Development of novel quantitative medical imaging techniques for MPI and MRI

Resumen

"Tomographic imaging has become indispensable in the clinical routine. In a tomographic scan, images of the inner human body are produced without the need of dissecting the human skin. The common types of medical images are two-dimensional slices and entire three-dimensional volumes. To image dynamic processes such as organ function or perfusion, time series are produced at multiple spatial locations. To date, the most common medical imaging modalities are X-ray imaging, Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI) or tracer-based imaging such as Positron-Emission Tomography (PET) or Single-Photon Emission Tomography (SPECT). Next to the common modalities, a novel medical imaging modality called Magnetic Particle Imaging (MPI) has been introduced, and its position between the established modalities still needs to be defined. In general, cardiovascular applications impose specific challenges on medical imaging. Imaging speed is required to compensate for respiratory and cardiac motions, and to capture rapid uptake rates of contrast agents in the heart tissue. At the same time, high spatial resolution is demanded to accurately assess cardiac anatomy. In this work, we focus on two main cardiovascular applications: cardiac perfusion imaging and cardiac function imaging. Each imaging modality stands out with particular advantages and drawbacks for cardiovascular imaging. Magnetic Resonance Imaging (MRI), for example, has its main advantage in the use of non-ionizing radiation and its superb soft-tissue contrast and is hence suitable for cardiac function assessment. However, due to non-linearity of the MR signal with the contrast concentration, an application such as cardiac perfusion imaging is challenging and requires complex mathematical and practical treatment to measure the arterial input function. A more adequate tool for application on perfusion imaging would be Magnetic Particle Imaging (MPI) since its signal is linear with the contrast concentration over a wide range of concentration. Yet, a drawback of MPI is that no anatomic information is inside the MPI images since it is a purely tracer-based imaging method such as PET or SPECT. Therefore, image registration is required to fuse anatomic reference scans with MRI or CT with obtained MPI images in order to locate cardiac tissues. Magnetic Particle Imaging (MPI) renders for the application on cardiac perfusion imaging, due to its high spatial and temporal resolution and the linearity of the signal with the contrast concentration. Nevertheless, spatial coverage of MPI is currently limited to small volumes, thus there is a need for extended spatial coverage to assess human tissue structures maintaining high temporal resolution. In this work, methods are explored to extend spatial coverage with the aim to improve image registration of MPI images with anatomic reference scans from MRI or CT. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a suitable tool for cardiac function assessment. Cardiac cine imaging is the standard method to acquire heart motion during the entire cardiac cycle. Though, practical challenges still remain in the clinical application of cardiac cine MRI. The common way to obtain cine images is a stack of slices in short axis and long axis orientation, each acquired during 10-12 separate breath-holds. This is a time-consuming task and can be a tedious procedure especially for elder or illed patients in a clinical scenario. Additionally, due to possible patient movements between the breath-holds, slices at different locations can be miss-aligned leading to decreased accuracy in the assessment of cardiac function. We introduce and implement in this work a novel method for cardiac cine MRI called VF 3D-BRISA (“Very Fast 3D Breath-hold ISotropic Imaging using Spatio-temporal Acceleration”) allowing high image acceleration rates of over 30 and implement it on a real 3T MRI system. The high image acceleration is appreciated to perform non-angulated isotropic 3D cine imaging in a single breath-hold, overcoming the challenges of multi-slice 2D cine imaging. For the objective of this thesis, 2D and 3D experiments are conducted to assess optimal imaging parameters for VF 3D-BRISA. Furthermore, we conduct an in-vivo validation study of VF 3D-BRISA to demonstrate that cardiac function can be assessed with the same accuracy as with a reference method of 2D multi-slice cine imaging. Obtener imágenes mediante equipos de tomografía se ha convertido en una parte indispensable en la rutina clínica. Durante una examinación tomográfica, se producen imágenes del interior del cuerpo humano sin la necesidad disectar la piel humana. La forma más común es a través cortes bidimensionales o