Kardiales MR-Tagging: Parameteroptimierung und Sequenzvergleich bei 1,5 T und 3,0 T an einem Probandenkollektiv

Zusammenfassung

Ziel: Zielsetzung dieser Studie war die Parameteroptimierung einer Gradientenecho-(GRE)-MR-Tagging-Sequenz bei 3,0 Tesla (T) im Vergleich zu 1,5 T sowie die Bestimmung der theoretisch zu erwartenden Verbesserungen von Signal-zu-Rauschen (SNR) und Contrast-zu-Rauschen (CNR). Material und Methoden: 14 Probanden (8 Männer, 6 Frauen, MW 43,4 ± 10,3 Jahre) wurden sowohl an einem 3,0-T- als auch an einem 1,5-T-Ganzkörper-MRT untersucht. Es wurde eine GRE-Flash-2-D-Tagging-Sequenz (mittventrikuläre Kurzachse) unter Variation des Flipwinkels α (8 - 16°), der Schichtdicke (4 - 8 mm; fixierter Flipwinkel 1,5/3,0 T: 12°/8°, Tag-Linien-Abstand 8 mm) und des Tag-Linien-Abstandes (4 - 8 mm; fixierter Flipwinkel 1,5/3,0 T: 12°/8°, Schichtdicke 6 mm) evaluiert. Sequenzparameter wie Gesichtsfeld (320 mm) und Zeitauflösung der Sequenz (45 ms) wurden konstant gehalten. Neben einer qualitativen Bildanalyse erfolgten quantitative Bestimmungen von SNR, CNR_Tag sowie des relativen Kontrastes des Myokards gegenüber den Tag-Linien (RCMT). Ergebnisse: Intraindividuelle Vergleichsmessungen ergaben für folgende Sequenzparameter die besten Resultate: Schichtdicke 6 mm, Tag-Abstand 8 mm, optimierter Flipwinkel 8° (3,0 T) respektive 12° (1,5 T). Neben einer durchweg besser bewerteten Bildqualität bei 3,0 T (MW ± SD; 3,2 ± 0,2 gegenüber 2,7 ± 0,4) konnte eine strenge Abhängigkeit der ermittelten Parameter CNR_Tag und RCMT von dem Flipwinkel α und der gewählten Schichtdicke nachgewiesen werden. Bei höherer Feldstärke errechnete sich enddiastolisch ein Zuwachs des CNR_Tag von 80 % gegenüber 1,5 T (MW 10,7/6,1). Zusätzlich konnten bei 3,0 T ein um 35 % höheres SNR (MW 20,6/15,3) sowie ein Zuwachs des RCMT von 35 % (MW 0,47/0,35) bestimmt werden. Schlussfolgerung: Das myokardiale Tagging bei 3,0 T ermöglicht bei höherem SNR sowie verbessertem CNR und RCMT eine überlegene Bildqualität im Vergleich zu 1,5 T. Als Folge eines verringerten diastolischen Fading wird eine zuverlässige Detektion der Tag-Linien über den gesamten Herzzyklus möglich.

Abstract

Purpose: The aim of this study was the optimization of a gradient echo (GRE) MR tagging sequence at 3.0 T in comparison to 1.5 T in order to obtain the best image contrast between the myocardium, tag lines and blood signal. Theoretically expected improvements of signal-to-noise (SNR) and contrast-to-noise ratios (CNR) were also calculated. Materials and Methods: 14 healthy volunteers (8 male, 6 female; mean age 43.4 ± 10.3 years) were scanned using a 3.0 T as well as a 1.5 T whole-body system. A GRE flash-2 D tagging sequence was evaluated (midventricular short axis view) by varying the flip angle (8 - 16°), slice thickness (4 - 8 mm; fixed flip angle 1.5/3.0 T: 12°/8°, tag size 8 mm) and tag size (4 - 8 mm, fixed flip angle 1.5/3.0 T: 12°/8°, slice thickness 6 mm). The field of view, acquisition time and temporal resolution (45 ms) were kept constant. Qualitative and quantitative image analysis was performed by calculating the SNR, CNR_tag as well as the relative contrast between the myocardium and tag lines (RCMT). Results: Based on individual comparison, the best imaging protocol was found at a slice thickness of 6 mm, tag size of 8 mm, optimized flip angle of 8° (3.0 T) and 12° (1.5 T), respectively. Compared to 1.5 T, a significantly higher overall image score was determined (mean ± sd; 3.2 ± 0.2 vs. 2.7 ± 0.4) and a strong correlation between the CNR_tag and RCMT for flip angle α and the slice thickness was found. A higher field strength resulted in an 80 % increase in the CNR_tag compared to 1.5 T (mean 10.7/6.1). Furthermore, the SNR was improved by 35 % (mean 20.6/15.3) and the RCMT by 35 % (mean 0.47/0.35). Conclusion: Myocardial tagging at 3.0 T has shown superior image quality in comparison to 1.5 T due to a higher baseline SNR and an improved CNR as well as RCMT. The suppressed fading of the tags enables the accessibility to the diastolic phase of the cardiac cycle.

