Dynamic MRI of the vocal fold oscillation with sub-millisecond temporal resolution

Media type: E-Book

Title: Dynamic MRI of the vocal fold oscillation with sub-millisecond temporal resolution

Contributor: Fischer, Johannes [Verfasser]; Bock, Michael [Akademischer Betreuer]; Bock, Michael [Sonstige]; Stienkemeier, Frank [Sonstige]

Corporation: Klinik für Radiologie, Medizin Physik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Mathematik und Physik

imprint: Freiburg: Universität, 2022

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/231296

Identifier:

Keywords: Kernspintomografie ; Magnetfeld ; Stimmband ; Stimmgebung ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Footnote:

Description: Abstract: Dynamische Magnetresonanztomographie (MRT) ist in der Lage schnelle physiologische Bewegungen darzustellen, wie zum Beispiel das schlagende Herz oder Artikulationen im Vokaltrakt. Die Schwinung der menschlichen Stimmlippen im Bereich von 60 Hz bis 1500 Hz ist zu schnell um sie mit konventioneller MRT darzustellen und wird mit optischen Methoden untersucht, die auf eine Betrachtung der Oberfläche von oben beschränkt sind. Die MRT mit ihrer freien Wahl der Bildebene hingegen erlaubt eine Betrachtung der Stimmlippenschwingung in der koronaren Querschnittsfläche. Solche Studien waren bisher auf Messungen an einem ex-vivo Larynx limitiert. In dieser Arbeit wurde eine neue, schnelle Methode enwickelt mithilfe derer zum ersten Mal dynamische MRT Aufnahmen der Stimmlippenoszillation dargestellt werden konnten. Dabei lag die zeitliche Auflösung deutlich unter 1 ms. Dies wird erreicht indem die Dauer der Bewegungskodierung auf die Dauer des schnell geschalteten Phasenkodiergradienten beschränkt wird. Zusätzlich muss dabei das magnetische Gradientenfeld an der Bewegungsrichtung ausgerichtet sein. Für die Messung einer 1D Bewegung sind nur wenige Änderungen an einer konventionellen Messsequenz vonnöten. Bei der Messung von 2D Bewegungen ist jedoch die Abtastung einzelner Datenpunkte (single point imaging, SPI) notwendig, was deutlich längere Messzeiten erfordert. Um die Messung zu beschleunigen, erfolgt eine Unterabtstung der Daten und die Anwendung iterativer Rekonstruktionstechniken, sodass eine dynamische Aufnahme der Stimmlippen innerhalb von 3 min möglich ist. Gleichzeitig wird ein Elektroglottogramm (EGG) aufgezeichnet, mithilfe dessen die aufgenommenen MR Daten der Bewegungsphase der Stimmlippen zugeordnet werden können. Außerdem wird die Aufnahme von MR Daten kontinuierlich von der Aufnahme von Referenzlinien unterbrochen. Diese werden in der Bildrekonstruktion verwendet, um ungewollte Bewegungen des Larynx zu kompensieren. Numerische Simulationen und in-vivo Experimente wurden durchgeführt um verschiedene Kodierungsmethoden zu vergleichen. Die neue Methode wurde angewendet um dynamische Aufnahmen der Stimmlippenoszillation beim Singen zu erhalten. Sowohl in transversaler (1D Bewegung) als auch in koronarer (2D Bewegung) Orientierung. Mit der neu entwickelten Methode wurden die ersten dynamischen MR Bilder der menschlichen Stimmlippenoszillation bei ein Grundfrequenz von f0 = 165 Hz mit einer zeitlichen Auflösung von 605 μs gemessen. Aus diesen Bildern lassen sich Parameter wie die Breite der Glottis oder die Amplitude der Randkantenverschiebung auf der Oberseite der Stimmlippen messen. Ebenfalls lässt sich der Übergang von einer konvergenten zu einer divergenten Glottis beobachten

Abstract: Dynamic magnetic resonance imaging (MRI) can image rapid physiologic processes such as the beating heart or articulations of the vocal tract. However, the types of motion that can be imaged rely on the temporal resolution of the MR data acquisition. The vocal fold oscillations in the range of 60 Hz up to 1500 Hz are too fast for conventional MRI and are currently imaged with optical instruments that are restricted to a surface view from the top. MRI offers a free choice of imaging plane, which provides a cross-sectional view and allows for the study of vocal fold motion in the coronal plane. Such studies were previously restricted to ex-vivo specimen. In this work, a new fast method is presented that, for the first time, allows for dynamic MRI of the vocal fold motion with a temporal resolution well below 1 ms. This is achieved by restricting the duration of motion encoding to the rapid switching of the magnetic gradient field used for phase encoding. At the same time, the direction of motion is aligned with the gradient field. For 1D motion, only minor adjustments to clinical MRI sequences are necessary, but for 2D motion a single point imaging (SPI) sequence is needed which leads to increased measurement times. To accelerate the acquisition, data are undersampled and iterative reconstruction techniques are applied, so that dynamic images of the vocal folds can be acquired in 3 min. An electroglottogram (EGG) is acquired simultaneously to assign the acquired MR data to a motion phase of the vocal folds prior to the reconstruction. The MRI measurement is interleaved with the acquisition of MR navigator data which is used in the reconstruction to correct for involuntary bulk motion of the larynx. Numerical simulations and in-vivo experiments were performed to compare different encoding methods. The proposed method is applied to obtain motionencoded images of the vocal folds during singing in transverse (1D motion) and coronal (2D motion) orientation. The first dynamic MR images of human vocal fold oscillation at a fundamental frequency of f0 = 165 Hz were measured in-vivo at a temporal resolution of 605 μs and allow for the extraction of parameters, such as the glottal width or the amplitude of the laterally traveling mucosal wave on the superior surface. Additionally, the transition from a convergent to a divergent glottis shape can be observed

Access State: Open Access

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