Siegert FLASH-Sequenz implementiert, die die Messung des B1-Feldes in klinisch akzeptablen Zeiten erlaubt. Um mit den VFA-Methoden ein Intervall von T1- und T2-Zeiten messen zu können wurde eine Monte-Carlo Simulation implementiert, mit der drei Flipwinkel für die T1- und T2-Messung optimiert wurden. Die Ursachen für Abweichungen vom Steady-State Signal beider VFA-Sequenzen wurden durch eine numerische Simulation der Bloch-Gleichungen quantifiziert und schließlich mit geeigneten Methoden bei der Messung direkt kompensiert. Durch Entwicklung einer radialen TPI-Trajektorie konnte die Messzeit zusätzlich verringert werden. Mit diesen Methoden konnten B1-korrigierte 3D T1- und T2-Karten vom Kopf eines Probanden in 11 Minuten akquiriert werden. Im Vergleich zu den Goldstandard Methoden konnte die Messzeit erheblich verringert werden bei gleichzeitig - für eine in-vivo Messung - guten relativen Fehlern. So betrug der relative Fehler der T1-Messung von weißer Hirnsubstanz ca. 5%. Die entwickelten Methoden erlauben eine schnelle und präzise Messung der Relaxationszeiten, was nicht nur für neurologische-, sondern auch für andere Modalitäten wie Herz-, oder abdominelle Bildgebung interessant wäre, falls geeignete Methoden zur Bewegungskorrektur angewendet werden.

Translation of abstract (English)

In the last 20 years magnetic resonance imaging has become a standard diagnostic tool for the evaluation of various deseases. Nevertheless, as of today quantitiative measurement of the relaxation times is not clinically applicable due to long measurement times and complexity of existing techniques. In this work the so called Variable Flip Angles (VFA) methods were used to enable fast and precise measurement of the T1 and T2 relaxation times. All implemented methods have been tested on a relaxation time phantom. In order to correct for B1 inhomogeneities a Bloch-Siegert FLASH sequence has been implemented to be able to measure the B1-field in clinically acceptable times. To enable measurement of a whole T1 and T2 interval a Monte-Carlo simulation was implemented to optimize a set of three flip angles for a given T1 and T2 interval. Deviations from the expected steady-state signal due to incomplete spoiling and finite radiofrequency pulses of both sequences were quanitified with numerical Bloch equation simulations. The deviations where then corrected with suitable methods directly during measurement. Measurement times where decreased further through radial TPI trajectories. The developed methods enabled measuring B1 corrected T1 and T2 maps of a healthy volunteers head in approximately 11 minutes. Compared to the goldstandard methods the measurement time has been reduced substantially while the relative errors of the measurement remained good, for an in-vivo measurement. The most precise measurement was achieved in white brain matter where the relative error was approximately 5%. These methods allow for a fast and precise measurement of the relaxation times in-vivo, which is not only interesting for neurological applications but also for relaxometry of the human heart or abdomen, when suitable methods for motion correction are applied.