Key words

MR functional imaging - MR high field imaging - MR tagging - heart - MR imaging

Literatur

• 1 Kuijer J P, Marcus J T, Gotte M J. et al . Three-dimensional myocardial strains at end-systole and during diastole in the left ventricle of normal humans.  J Cardiovasc Magn Reson. 2002;  4 341-351
• 2 Kuijer J P, Marcus J T, Gotte M J. et al . Three-dimensional myocardial strain analysis based on short- and long-axis magnetic resonance tagged images using a 1 D displacement field.  Magn Reson Imaging. 2000;  18 553-564
• 3 Geskin G, Kramer C M, Rogers W J. et al .Circulation. 1998 98: 217-223
• 4 Aelen F W, Arts T, Sanders D G. et al . Kinematic analysis of left ventricular deformation in myocardial infarction using magnetic resonance cardiac tagging.  Int J Card Imaging. 1999;  15 241-251
• 5 Kivelitz D E, Borges A C, Walde T. et al . Beurteilung regionaler Wandbewegungsstörungen des Herzens - Vergleich von Gewebe-Doppler-Echokardiographie, MR-Tagging und Lävokardiographie.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 1237-1244
• 6 Markl M, Reeder S B, Chan F P. et al . Steady-state free precession MR imaging: Improved myocardial tag persistence and signal-to-noise ratio for analysis of myocardial motion.  Radiology. 2004;  230 852-861
• 7 Castillo E, Lima J A, Bluemke D A. Regional myocardial function: advances in MR imaging and analysis.  Radiographics. 2003;  23 S127-S140
• 8 Rosen B D, Gerber B L, Edvardsen T. et al . Late systolic onset of regional LV relaxation demonstrated in three-dimensional space by MRI tissue tagging.  Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2004;  287 H1740-H1746
• 9 Kramer C M, Malkowski M J, Mankad S. et al . Magnetic resonance tagging and echocardiographic response to dobutamine and functional improvement after reperfused myocardial infarction.  Am Heart J. 2002;  143 1046-1051
• 10 Urayama S, Matsuda T, Sugimoto N. et al . Detailed motion analysis of the left ventricular myocardium using an MR tagging method with a dense grid.  Magn Reson Med. 2000;  44 73-82
• 11 Zwanenburg J J, Gotte M J, Kuijer J P. et al . Timing of cardiac contraction in humans mapped by high-temporal-resolution MRI tagging: early onset and late peak of shortening in lateral wall.  Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2004;  286 H1872-H1880
• 12 Sandstede J J, Johnson T, Harre K. et al . Cardiac systolic rotation and contraction before and after valve replacement for aortic stenosis: a myocardial tagging study using MR imaging.  Am J Roentgenol. 2002;  178 953-958
• 13 Johnson T, Hahn D, Sandstede J. Quantitative Analyse der linksventrikularen Wandbewegung mit MR-Tagging.  Radiologe. 2004;  44 158-163
• 14 Ennis D B, Epstein F H, Kellman P. et al . Assessment of regional systolic and diastolic dysfunction in familial hypertrophic cardiomyopathy using MR tagging.  Magn Reson Med. 2003;  50 638-642
• 15 Fayad Z A, Ferrari V A, Kraitchman D L. et al . Right ventricular regional function using MR tagging: normals versus chronic pulmonary hypertension.  Magn Reson Med. 1998;  39 116-123
• 16 Chen Q, Mai V M, Bankier A A. et al . Ultrafast MR grid-tagging sequence for assessment of local mechanical properties of the lungs.  Magn Reson Med. 2001;  45 24-28
• 17 Thomas D, Pickup S, Zhou R. et al . Homogene Strain-Analyse im Vergleich zur Wanddickenzunahme für die MR-tomographische Beurteilung der regionalen Myokardfunktion.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  7 975-985
• 18 Thomas D, Ferrari V A, Janik M. et al . Quantitative assessment of reginal myocardial function in a rat model of myocardial infarction using tagged MRI.  MAGMA. 2004;  17 179-187