volúmenes tridimensionales completos. Para capturar procesos dinámicos tales como la función o la perfusión de un órgano, se adquieren en diferentes momentos y ubicaciones espaciales. Las técnicas de imagen más comunes son típicas de imágenes de rayos X, tomografía computarizada (TAC), resonancia magnética (RM) o de imágenes basadas en trazador: como Tomografía por Emisión de Positrones (PET) o tomografía por emisión de fotón único (SPECT). Paralelo a las modalidades comunes, se ha introducido una técnica nueva llamada Imaging de Partículas Magnéticas (MPI) y su posición entre las modalidades establecidas todavía está por definirse. En general, se imponen retos específicos sobre una aplicación cardiovascular de equipos tomográficos. Se requiere velocidad de adquisición para compensar los movimientos respiratorios y cardíacos, y para capturar bien las tasas de absorción rápida de agentes de contraste en el tejido cardíaco. Al mismo tiempo, se exige una alta resolución espacial para evaluar con más precisión la función cardíaca. En esta tesis, nos centramos en las dos principales aplicaciones cardiovasculares: La imagen de perfusión cardiaca y la imagen de función cardíaca. Cada modalidad de tomografía se destaca con sus ventajas e inconvenientes particulares para aplicaciones cardiovasculares. Imagen por Resonancia Magnética (RM), por ejemplo, tiene su principal ventaja en el uso de las radiaciones no ionizantes y su excelente contraste de los tejidos blandos y, por tanto, es adecuada para la evaluación de la función cardíaco. Sin embargo, debido a la no-linealidad de la señal de RM con la concentración de contraste, obtener imágenes de perfusión cardiaca con la RM es difícil y requiere tratamiento matemático y un manejo complejo para medir la función de entrada arterial (“arterial input function”, AIF). Una herramienta más adecuada para la aplicación en imágenes de perfusión es Imaging de partículas magnéticas (MPI), ya que su señal es lineal con la concentración de contraste en un amplio intervalo de concentración. Sin embargo, un inconveniente de MPI es que no hay información anatómica dentro de las imágenes MPI ya que es un método de formación de imágenes basado a trazadores tal como PET o SPECT, por lo que requiere exploraciones de referencia anatómicos con RM o TAC para la fusión de imágenes con imágenes MPI para localizar la ubicación de tejido cardiaco. Imaging de Partículas Magnéticas (MPI) puede ser adecuada para la aplicación de imágenes de perfusión cardiaca, debido a su alta resolución espacial y temporal y la linealidad de la señal con la concentración de contraste. No obstante, la cobertura espacial de MPI se limita actualmente a pequeños volúmenes, por lo tanto se desea una necesidad de cobertura espacial extendida para evaluar las estructuras de tejido humano. En esta tesis, se trabajan métodos para ampliar la cobertura espacial manteniendo alta resolución temporal. Se estima que una cobertura espacial más amplia mejora el registro de imágenes, de imágenes MPI con imágenes de referencia anatómicas por resonancia magnética o tomografía computarizada. La Resonancia Magnética (RM) es adecuada para la evaluación de la función cardíaca. Es el método estándar para adquirir el latido del ventrículo izquierdo durante todo el ciclo cardíaco a través de las imágenes “cine” cardiaca. Aunque, prevalecen desafíos prácticos aún en la aplicación clínica de MRI cine cardíaco. La forma más común de obtener imágenes de cine cardiacas es a través de un grupo de cortes de orientación en eje corto y eje largo, cada uno adquirido en 10-12 apneas separadas. Esta tarea consume tiempo y puede ser un procedimiento tedioso, especialmente para pacientes ancianos y/o enfermos en un escenario clínico. Además, debido a posibles movimientos del paciente entre la retención de respiración, sectores en diferentes lugares pueden ser mal alineados reduciendo la exactitud en la evaluación de la función cardíaca. En esta tesis, se introduce un nuevo método para resonancia magnética cardiaca llamada VF-3D BRISA (""Very Fast 3D Breath-hold ISotropic Imaging using Spatio-temporal Acceleration"") que permite grados altos de aceleración de cine RM cardiaca. Se implementa BRISA en un sistema de RM 3T. Se aprecia esta aceleración alta para adquirir imágenes cine 3D isótropo completo en una sola apnea, superando los retos de la adquisición en múltiples cortes 2D en el estándar cine durante múltiples apneas. Se llevan a cabo experimentos en 2D y 3D para evaluar los parámetros óptimos para la formación de imágenes en 3D VF-BRISA. Además, se lleva a cabo un estudio de validación en vivo de la 3D-VF-BRISA para demostrar que la función cardiaca puede evaluarse con la misma precisión que con el método de referencia utilizando el estándar 2D cine de cortes múltiples. "