Ventilation measurements using signal differences between expiratory and inspiratory respiration states gained popularity as a biomarker for ventilation abnormalities. One method, which incorpartes such measurements is Phase-resolved functional lung imaging (PREFUL). A further classification of abnormalities such as emphysema and air-trapping beyond the current gas-exchange measurement is desirable. Therefore a MR adaption of CT’s parametric-response mapping (CTPRM) method is proposed as an additional post-processing method for PREFUL. The analysis of 34 patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD), shows that there is a high regional (Overlap normal 91%) and total lung concordance (r>0.86) for the proposed method PREFULPRM and CTPRM.

Abstract Objectives 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI offers evaluation of pulmonary ventilation without inhalation of contrast agent. This study seeks to compare ventilation maps obtained from 3D PREFUL MRI with a direct ventilation measurement derived from 129 Xe MRI in both patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and healthy volunteers. Methods Thirty-one patients with COPD and 12 healthy controls underwent free-breathing 3D PREFUL MRI and breath-hold 129 Xe MRI at 1.5 T. For both MRI techniques, ventilation defect (VD) maps were determined and respective ventilation defect percentage (VDP) values were computed. All parameters of both techniques were compared by Spearman correlation coefficient ( r ) and the differences between VDP values were quantified by Bland–Altman analysis and tested for significance using Wilcoxon signed-rank test. In a regional comparison of VD maps, spatial overlap and Sørensen–Dice coefficients of healthy and defect areas were computed. Results On a global level, all 3D PREFUL VDP values correlated significantly to VDP measure derived by 129 Xe ventilation imaging (all r > 0.65; all p < 0.0001). 129 Xe VDP was significantly greater than 3D PREFUL derived VDP RVent (mean bias = 10.5%, p < 0.001) and VDP FVL-CM (mean bias = 11.3%, p < 0.0001) but not for VDP Combined (mean bias = 1.7%, p = 0.70). The total regional agreement of 129 Xe and 3D PREFUL VD maps ranged between 60% and 63%. Conclusions Free-breathing 3D PREFUL MRI showed a strong correlation with breath-hold hyperpolarized 129 Xe MRI regarding the VDP values and modest differences in the detection of VDs on a regional level. Clinical relevance statement 3D PREFUL MRI correlated with 129 Xe MRI, unveiling regional differences in COPD defect identification. This proposes 3D PREFUL MRI as a ventilation mapping surrogate, eliminating the need for extra hardware or inhaled gases. Key Points Current non-invasive evaluation techniques for lung diseases have drawbacks; 129 Xe MRI is limited by cost and availability . 3D PREFUL MRI correlated with 129 Xe MRI, with regional differences in identifying COPD defects . 3D PREFUL MRI can provide ventilation mapping without the need for additional hardware or inhaled gases .

Abstract Purpose In vivo studies are often required to prove the functionality and safety of medical devices. Clinical trials are costly and complex, adding to ethical scrutiny of animal testing. Anthropomorphic phantoms with versatile functionalities can overcome these issues with regard to medical education or an effective development of assistance systems during image-guided interventions (e.g., robotics, navigation/registration algorithms). In this work, an MRI-compatible and customizable motion phantom is presented to mimic respiratory-triggered organ movement as well as human anatomy. Methods For this purpose, polyvinyl alcohol cryogel (PVA-C) was the foundation for muscles, liver, kidneys, tumors, and remaining abdominal tissue in different sizes of the abdominal phantom body (APB) with the ability to mimic human tissue in various properties. In addition, a semi-flexible rib cage was 3D-printed. The motion unit (MU) with an electromagnetically shielded stepper motor and mechanical extensions simulated a respiration pattern to move the APB. Results Each compartment of the APB complied the relaxation times, dielectricity, and elasticity of human tissue. It showed resistance against mold and provided a resealable behavior after needle punctures. During long-term storage, the APB had a weight loss of 2.3%, followed by changes to relaxation times of 9.3% and elasticity up to 79%. The MU was able to physiologically appropriately mimic the organ displacement without reducing the MRI quality. Conclusion This work presents a novel modularizable and low-cost PVA-C based APB to mimic fundamental organ motion. Beside a further organ motion analysis, an optimization of APB’s chemical composition is needed to ensure a realistic motion simulation and reproducible long-term use. This phantom enhances diverse and varied training environments for prospective physicians as well as effective R&D of medical devices with the possibility to reduce in vivo experiments.

Motivation: 3D MR-thermometry enhances microwave ablation success by providing real-time temperature and ablation insights. However, clinical availability is limited due to challenges such as breathing motion and electromagnetic interferences. Goal(s): Our study conducts 3D MR-thermometry comparing stack-of-stars and a stack-of-spirals sequences using a clinically approved generator and phantoms simulating breathing motion. Approach: Temperature precision and precision of ablation zones of both sequences were compared. Results: Stack-of-spirals sequence seems to be the superior MR-thermometry sequence. Dice scores of around 90 % and temperature precisions around 1&deg;C were reached with very little image degradation due to motion or electromagnetic interferences. Impact: Our study shows the possibility of motion robust 3D MR-thermometry using a clinically approved microwave generator. Future developments might provide real-time 3D MR thermometry during clinical abdominal thermal therapies, enhancing their success and increasing the total number of MR interventions.

