Parallele Sendetechniken und RF-Pulsdesign für Ultrahochfeld in vivo Anwendungen

Die Bildgebung in der Ultrahochfeld-MR-Tomographie (UHF-MRT) bei Feldstärken von 7 Tesla bietet diverse Vorteile wie beispielsweise ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), höhere spektrale Auflösungen, oder in vielen Fällen auch einen stärkeren Kontrast zwischen unterschiedlichen Geweben oder zwischen Gewebe und Gefäß. Gleichzeitig bringt die UHF-MRT aber auch diverse Probleme mit sich, welche meist in der höheren Frequenz der elektromagnetischen (EM) Radiofrequenz-Pulse (RF-Pulse) begründet sind.

Die Frequenz der RF-Pulse steigt linear mit der Feldstärke an, wodurch sich die Wellenlänge verkürzt und bei einer Feldstärke von 7 Tesla im menschlichen Gewebe bei etwa 11 cm liegt.  Dies führt zu räumlich variierenden Amplituden und Phasen der magnetischen (B₁⁺) und elektrischen (E) Komponente des RF Anregungsfeldes. Das inhomogene B₁⁺-Feld führt zu räumlich variierenden Flipwinkeln und damit zu inhomogenem Bildkontrast. In ungünstigen Fällen kann es bis zu lokalen Auslöschungen des Signals kommen, wie beispielsweise in der Abbildung gezeigt ist. Dieser Effekt ist besonders stark bei der MRT-Körperbildgebung ausgeprägt, unter anderem weil hier die Ausmaße des Zielvolumens größer sind als im Verhältnis zum Kopf. Gleichzeitig führt das heterogene elektrische Feld zu einer lokal variierenden spezifischen Absorptionsrate (SAR), welche ein sicherheitsrelevanter Parameter ist.

Um diese Probleme zu beheben, werden diverse Anregungstechniken entwickelt und angewendet, welche auf dem Prinzip des parallelen Sendens (PTX) basieren. Hierzu werden mehrere voneinander unabhängige Sendeelemente verwendet, die so angesteuert werden, dass durch die Überlagerung der individuellen Felder zum Ende des Anregungsprozesses das gewünschte Anregungsmuster entsteht. Letzteres kann beispielsweise eine homogene Anregung sein oder auch eine lokale Anregung eines 3D-selektiven Volumens.

Ein wichtiger Punkt hierbei sind die sogenannten "Spoke RF-Pulse", welche einerseits eine schichtselektive Anregung und andererseits eine homogene Anregung innerhalb der Schicht ermöglichen. Diese Pulse ermöglichen insbesondere bei Anwendungen im Körperstamm die räumliche Flipwinkel-Inhomogenität auszugleichen, wie Abbildung 1 zeigt. 

Die räumlich selektive Anregung ermöglicht es des Weiteren, die Bildgebung nur auf das relevante Zielvolumen zu begrenzen, wie in Abbildung 2 dargestellt ist. Dadurch kann die Aufnahmedauer weiter verkürzt oder wahlweise die Auflösung erhöht werden. 2D/3D-selektive Anregung wird durch zeitlich variable Gradienten in die entsprechenden zwei/drei Raumrichtungen und einem simultanen RF-Puls realisiert. Die zusätzliche räumliche Einschränkung in zwei/drei Dimensionen im Vergleich zur 1D-Schichtselektion führt in der Regel zu verlängerten Anregungszeiten. Dieses Problem wird unter anderem durch die parallele Anregungstechnik gelöst, welche eine Verkürzung der Anregungszeit und eine Verbesserung des Anregungsprofils ermöglicht.

Ein Fokus der Gruppe liegt insbesondere in der in vivo Anwendung der o.g. RF-Pulse für diverse Fragestellungen bei ultrahohem Feld.