U.S. Department of

Health and Human

Sevices

National Institutesof Health

National Heart, Lung,and Blood Institute

Late GadoliniumEnhancement:Image Acquisition

Peter Kellman

Disclosures

I have no financial relationships to disclose.

                 - and -

I will discuss the following off label use in my presentation:

          Use of contrast agent for late enhancement imaging

Peter Kellman, Ph.D., NHLBI/NIH

Late Enhancement Principle

Late Enhancement Principle

time

Normal Myocardium

Infarcted Myocardium

Ischemic but

Viable Myocardium

First-Pass

DelayedEnhancement

Gadolinium

contrast

injection

Late Gd Enhancement in Myocardial Infarction

Late Gd Enhancement in Myocardial Infarction

Acute MI

ruptured cell membrane

Chronic MI

collagen matrix

Normal

intact cell membrane

Mahrholdt H, et al. European Heart Journal. 2002; 23, 602–619.

Kim RJ, et al. Circulation. 1999;100:1992-2002.

Arheden H, Radiology. 1999 Jun;211(3):698-708.

myocarditis with

mid-wall LGE

sub-endocardial

chronic MI

transmural

chronic MI

acute MI

with dark core

HCM with patchy LGE

myocarditis with

epicardial LGE

T1-weighting imaging sequences

Inversion recoveryInversion recovery

Saturation recovery

Steady state spoiled-GRE

Simonetti OP, et al., Radiology. 2001; 218:215-23.

•Extracellular agent which shortens T1

•Shorter T1 becomes bright on T1-weighted image

inversion recovery

time

signal

intensity

long T1

short T1

+

0

_

inversion recovery imaging

MI

Blood

normal

0

100

200

300

400

500

600

-1

-0.5

0

0.5

1

TI (ms)

null normal myocardium

Inversion time insensitivity

Magnitude images

Huber A, et al., Radiology. 2005 Dec;237(3):854-60.

Setser RM, et al., JMRI. 2005 May;21(5):650-5.

Phase Sensitive images

inversion time

set early

inversion time

set late

normal

myocardium

nulled

inversion time

Kellman P, et al, Magn Reson Med. 2002 Feb; 47(2):372-83.

Typical Protocol (1.5T)

Gadolinium dose:0.1-0.2 mmol/kg

time from dose:10-20 minutes

pulse sequence:ECG gated (diastolic), segmented, turbo-FLASH

k-space acquisition: linear interleaved order

spatial resolution (typical):1.4 x 2 x 6 mm3 (256 x 135 matrix)

TE/TR/TI: 3.9/8.5/250-300 ms (adjusted to approx null normal myo)

bandwidth:140 Hz/pixel

imaging window:145-200 ms (17-23 views per segment)

IR preparation (non-selective):2 R-R

breath-hold duration:14-18 heart beats/slice (including 2 HB discarded acq)

(8-10 heart beats using 2x accelerated parallel imaging)

RF flip angle:25° IR image (PSIR PD image uses 5° reference)

Kim RJ, et al., JCMR. 2003;5(3):505-514.

Setting Optimum Inversion TimeTI Scout Approach (SSFP IR cine)

95

200

305

408

120

225

330

435

148

253

355

460

173

278

383

488

Gupta A, Lee VS, Chung YC, Babb JS, Simonetti OP. Myocardial infarction: optimization ofinversion times at delayed contrast enhanced MR imaging. Radiology 2004;233:921–926.

2 R-R versus 1 R-R triggering

2 R-R inversions

1 R-R inversions

Using inversions every RR leads to incomplete magnetization recoveryand, therefore

•loss of SNR

•sensitivity to R-R variations -> artifacts

Single heartbeat late enhancement

•Rapid, multi-slice acquisition

•Arrhythmia insensitive

•Free-breathing acquisition

Huber A, et al., Investigative Radiology. 2006 Feb;41(2):148-53.

Huber A, et al., AJR. 2006 Mar;186(3):627-33.

Sievers B, et al., Circulation. 2007 Jan 16;115(2):236-44.

inversion

imagereadout

Kellman P, et al., MRM. 2004 Feb;51(2):408-12.

conventional

segmented with

poor breath-hold

single-shot

free breathing

Single Shot Pulse Sequence

EKG

R-wave trigger

180° inversion pulses

(delayed)

magnetization

single shot acquisition

(during mid-diastole)

      

1 2 3 4                 N

      

1 2 3 4                N

IR data

(50° flip angle)

reference data

(8° flip angle)

pulse sequence:SSFP

k-space acq: ECG gated, single-shot

resolution:256 x 128

TE/TR: 1.2/2.7 ms

bandwidth:977 Hz/pixel

imaging window:172 ms

64 views using R=2

parallel imaging

RF flip angle:50° IR image (8° reference)

imaging duration:2 heart beats/slice

Motion corrected averagingfree-breathing late enhancement

accelerated

single shotacquisition

respiratorymotioncorrection

averaging

raw

motion corrected

Full FOV

zoom

parallel imaging

rate 2

Kellman P, et al., MRM. 2004 Feb;51(2):408-12.

Ledesma-Carbayo MJ, et al., JMRI. 2007. Jul; 26(1):184-190

Conventionl

IR-turboFLASH

breath-held

accelerated single-shot

IR-SSFP

free-breathing

single frame

16 HB

single frame

2 HB

8 averages

16 HB

motion

corrected

same acquisition time

Respiratory Motion Corrected Averaging:

Selective averaging ~ 50% of “best” frameseffectively mitigates thru plane motion

Rate 3 with 256x144 matrix

motion corrected

average

single heart beat

images

motion corrected

Free-breathing PSIR LGE

9-slice, 4 repetition MOCO average

72 s for SAX stack

MI-to-blood pool contrast

good contrast MI-to-blood

poor contrast MI-to-blood

10 min

20 min

time from Gd administration

Intramyocardial Fat:may lead to false late enhancement

WATER

FAT

conventional PSIR

late enhancement

multi-echo PSIR

fat/water separated

late enhancement

apparent lateenhancement

inversion time(TI)

magnetization

normal

MI

fat

Chronic MI Patient:Fibro-fatty infiltration

Fatty

   infiltration

MI

WATER

FAT

1  2  3           M

      

N-echoes per PE line

IR data

(25° flip angle)

reference data

(5° flip angle)

multi-echo PSIR GRE sequence

Review

Review

•Gd-DTPA extra-cellular contrast agent

• normal and fibrotic tissue have different kinetics

•T1-weighted imaging

• inversion recovery (IR)

• segmented FLASH or single-shot SSFP

• TI scout or phase sensitive IR (PSIR)

•Single Shot, Respiratory Motion Corrected Averaging

•Fat-water separated late enhancement

time

DelayedEnhancement

Gadolinium

contrast

injection

Gd washout