[论文解读] Free-Breathing Myocardial T1 Mapping using Inversion-Recovery Radial FLASH and Motion-Resolved Model-Based Reconstruction

Xiaoqing Wang, Sebastian Rosenzweig+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 42被引用 4

一句话总结

本文提出了一种使用反转恢复径向FLASH和运动分辨模型重建的自由呼吸心肌T₁映射技术，可在两分钟内实现无需屏气的准确、精确且可重复的T₁映射。该方法校正了在反转之间T₁恢复不完全的问题，通过SSA-FARY从k空间数据中估计呼吸运动，并采用无校准、运动分辨的重建方法，结合时空总变分和稀疏性约束，以提高图像质量和参数准确性。

ABSTRACT

Purpose: To develop a free-breathing myocardial T1 mapping technique using inversion-recovery (IR) radial fast low-angle shot (FLASH) and calibrationless motion-resolved model-based reconstruction. Methods: Free-running (free-breathing, retrospective cardiac gating) IR radial FLASH is used for data acquisition at 3T. First, to reduce the waiting time between inversions, an analytical formula is derived that takes the incomplete T1 recovery into account for an accurate T1 calculation. Second, the respiratory motion signal is estimated from the k-space center of the contrast varying acquisition using an adapted singular spectrum analysis (SSA-FARY) technique. Third, a motion-resolved model-based reconstruction is used to estimate both parameter and coil sensitivity maps directly from the sorted k-space data. Thus, spatiotemporal total variation, in addition to the spatial sparsity constraints, can be directly applied to the parameter maps. Validations are performed on an experimental phantom, eleven human subjects, and a young landrace pig with myocardial infarction. Results: In comparison to an IR spin-echo reference, phantom results confirm good T1 accuracy when reducing the waiting time from five seconds to one second using the new correction. The motion-resolved model-based reconstruction further improves precision compared to the spatial regularization-only reconstruction. Aside from showing that a reliable respiratory motion signal can be estimated using modified SSA-FARY, in vivo studies demonstrate that dynamic myocardial T1 maps can be obtained within two minutes with good precision and repeatability. Conclusion: Motion-resolved myocardial T1 mapping during free-breathing with good accuracy, precision and repeatability can be achieved by combining inversion-recovery radial FLASH, self-gating and a calibrationless motion-resolved model-based reconstruction.

研究动机与目标

• 开发一种无需屏气的自由呼吸T₁映射技术，以提高患者舒适度和扫描可行性。
• 当将重复时间从5秒减少到1秒时，校正反转脉冲之间T₁恢复不完全的问题，以提高扫描效率。
• 通过改进的SSA-FARY方法，直接从k空间数据中估计呼吸运动，实现无需外部设备的自门控。
• 通过在无校准的模型基础上结合时空总变分和稀疏性约束，实现高精度的运动分辨T₁图重建。
• 在体模、健康人体和心肌梗死动物模型中验证该方法，证明其准确性和可重复性。

提出的方法

• 该方法在3T扫描仪上使用自由呼吸和回顾性心脏门控的反转恢复径向FLASH进行k空间数据采集。
• 推导出一种解析校正方法，以补偿短重复时间下T₁恢复不完全的影响，提高T₁准确性。
• 通过改进的奇异谱分析（SSA-FARY）技术，从对比度变化的径向数据k空间中心估计呼吸运动。
• 应用运动分辨的模型重建方法，直接从排序后的k空间数据中估计T₁图和线圈灵敏度图。
• 重建过程通过IRGNM-ADMM算法引入时空总变分和空间稀疏性约束，以提升精度并降低噪声。
• 该方法为无校准方法，避免了对单独线圈灵敏度校准扫描的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用T₁恢复不完全的解析校正方法将重复时间从5秒减少到1秒时，T₁映射的准确性是否能够保持？
• RQ2 通过改进的SSA-FARY方法，能否仅从k空间中心数据可靠地估计呼吸运动，而无需外部监测设备？
• RQ3 与仅使用空间正则化相比，采用时空总变分和稀疏性约束的运动分辨模型重建是否能提高T₁图的精度？
• RQ4 能否在临床可行的扫描时间（两分钟内）内，实现健康和病理心肌组织的高精度、高精度和可重复的自由呼吸T₁映射？
• RQ5 该方法在多种成像场景下（包括体模、健康志愿者和心肌梗死动物模型）是否具有鲁棒性？

主要发现

• 体模研究证实，所提出的T₁校正方法在将重复时间从5秒减少到1秒时仍能保持高准确性。
• 与仅使用空间正则化的重建方法相比，运动分辨的模型重建显著提高了T₁精度，尤其在动态组织区域表现更优。
• 改进的SSA-FARY方法成功地从k空间数据中估计出呼吸运动信号，实现了有效的自门控，无需外部硬件。
• 体内研究显示，健康人体受试者可在两分钟内获得高精度且具有良好可重复性的动态心肌T₁图。
• 该方法在心肌梗死的年轻Landrace猪模型中实现了可靠的T₁定量，显示出在临床患者应用中的潜力。
• 通过GPU加速实现，重建时间缩短至25分钟，但为实现临床工作流程集成，仍需进一步优化。