Motivation: Flow-related enhancement (FREE)-MRI could be used to generate phase-resolved perfusion-weighted brain maps. Goal(s): To test cerebral blood flow (CBF) estimation using the pulse wave amplitude in FREE-MRI. Secondly, the potential for acceleration was evaluated retrospectively. Approach: Twenty-four healthy subjects had cerebral MRI with balanced steady-state free precession imaging (FREE-MRI) and with pCASL-MRI for comparison. Results: The value distribution of the estimated CBF showed disparity of the values between both techniques in the histogram. A Kolmogorov-Smirnov test confirmed differing probability distributions. The approximated CBF from FREE-MRI remained stable until 50% of the data was reconstructed and reveals large potential acceleration. Impact: The proposed technique allows a rough approximation of the cerebral blood flow. Further sequence optimization must be achieved to improve the measurement of lowly perfused tissues. Nevertheless, the technique offers large potential for imaging speed optimization.

Motivation: Although lower B0 field strength generally lead to lower SNR, metasurface resonators can greatly increase the sensitivity of scanner-integrated coils to practically perform wireless imaging. Goal(s): This work investigates the dependence of the resonance frequency on metasurface enhancements and evaluates the potential towards developments designed for low-field applications. Approach: The capabilities of three geometrically identical metasurfaces were experimentally compared at field strengths of 0.55T, 1.5T and 3T. Images were acquired using the table-integrated spine-coils. Results: The achieved SNR enhancements beneath the metasurface increased with lower field strength and were highest at 0.55T with 27-fold gain. Impact: The significant SNR gain achieved at low-field paves the way for further development and implementation of wireless metasurface technologies in MRI. As flexible and cost-effective alternatives or additions to conventional coils, they can additionally ease patient postitioning.

Motivation: The classical PRFS-based approach to MR-thermometry cannot be used in adipose tissue and is vulnerable to susceptibility artifacts. Nonetheless, the PRFS-based method is quite accurate in aqueous tissue when no severe susceptibility artifacts occur. Goal(s): A simultaneous measurement of T1 could be used to account for susceptibility artifacts and perform thermometry in adipose tissue. Approach: An MRF sequence was designed to measure T1 and the PRF at the same time. It was tested during a microwave ablation on a liver phantom. Results: The PRFS-based temperature maps had a higher temperature accuracy while the T1-based temperature maps performed better in predicting the ablation zone. Impact: It was shown that simultaneous T1- and PRFS-based 3D-Thermometry is possible using MRF. While the T1 proved to be more robust to susceptibility-induced errors, the PRF had a better temperature accuracy. A combined approach could provide a more accurate MR-thermometry.

Motivation: Treatment monitoring of irreversible electroporation (IRE) is only feasible on small animal MRI systems. Goal(s): Demonstrate Current Density Imaging capabilities of the two-shot CP/CPMG-RARE with spiral sampling by monitoring IRE of a potato in a clinical MR scanner. Approach: A potato is irreversibly electroporated, while the two-shot CP/CPMG-RARE sequence is acquiring. The electric field is simulated, and the current density is projected using the MRCI toolbox. T1 maps are calculated from inversion recovery sequences. Results: Simulated and projected current density fields are in good agreement. IRE monitoring in single slices is feasible in clinical MR scanners in optimal conditions. Impact: Irreversible Electroporation is a promising non-thermal ablation therapy without in-situ validation available. This work presents a step towards implementing treatment monitoring on clinical MR scanners utilizing a two-shot CP/CPMG-RARE with spiral sampling as Current Density Imaging sequence.

Motivation: Noise is a challenge for real-time MR-thermometry. The Extended Kalman Filter (EKF) has been shown to reduce noise successfully in temperature maps. Goal(s): We modified KalmanNet, a recurrent neural network emulating an EKF, using a proper orthogonal decomposition (POD) to reduce computational cost. Approach: POD-KalmanNet was applied to microwave ablations of 14 bioprotein phantoms. Mean squared errors (MSE) and S&oslash;rensen-Dice-Coefficient (DSC) were compared between noisy and filtered data. Results: Results show a highly significant reduction of MSE (p &lt; 0.001) and a significant increase of DSC (p &lt; 0.05) for filtered images compared to noisy images. POD-KalmanNet could enable real-time filtering of MR-Thermometry. Impact: KalmanNet was modified using proper orthogonal decomposition. This modification allows lower memory usage and inference times. It makes the application of KalmanNet to 3D temperature maps practically feasible. Reducing noise in 3D temperature maps can improve outcomes of thermoablation procedures.

Motivation: A previous study showed that MR-signal-based (RVent) and deformation-based approaches (JVent) for ventilation are theoretically equivalent, but result in different defects in a digital lung model. A verification of this finding using real data is pending. Goal(s): Test if both ventilation parameters result in significant differences on a global and regional level. Approach: A retrospective analysis of 32 patients with non-CF Bronchiectasis was performed, calculating RVent, JVent and corresponding ventilation defects for three registration variants. Results: There were significant differences and patterns on a global and regional level, which are consistent with the findings in the lung model study. Impact: Inferior-superior gradient in deformation-based ventilation measurements might lead to a biased defect detection. Therefore, use of such parameters might require further correction and/or diligent registration optimization. Thus, signal-based ventilation with more stable performance across different registration variants might be benefical.