• 19 Rademakers F, Van de Werf F, Mortelmans L. et al . Evolution of regional performance after an acute anterior myocardial infarction in humans using magnetic resonance tagging.  J Physiol. 2003;  546 777-787
• 20 Gutberlet M, Spors B, Grothoff M. et al .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. Fortschr Röntgenstr 2004 176: 801-808
• 21 Ryf S, Kozerke S, Spiegel M A. et al .Myocardial Tagging: Comparing Imaging at 3.0 T and 1.5 T. Proc Intl Soc Magn Reson Med 2002 10: 1675
• 22 Kozerke S, Schär M, Fischer S E. et al . Sequence Optimization for Cardiac SSFP Imaging at 3 T.  Proc Intl Soc Magn Reson Med. 2002;  10 1737
• 23 Noeske R, Seifert F, Rhein K H. et al . Human cardiac imaging at 3 T using phased array coils.  Magn Reson Med. 2000;  44 978-982
• 24 Hinton D P, Wald L L, Pitts J. et al .Comparison of cardiac MRI on 1.5 and 3.0 Tesla clinical whole body systems. Invest Radiol 2003 38: 436-442
• 25 Greenman R L, Shirosky J E, Mulkern R V. et al .Double inversion black-blood fast spin-echo imaging of the human heart: a comparison between 1.5 T and 3.0 T. J Magn Reson Imaging 2003 17: 648-655
• 26 Axel L, Montillo A, Kim D. Tagged magnetic resonance imaging of the heart: a survey.  Med Image Anal. 2005;  9 376-393
• 27 Paetsch I, Foll D, Kaluza A. et al . Magnetic resonance stress tagging in ischemic heart disease.  Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2005;  288 H2708-H2714
• 28 Mahnken A H, Guenther R W, Krombach G A. Grundlagen der linksventrikulären Funktionsanalyse mittels MRT und MSCT.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 1365-1379
• 29 Moore C C, Lugo-Olivieri C H, McVeigh E R. et al . Three-dimensional systolic strain patterns in the nomal human left ventricle: Characterization with tagged MR Imaging.  Radiology. 2000;  214 453-466
• 30 Young A A, Imai H, Chang C N. et al . Two-dimensional left ventricular deformation during systole using magnetic resonance imaging with spatial modulation of magnetization.  Circulation. 1994;  89 740-752
• 31 Reeder S B, Du Y P, Lima J A. et al . Advanced cardiac MR imaging of ischemic heart disease.  Radiographics. 2001;  21 1047-1074
• 32 Nagel E and Fleck E. Functional MRI in ischemic heart disease based on detection of contraction abnormalities.  J Magn Reson Imaging. 1999;  10 411-417
• 33 Scott C H, John S utton MG, Axel L. et al . Effect of dobutamine on regional left ventricular function measured by tagged magnetic resonance imaging in normal subjects.  Am Journal of Cardiology. 1999;  83 412-417
• 34 Kuijpers D, Janssen C H, van Dijkman P R. et al .Dobutamine stress MRI. Part I. Safety and feasibility of dobutamine cardiovascular magnetic resonance in patients suspected of myocardial ischemia. Eur Radiol 2004 14: 1823-1828
• 35 Kuijpers D, van Dijkman P R, Janssen C H. et al .Part II. Risk stratification with dobutamine cardiovascular magnetic resonance in patients suspected of myocardial ischemia. Eur Radiol 2004 14: 2046-2052
• 36 Kraitchman D L, Sampath S, Castillo E. et al . Quantitative ischemia detection during cardiac magnetic resonance stress testing by use of fast HARP.  Circulation. 2003;  107 2025-2030
• 37 Gutberlet M, Schwinge K, Freyhardt P. et al .Influence of high magnetic field strengths and parallel acquisition strategies on image quality in cardiac 2 D CINE magnetic resonance imaging: comparison of 1.5 T vs. 3.0 T. Eur Radiol 2005 15: 1586-1597
• 38 Wen H, Denison T J, Singerman R W. et al .The intrinsic signal-to-noise ratio on human cardiac imaging at 1.5, 3, and 4 T. J Magn Reson 1997 125: 65-71
• 39 Schär M, Kozerke S, Fischer S E. et al . Cardiac SSFP imaging at 3 Tesla.  Magn Reson Med. 2004;  51 799-806
• 40 Dornier C, Somsen G A, Ivancevic M K. et al . Comparison between tagged MRI and standard cine MRI for evaluation of left ventricular ejection fraction.  Eur Radiol. 2004;  14 1348-1352