T1-mapping in the Heart:Accuracy & Precision
nih_logo
dhhs1
Export Wizard-1
U.S. Department of
Health and Human
Services
National Institutesof Health
National Heart, Lung,and Blood Institute
Peter Kellman, Ph.D.
Precise
Imprecise
(reproducibility
error)
Accurate
Inaccurate
(systematic error)
Accuracy vs Precision:
Landmarks in Myocardial T1-mapping
D.R. Messroghli et al, MRM 2004
Single breath-hold (MOLLI)
 D.M. Higgins et al, Med Physics 2005
Saturation Recovery (SAP1)
L. Iles et al, JACC 2008
Multiple FLASH acquisitions
S.K. Piechnik et al., JCMR 2010
Shortened Breath-hold (ShMOLLI)
E. Schelbert et al., JCMR 2010
Hybrid MOLLI Protocols
H. Xue et al., MRM 2012
PSIR Motion Corrected MOLLI
K. Chow et al., ISMRM 2012
Single BH Saturation Recovery (SASHA)
S. Weingärtner et al., SCMR 2013
Hybrid Inversion/Saturation Recovery (SAPPHIRE)
0
2000 ms
T1
MOLLI Image Acquisition
Messroghli DR, et al. Modified Look-Locker inversion recovery (MOLLI) for high-resolution T1 mapping of theheart. Magn Reson Med. 2004;52(1):141-6.
Messroghli DR, et al. Optimization and validation of a fully-integrated pulse sequence for modified look-lockerinversion-recovery (MOLLI) T1 mapping of the heart. J Magn Reson Imaging 2007;26:1081-6.
3(3)3(3)5
protocol
0
0
1
TI (ms)
pixelwise fit
T1 map
3-parameter model
S = A – B exp(-TI/T1*)
T1 ≈ T1* (B/A – 1)
combined influence ofreadout & imperfectinversion
T1 ≈ T1* (B/A – 1)/

Simple correction for T1* based on continuous FLASH readout leads to error
Gai ND, et al. Modified Look-Locker T(1) evaluation using Bloch simulations: Human andphantom validation. Magn Reson Med. 2012 Mar 27.
Kelvin Chow, et al. T2-dependent errors in MOLLI T1 values: simulations, phantoms, and in-vivo studies. J Cardiovasc Magn Reson 2012, 14(Suppl 1):P281.
ideal recovery
influence ofreadout (no flow)
Influence of readout leads to apparent T1
3(3)3(3)5  Original protocol
3(3)5
5(1)1(1)1    ShMOLLI
5(3)3
5(3s)3       “fixed” recovery time
4(1)3(1)2
1
-1
0
TD
1
-1
0
TD
Inversion
pulse
TI6
TI7
TI8
Inversion 2
TI1
TI2
TI3
TI4
TI5
Inversion 1
Inversion
pulse
recovery period
time between inversions
Variables affecting accuracySampling strategy, timing, flip angle,…
SASHA (SAP1) Image Acquisition
Higgins DM, et al, Medical Physics. 2005;32(6):1738.
Chow K, et al. ISMRM 2012 p395
TI6
TI7
TI8
TI1
TI2
TI3
TI4
TI5
TI0
TI9
TD
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
TI10
•
T1 map
0
pixelwise fit
S = A ( 1- exp(-TI/T1))  2-parameter model
S = A – B exp(-TI/T1)    3-parameter model
0.19
0.21
Dynamic range & SNR:Saturation vs inversion recovery
dynamic
range
SNR
0.19
0.11
T1 in Septal Region is elevated 84 ms (2.1 
using MOLLI 5(3s)3 protocol
= 36 ms
mean= 1170 ms
mean= 1086 ms
= 42 ms
T1-map
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
error-map
ms
ms
Precision in T1-mappingAbility to detect variations in T1
Precision:MOLLI sampling schemes
Original
MOLLI
Protocol
3-3-5
ShMOLLI
Protocol
5-3
4-3-2
5-0
5-1
5-1-1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
 
 
PSIR Fit
Magnitude IR Fit
inversion time (ms)
MF-MagIR
PSIR
Xue H, et al. Phase-sensitive inversion recovery for myocardial T1 mapping with motioncorrection and parametric fitting. Magn Reson Med. 2012
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
20
40
60
80
100
120
140
T1 (ms)
Std T1 estimate (ms)
Sampling = [5  3]  Heart rate = 60  TImin (ms) = 105  TIshift (ms) = 80
3 parameter simplex fit
 
 
10
20
30
PSIR
MF-MagIR
PSIR:3-parameter fit
Magn IR:3-parameter fit + zero crossing
PSIR reconstruction improve fits
n = 200measurements
n = 65,536 trials
200
400
600
800
1000
1200
0
50
100
150
T1 (ms)
Std T1 Estimate (ms)
 
 
molli 5(3)3
molli 4(1)3(1)2
sasha 1-10 2-param
sasha 1-10 3-param
0
200
400
600
800
1000
1200
-100
-50
0
50
actual T1 (ms)
T1 Error (ms)
 
molli 5(3)3
molli 4(1)3(1)2
sasha 1-10 2-param
sasha 1-10 3-param
Accuracy & Precision
1
1
1
1
1
1
MOLLI
5(3s)3
SASHA
1-10
2-param fit
SASHA
1-10
3-param fit
= 42 ms
= 59 ms
= 133 ms
mean= 1038 ms
mean = 1151
mean= 1180
0
50
100
150
200
0
500
1000
1500
2000
T1 (ms)
T1 (ms)
Example invivo comparison
•Inversion/saturation efficiency
•Off-resonance
•Flow
•Partial Volume
Other influences
T1=1600 ms
400 ms
1000 ms
T1 = 1000 ms
T2 =    45 ms
Imperfect inversion leads to T1 underestimation
Adiabatic Inversion Pulse:Hyberbolic Secant (HS1), Duration 10.24 ms
T1-maps
with
different shims
800
1000
1200
msec
It is important to use local “box” shim
Influence ofoff-resonance:
Non-inverted Blood
Inverted Blood
apparent
“saturation/inversion recovery”
with mixture of inverted & non-inverted spins
recovery ofsaturated/inverted spins
0
2000
4000
6000
10000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
 
 
8000
SASHA
MOLLI
MOLLI
Influence of Flow:Mixture of inverted and non-inverted blood
Artifacts:
•Partial volume
myocardium-blood
myocardium-fat
•Motion and co-registration errors
•Off-resonance
•MOLLI has excellent precision but degraded accuracy
•Accuracy influenced by several variables
•Protocols optimized for pre- & post- contrast
•SASHA has excellent accuracy but degraded precision
•independent measurements are key
•less affected by flow & off-resonance
•Establish “normal” values for specific protocol
•Artifact mechanisms
•Motion (respiratory & cardiac)
•Partial volume effects (blood, myocardium, fat)
•Off-resonance
Summary