3D sampling of K-Space with Non-Cartesian Trajectories in MR Imaging

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 2, 1039 - 1048

Mehmet Sait Dündar , Bülent Yılmaz

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1339778

Öz

In contemporary Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques, data acquisition is predominantly conducted through two-dimensional Cartesian sampling. However, this sampling method can lead to issues such as gaps between slices. Three-dimensional acquisition involves stimulating the entire volume to be imaged with a Radio Frequency (RF) pulse and mapping the received signals onto a three-dimensional k-space. This sampling can be performed using Cartesian coordinates, but non-Cartesian trajectories are often preferred for their time efficiency.

In this study, an innovative MRI sequence that samples the three-dimensional k-space using non-Cartesian concentric shell trajectories has been developed. This sampling method comprises 32 concentric shells of varying radii and incorporates undersampling techniques to enhance data acquisition speed. The developed MRI sequence is capable of efficiently filling the three-dimensional k-space with its concentric shell structure. This sequence has been subjected to MRI simulations and successfully tested. Consequently, a sequence capable of completing three-dimensional acquisition in less than one second, effectively filling the k-space, has been successfully developed. These findings offer an innovative alternative to current practices in MRI and advance research in this field.

Anahtar Kelimeler

MRI, k-space, non-cartesian, trajectory, concentric shell

Etik Beyan

This research has been conducted in full compliance with all ethical principles and rules. Throughout the research process, scientific integrity and transparency have been fundamental. At every stage of the study, the integrity and reliability of the research have been maintained. During this study, no experiments were conducted on any human or animal subjects. Additionally, all devices and software used in the research have been utilized under the permission and guidance of the relevant manufacturers. Throughout the research, there have been no conflicts of interest. The funding for the research has been secured from clearly stated and approved sources. Finally, all authors of this study have agreed to fully adhere to the ethical principles of the research and have committed to upholding these principles throughout all stages of the research.

Destekleyen Kurum

Erciyes University

Proje Numarası

EEEAG-114661

Teşekkür

The success of this study has been achieved thanks to the collaboration between Erciyes University and Siemens A.Ş. In this context, I extend my deepest gratitude to Siemens A.Ş. for providing the IDEA software and FLASH sequence for research purposes. Lastly, I would like to express my gratitude to Kazım Z. Gümüş, who mentored me throughout this research process. His guidance and valuable contributions have been a significant factor in the success of this study.

MR görüntülemede kartezyen olmayan yörüngelerle K-Uzayının 3 boyutlu örneklenmesi

Öz

Çağdaş Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) tekniklerinde, veri akuzisyonu genellikle iki boyutlu kartezyen örnekleme ile gerçekleştirilmektedir. Ancak, bu örnekleme yöntemi, kesitler arasında boşluklar gibi bazı sorunlara neden olabilmektedir. Üç boyutlu akuzisyon, Radyo Frekansı (RF) pulsu ile görüntülenecek olan tüm hacmin uyarılmasını ve elde edilen sinyallerin üç boyutlu k-uzayına örneklenmesini kapsamaktadır. Bu örnekleme yöntemi, kartezyen koordinatlara sahip olabileceği gibi, zaman açısından daha verimli olduğundan genellikle kartezyen olmayan yörüngelerle de gerçekleştirilmektedir.

Bu araştırmada, kartezyen olmayan iç içe kabuk yörüngeleri kullanılarak üç boyutlu k-uzayını örnekleyen yenilikçi bir MR sekansı geliştirilmiştir. Bu örnekleme yöntemi, farklı yarıçaplı 32 adet iç içe kabuktan oluşmakta ve veri akuzisyon hızını artırmak için az-örnekleme tekniği de uygulanmaktadır. Geliştirilen MR sekansı, aynı merkezli kabukların oluşturduğu iç içe yapı ile üç boyutlu k-uzayını etkin bir şekilde doldurabilme yeteneğine sahiptir. Bu sekans, MRG simülasyonlarına tabi tutularak başarılı bir şekilde test edilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen sekansın, üç boyutlu akuzisyonu bir saniyeden daha kısa sürede tamamlayarak k-uzayını doldurabilme kabiliyetine sahip olduğu gösterilmiştir. Bu bulgular, MRG alanındaki mevcut uygulamalara yenilikçi bir alternatif sunmakta ve bu alandaki araştırmaları ileriye taşımaktadır.

Anahtar Kelimeler

MRG, k-uzayı, kartezyen olmayan, iç-içe kabuk, yörünge

Etik Beyan

Bu araştırma, tüm etik ilkeler ve kurallara uygun bir şekilde yürütülmüştür. Araştırma sürecinde, bilimsel dürüstlük ve şeffaflık temel alınmıştır. Çalışmanın her aşamasında, araştırmanın bütünlüğü ve güvenilirliği korunmuştur. Bu çalışma sırasında, herhangi bir insan veya hayvan denek üzerinde deney yapılmamıştır. Ayrıca, araştırmada kullanılan tüm cihazlar ve yazılımlar, ilgili üreticilerin izni ve rehberliği altında kullanılmıştır. Araştırma süresince, herhangi bir çıkar çatışması yaşanmamıştır. Araştırmanın finansmanı, açıkça belirtilen ve onaylanan kaynaklardan sağlanmıştır. Son olarak, bu çalışmanın tüm yazarları, araştırmanın etik ilkelerine tamamen uymayı kabul etmişlerdir ve araştırmanın tüm aşamalarında bu ilkeleri sürdürmeyi taahhüt etmişlerdir.

