Comparison of Different Cardiac MRI Sequences at 1.5 T/3.0 T with Respect to Signal-to-Noise and Contrast-to-Noise Ratios - Initial Experience[*]

Zusammenfassung

Ziel: Es sollte die Bildqualität anhand des Signal- (SNR) und des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNR) verschiedener MR-Sequenzen für die kardiale Bildgebung bei 1.5 T und 3.0 T an Probanden verglichen werden. Material und Methoden: Es wurden 10 Probanden (5 Männer/5 Frauen) ohne kardiale Vorerkrankungen in einem mittleren Alter von 33 Jahren (± 8) an einem GE Signa 3.0 T und einem GE Signa 1.5 T TwinSpeed Excite (GE Medical Systems, Milwaukee, WI, USA) jeweils mit Hilfe einer 4-Elemente-„phased-array”-Oberflächenspule (gleiches Design) am selben Tag an beiden Scannern untersucht. Als Sequenzen für die Gewebscharakterisierung wurden EKG-getriggerte Fast-Spinechosequenzen (FSE) mit T₁- (Double-IR), T₁-STIR- (Triple-IR) und T₂-Wichtung in transversaler Schichtorientierung verwendet. Für die kardiale Funktionsanalyse erfolgte die Akquisition von „steady state free precession” (SSFP) FIESTA-Sequenzen im 4-Kammerblick, 2-Kammerblick lange und kurze Achse. Der Flipwinkel wurde bei 3.0 T von 45° auf 30° reduziert, um das TR nicht aufgrund des höheren SAR verlängern zu müssen. Alle anderen Sequenzparameter wurden konstant gehalten. Ergebnisse: Die Messungen konnten bei allen 10 Probanden erfolgreich durchgeführt werden. Das mittlere SNR bei 3.0 T im Vergleich zu 1.5 T konnte sowohl bei der T₂- (160 % SNR-Steigerung), der STIR-T₁ (123 %) als auch der T₁-gewichteten (91 %) FSE-Sequenz signifikant (p < 0,05) gesteigert werden, ebenso wie das CNR. Das mittlere SNR der SSFP-Sequenzen lag um mehr als das Doppelte (150 %) über dem bei 1.5 T, allerdings ohne signifikanten Effekt auf das CNR. Bezüglich der Bildqualität zeigte sich nur bei den SSFP-Sequenzen ein signifikanter Unterschied mit schlechterer Bildqualität bei 3.0 T. Bei den Artefakten waren signifikante Unterschiede bei den FSE-Sequenzen beim Auftreten von „shading” im Bereich des rechten Ventrikels (RV) bemerkbar. Nach Anwendung eines lokalen Shims bei 5/10 Patienten war auch bei den SSFP-Sequenzen kein signifikanter Unterschied bezüglich des Auftretens von Artefakten nachweisbar. Schlussfolgerungen: Mit Hilfe von 3.0 T konnte das SNR und CNR signifikant bei allen kardialen FSE-Sequenzen für die Gewebsdifferenzierung ohne wesentliche Veränderungen der Sequenzparameter bei 3.0 T gesteigert werden. Auch die modifizierte SSFP-Sequenz führte zu der erwarteten Steigerung des SNR bei 3.0 T, aber ohne Veränderung des CNR. Der subjektive Bildeindruck hingegen verbesserte sich nicht signifikant und wurde bei den SSFP-Sequenzen und im Bereich des RV sogar signifikant schlechter. Die Ergebnisse sind trotzdem ermutigend für den Einsatz der kardialen MRT bei 3.0 T zur Gewebscharakterisierung, insbesondere in Kombination mit den neuen Möglichkeiten der parallelen Bildgebung.

Abstract

Purpose: To compare image quality, signal-to-noise (SNR) and contrast-to-noise ratios (CNR) of different MRI sequences for cardiac imaging at 1.5 T and 3.0 T in volunteers. Material and Methods: 10 volunteers (5male, 5 female) with a mean age of 33 years (± 8) without any history of cardiac diseases were examined on a GE Signa 3.0 T and a GE Signa 1.5 T TwinSpeed Excite (GE Medical Systems, Milwaukee, WI, USA) scanner using a 4-element phased array surface coil (same design) on the same day. For tissue characterization ECG gated Fast Spinecho (FSE) T₁- (Double IR), T₁-STIR (Triple IR) and T₂-weighted sequences in transverse orientation were used. For functional analysis a steady state free precession (SSFP - FIESTA) sequence was performed in the 4-chamber, 2-chamber long axis and short axis view. The flip angle used for the SSFP sequence at 3.0 T was reduced from 45° to 30° to keep short TR times while staying within the pre-defined SAR limitations. All other sequence parameters were kept constant. Results: All acquisitions could successfully be completed for the 10 volunteers. The mean SNR 3.0 T compared to 1.5 T was remarkably increased (p < 0.05) for the T₂ - (160 % SNR increase), the STIR-T₁- (123 %) and the T₁- (91 %) weighted FSE. Similar results were found comparing CNR at 3.0 T and 1.5 T. The mean SNR achieved using the SSFP sequences was more than doubled by 3.0 T (150 %), but did not have any significant effect on the CNR. The image quality at 3.0 T did not appear to be improved, and was considered to be significantly worse when using SSFP sequences. Artefacts like shading in the area of the right ventricle (RV) were found to be more present at 3.0 T using FSE sequences. After a localized shim had been performed in 5/10 volunteers at the infero-lateral wall of the left ventricle (LV) with the SSFP sequences at 3.0 T no significant increase in artefacts could be detected. Conclusions: In all cardiac FSE sequences, SNR and CNR at 3.0 T were found to be increased compared to 1.5 T without any major changes of the sequence parameters. The adjusted SSFP sequences fulfilled the expected increase in SNR at 3.0 T but showed no increase in CNR. On the contrary, the overall image quality did not change or was even found to be significantly lower for the SSFP and the FSE sequences at the free wall of the RV. Nevertheless, the results are encouraging for the use of 3.0 T for cardiac tissue characterization and new applications with progressing use of parallel imaging.

3.0 T cardiac imaging - steady state free precession (SSFP) - fast spin echo

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1 Die Arbeit wurde von der DFG unter folgender Fördernummer unterstützt: Fe 206/8-1-723/01. Die Arbeit enthält Auszüge der Doktorarbeiten von Frau Kerstin Schwinge und Herrn Patrick Freyhardt.