The Cardiovascular Magnetic Resonance Machine: Hardware and Software Requirements

The flexibility of cardiac magnetic resonance imaging (MRI) includes faster imaging for applications such as stress tests, ventricular function, myocardial perfusion and coronary artery imaging. Faster imaging makes greater demands on the hardware and software. Although some cardiac imaging can be performed at 0.5 T, some of the faster technique demand the higher signal-to-noise ratio of higher main field, and fat suppression in cardiac images is more easily achieved at higher field. Main field inhomogeneity affects rapid imaging and performance in open-access magnets. High gradient performance, low eddy currents and surface receiver coils are essential for fast cardiac imaging and the hardware of these systems including interventional imaging is discussed. The use of ECG signals for prospective and retrospective cardiac synchronization of MRI is examined. Techniques for reducing the major problem of respiratory motion in MRI are surveyed. Flexibility in the computer architecture of the scanner and the electronics generating the pulse sequence and controlling data acquisition is vital in cardiac imaging, for retrospective cardiac gating, respiratory navigator-controlled imaging and “real-time interactive” imaging in a similar manner to ultrasound imaging. Automated measurements from MR images remain under development. The pulse sequences and image display functions a cardiovascular MRI system should support for basic cardiac imaging applications and current clinical research areas are summarized.ZusammenfassungEine wesentliche Eigenschaft der Magnetresonanztomographie ist ihre Flexibilität, die dadurch zustande kommt, dass mit der gleichen Hardware durch den Einsatz unterschiedlicher Software verschiedene Arten von Bildern erzeugt werden können. Die konventionelle EKG-getriggerte MR-Bildgebung ist so langsam, dass ihr klinischer Einsatz problematisch ist. Schnellere Methoden der Bildgebung machen es möglich, dass Bilder innerhalb einer Atemanhalteperiode hergestellt werden können. Für Anwendungen wie die MR-Darstellung der Myokardperfusion können Bilder sogar innerhalb eines einzigen Herzzyklus erstellt werden. Die schnellere Bildgebung stellt höhere Anforderungen sowohl an die Hardware als auch an die Software.Die MR-Bildgebung am Herzen benötigt nicht immer die höchsten Feldstärken. Bewegungsartefakte sind oft die wesentlichen Determinanten der Bildqualität, und die Voxel bei der kardialen Bildgebung sind größer als bei anderen MR-Anwendungen. MR-Bilder des Herzens können bei einer Feldstärke von 0,5 T erzeugt werden, aber die meisten schnelleren Techniken erfordern eine höhere Feldstärke. Zum Beispiel ist die Fettunterdrückung auf Herzbildern am besten mit einer Technik zu erreichen, die bei einer höheren Feldstärke leichter zu implementieren ist, obwohl eine weniger gute Methode auch auf Niederfeldmaschinen einsetzbar ist. Ganz wesentlich für viele Anwendungen am Herzen ist eine optimierte Homogenität des magnetischen Hauptfeldes. Zum Beispiel ist für die Bildgebung mit Fettunterdrückung eine möglichst niedrige Variabilität der Feldstärke im Bereich der Schnittebene erforderlich. Dies ist schwierig in kurzen Magneten und offenen Magneten zu erreichen. Eine Inhomogenität des Hauptfeldes kann dazu führen, dass die schnelle Bildgebung unzuverlässig wird. Magneten mit offenem Design für interventionelle Anwendungen haben eine schlechtere Feldhomogenität als konventionelle Systeme. Dies führt zusammen mit den schlechteren Gradienteneigenschaften dazu, dass schnellere kardiale Bildgebung und frequenzselektive Fettunterdrückung bei diesen Magneten nicht in adäquater Qualität möglich sind.Die Gradientensysteme, die für die Bildgebung verwendet werden, haben zwei wesentliche Spezifikationen, die ihre Arbeitsweise bestimmen (Abbildung 3). MR-Maschinen, die zur kardialen Bildgebung eingesetzt werden sollten aktiv abgeschirmte Gradientenspulen haben, um Wirbelstromfelder zu minimieren (Abbildung 4). So wird z. B. bei der kardialen Bildgebung die Pulssequenz normalerweise von der R-Zacke im Patienten-EKG ausgelöst, was zu einem variablen Fehler während der Bildgebung führen kann (Abbildung 5). Vor allem für die schnelle kardiale Bildgebung wird die Qualität der Gradientenspulen zum limitierenden Faktor. Um eine bessere Leistung zu erzielen, kann der Spulendurchmesser vermindert werden. Alternativ kann das für die Bildgebung zur Verfügung stehende Volumen bei konstantem Spulendurchmesser reduziert werden, um eine verbesserte Leistung zu erzielen. Dieser Weg vermindert aber das Bildfeld und mögliche räumliche Verschiebungen der Bildebene (Abbildung 6).Eine verbesserte kardiale Bildgebung hängt wesentlich auch von geeigneten Oberflächenempfangsspulen ab. Anordnungen (phased arrays) kleiner überlappender Spulen bieten die Möglichkeit, das gesamte kardiovaskuläre System zu erfassen. Oberflächenspulen können zu hellen Artefakten im Bild führen, die durch die Atembewegung verursacht sind. Eine Unterdrückung dieser Artefakte ist möglich. Sogenannte “wrap around”-Artefakte, bei denen lateral liegende Körperteile ins Bildzentrum geklappt sind, können durch den Ansatz von Oberflächenspulen vermindert werden. Intravaskuläre und transösophageale Spulen ermöglichen die Darstellung von Gefäßen in hoher räumlicher Auflösung, wobei eine automatische Nachverfolgung der Bildebene, in der sich das Katheterende befindet, durchführbar ist. Die derzeitige zeitliche und räumliche Auflösung der Echtzeit-MRT sind für Interventionen am Herzen nicht ausreichend, können aber für andere MR-gesteuerte Interventionen nutzbar gemacht werden. Die Information über die Katheterlage mit Hilfe der verschiedenen Spulen in einem Phased-Array-System kann die notwendige Zeit für die Herstellung eines Bildes reduzieren.Das EKG-Signal wird häufig durch die MR-Bildgebung gestört, so dass ein hoher Rauschpegel entsteht. Bei der prospektiven EKG-Triggerung ist die Zeit, die für die Bildgebung zur Verfügung steht, limitiert, da die Pulssequenz lediglich mit dem Beginn einer R-Zacke gestartet werden kann, um die Rohdaten zu sammeln (Abbildung 7). Die prospektive Form des EKG-Gatings wird durch Veränderungen des RR-Intervalls während der Bildgebung beeinflusst, z. B. Arrhythmien oder durch Belastungsuntersuchungen oder Atemanhaltemanöver ausgelöste Veränderungen der Herzfrequenz. Beim retrospektiven EKG-Gating läuft die Pulssequenz kontinuierlich durch und erfasst Daten, während die gleichzeitige Aufzeichnung der R-Zacken die Reihenfolge der Datenakquisition überwacht. Hierdurch ist eine bessere Auswahl der letztlich in die Bildgebung einfließenden Rohdaten möglich, wenn sich das RR-Intervall während der Bildgebung ändert.