Destekleyen Kurum

Erciyes Üniversitesi

Proje Numarası

EEEAG-114661

Teşekkür

Çalışmanın başarısı, Erciyes Üniversitesi ile Siemens A.Ş. arasındaki iş birliği sayesinde sağlanmıştır. Bu bağlamda, araştırma amaçlı kullanımımıza sunulan IDEA yazılımı ve FLASH sekansı için Siemens A.Ş.'ye derin minnettarlığımı sunarım. Son olarak, bu çalışma sürecinde bana mentorluk yapan Kazım Z. Gümüş'e şükranlarımı sunuyorum. Onun rehberliği ve değerli katkıları, bu çalışmanın başarısında önemli bir etken olmuştur.

Kaynakça

• 1. Glover G. H., Pauly J. M., Projection reconstruction techniques for reduction of motion effects in MRI, Magnetic Resonance in Medicine, 28 (2), 275-289, 1992.
• 2. Nishimura D. G., Time-of-flight MR angiography, Magnetic Resonance in Medicine, 14 (2), 194-201, 1990.
• 3. Pipe J. G., Menon P., Sampling density compensation in MRI: rationale and an iterative numerical solution, Magnetic Resonance in Medicine, 41 (1), 179-186, 1999.
• 4. Zahneisen B., et al., Single shot concentric shells trajectories for ultra fast fMRI, Magnetic Resonance in Medicine, 68 (2), 484-494, 2012.
• 5. Schweser F., Deistung A., Lehr B. W., Reichenbach J. R., Differentiation between diamagnetic and paramagnetic cerebral lesions based on magnetic susceptibility mapping, Medical Physics, 37 (10), 5165-5178, 2010.
• 6. Jackson J. I., Meyer C. H., Nishimura D. G., Macovski A., Selection of a convolution function for Fourier inversion using gridding (computerised tomography application), IEEE Transactions on Medical Imaging, 10 (3), 473-478, 1991.
• 7. Rettenmeier C. A., Maziero D., Stenger V. A., Three dimensional radial echo planar imaging for functional MRI, Magnetic Resonance in Medicine, 87 (1), 193-206, 2022.
• 8. Fessler J. A., Sutton B. P., Nonuniform fast Fourier transforms using min-max interpolation, IEEE Transactions on Signal Processing, 51 (2), 560-574, 2003.
• 9. Jacobson J. I., Effect of weak magnetic fields on biological systems, International Journal of Neuroscience, 67 (1–4), 125-126, 1992.
• 10. Hargreaves B. A., Nishimura D. G., Conolly S. M., Time-Optimal Multidimensional Gradient Waveform Design for Rapid Imaging, Magnetic Resonance in Medicine, 51 (1), 81-92, 2004.
• 11. Lustig M., Kim S. J., Pauly J. M., A fast method for designing time-optimal gradient waveforms for arbitrary k-space trajectories, IEEE Transactions on Medical Imaging, 27 (6), 866-873, 2008.
• 12. King K. F., Foo T. K. F., Crawford C. R., Optimized gradient waveforms for spiral scanning, Magnetic Resonance in Medicine, 34 (2), 156-160, 1995.
• 13. Shu Y., Riederer S. J., Bernstein M. A., Three-dimensional MRI with an undersampled spherical shells trajectory, Magnetic Resonance in Medicine, 56 (3), 553-562, 2006.
• 14. Pipe J. G., Menon P., Sampling density compensation in MRI: rationale and an iterative numerical solution, Magnetic Resonance in Medicine, 41 (1), 179-186, 1999.
• 15. Liu C., Bammer R., Kim D. H., Moseley M. E., Self-navigated interleaved spiral (SNAILS): Application to high-resolution diffusion tensor imaging, Magnetic Resonance in Medicine, 52 (6), 1388-1396, 2004.
• 16. Aggarwal M., Zhang J., Pletnikova O., Crain B., Troncoso J., Mori S., Feasibility of creating a high-resolution 3D diffusion tensor imaging based atlas of the human brainstem: A case study at 11.7T, Neuroimage, 74, 117-127, 2013.
• 17. Lustig M., Donoho D., Pauly J. M., Sparse MRI: The application of compressed sensing for rapid MR imaging, Magnetic Resonance in Medicine, 58 (6), 1182-1195, 2007.
• 18. Gümüş K., Dündar M. S., Şenol S., Bilgen M., Shell trajectory sampling of k-space in magnetic resonance imaging, Journal of Biotechnology, 231, 104, 2016.
• 19. Rosenzweig S., Holme H. C. M., Wilke R. N., Voit D., Frahm J., Uecker M., Simultaneous multi-slice MRI using cartesian and radial FLASH and regularized nonlinear inversion: SMS-NLINV, Magnetic Resonance in Medicine, 79, 2057-2066, 2018.
• 20. King K. F., Optimized gradient waveforms for spiral scanning, Magnetic Resonance in Medicine, 34 (2), 156-160, 1995.
• 21. Freitas A. C., Comparison of Cartesian and Non-Cartesian Real-Time MRI Sequences at 1.5T to Assess Velar Motion and Velopharyngeal Closure during Speech, PLoS One, 11 (4), e0153322, 2016.
• 22. Liang Z. P., Lauterbur P. C., Principles of Magnetic Resonance Imaging: A Signal Processing Perspective, Wiley-IEEE Press, 2000.
• 23. Prince M. R., et al., Incidence of nephrogenic systemic fibrosis at two large medical centers, Radiology, 248 (3), 807-816, 2008.
• 24. Dündar M. S., İçer S., MR Görüntülemede QSM Yöntemi Uygulaması ve Kartezyen Olmayan Yörüngelerle 3 Boyutlu K-Uzayının Örneklenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, Türkiye, 2017.