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Medicine

7号特斯拉的心脏磁共振成像

doi: 10.3791/55853 Published: January 6, 2019

Summary

超高场磁共振固有的灵敏度增益为心脏的高空间分辨率成像提供了希望。在这里, 我们描述了一个协议定制的功能心血管磁共振 (cmr) 在 7 tesla 使用先进的多通道射频线圈, 磁场闪烁和触发概念。

Abstract

cmr 具有超高磁场 (磁场强度 b 0≥7 tesla), 受益于高磁场强度所固有的信噪比 (snr) 优势, 并有可能提供更好的信号对比度和空间分辨率. 虽然取得了很好的成果, 但由于能量沉积的限制和传输场不均匀性和磁场不均匀等物理现象, 超高场 cmr 具有挑战性。此外, 磁流体力学效应使得数据采集与心脏运动的同步变得困难。目前, 对新型磁共振技术的探索正在应对这些挑战。如果所有的障碍都能克服, 超高场 cmr 可能会为功能 cmr、心肌组织表征、微观结构成像或代谢成像带来新的机会。认识到这一潜力, 我们展示了为 cmr 7 特斯拉量身定制的多通道射频 (rf) 线圈技术 , 以及高阶 b0 闪烁和心脏触发的备用信号, 有利于高保真函数 cmr。通过所提出的设置, 可以在检查时间内完成心脏室量化, 类似于在较低场强时完成的时间。为了分享这一经验并支持传播这一专业知识, 本工作描述了我们在7特斯拉为功能 cmr 量身定制的设置和协议。

Introduction

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心血管磁共振 (cmr) 是被证明的临床价值与越来越多的临床适应症 1,2。特别是, 心脏形态和功能的评估是非常重要的, 通常通过跟踪和可视化整个心脏周期的心脏运动, 使用分段呼吸保持二维 (2d) 电影 (cine) 成像技术。虽然需要高时空分辨率、高血心肌对比度和高信噪比 (snr), 但数据采集受到心脏和呼吸运动以及使用多种呼吸保持和需要的高度限制对于整个心脏或左心室覆盖往往会导致大量的扫描时间。并行成像、同时进行多切片成像或其他加速技术有助于解决与运动相关的约束3456

此外, 为了从较高磁场的固有信噪比增益中获益,b0 = 3 tesla 的高场系统越来越多地用于临床常规7,8。这一发展还鼓励了对超高场 (b0≥7 tesla, f≥298 mhz) cmr9101112、1314的调查.在 snr 和血心肌对比度的增益固有的更高的场强有希望被转移到增强功能 cmr 使用空间分辨率超过今天的限制 15,16,17. 反过来, 预计将有新的可能性进行基于磁共振的心肌组织特征、代谢成像和微观结构成像.到目前为止, 已有几个小组已经证明了 cmr 在7特斯拉的可行性, 并已推出了专门定制的超高场技术 17,18, 19, 20, 21,22。关于这些有希望的发展, 超高场遗留集束弹药的潜力可被认为尚未开发 13。同时, 物理现象和实际障碍, 如磁场不均匀性、射频激发场 (rf) 不均匀性、非共振伪影、介电效应、局部组织加热和场强度等独立的射频功率沉积约束使超高场成像具有挑战性 10,17。后者用于控制射频诱导组织加热, 确保安全运行。此外, 基于心电图 (ecg) 的触发可能会受到磁流体动力 (mhd) 效应192324 的显著影响。为了应对组织中短波长引起的挑战, 提出了7 特斯拉为 cmr 量身定制的多元素收发器 rf 线圈阵列 21252627。并行射频传输为传输场整形提供了手段, 也称为 b1 + 闪烁, 可以减少磁场的不均匀性和易感性 18,28.虽然在目前阶段, 其中一些措施可能会增加实验的复杂性, 概念已被证明是有帮助的, 并可能转化为 cmr 1.5 t 或 3 t 的临床领域的优势。

目前, 二维平衡稳态无进动 (bssfp) cine 成像是 1.5 t 和3t1 临床功能 cmr 的参考标准。最近, 该序列在7特斯拉成功使用, 但仍有大量挑战.应用患者特异性b1 +闪烁和额外的 rf 线圈调整来管理射频功率沉积约束, 并对序列典型的带状伪影进行仔细的 b0 闪烁控制.左心室 (lv) 功能评估的平均扫描时间为 93分钟, 这些努力将检查时间延长到临床可接受的范围之外。在这里, 被破坏的梯度回波序列提供了一个可行的替代方案。在7特斯拉时, 报告了 lv 功能评估的总检查时间 (29±5) 分钟, 这与低场强21的临床成像方案吻合较好。因此, 破坏梯度回波为基础的 cmr 受益于超高场的 t1 松弛时间延长,从而增强了血液心肌对比度优于 1.5 t 梯度回波成像。这使得微妙的解剖结构 , 如心包 , 二尖瓣和三尖瓣 , 以及状肌肉很好地识别。一致的, 被宠坏的梯度回声为基础的心脏室定量在 7 tesla 与 lv 参数得出的 2d bssfp cine 成像在 1.5 t20。除此之外, 准确的右心室 (rv) 室量化最近证明了使用高分辨率破坏梯度回波序列在 7 tesra29 的可行性。

认识到 cmr 在超高领域的挑战和机遇, 这项工作提出了一个设置和协议定制的功能 cmr 收购上的调查 7 tesla 研究扫描仪。该协议概述了技术基础, 显示了如何克服障碍, 并提供了实际注意事项, 有助于将额外的实验开销控制在最低限度。与今天的临床实践相比, 拟议的成像协议是空间分辨率的四倍改进。它旨在为临床适应者、医生科学家、转化研究人员、应用专家、mr 放射技师、技术人员和进入该领域的新进入者提供指导。

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Protocol

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这项研究得到了澳大利亚昆士兰大学道德委员会的批准, 并从研究中包括的所有科目中获得了知情同意。

1. 科目

  1. 在昆士兰大学内部招聘18岁以上的志愿者科目。
  2. 知情同意
    1. 在进入磁共振成像 (mri) 安全区之前, 告知每个研究对象接受检查的潜在风险。具体而言, 讨论超高磁场暴露和可能的禁忌症进行核磁共振检查。通知参加考试的主体是自愿的, 在任何时候她都可以中止考试。获得书面知情同意。
    2. 向参与者解释过程。由于成像是在呼吸保持结束时进行的, 而一致的呼吸保持是图像质量的组成部分, 因此在扫描前指导受试呼吸技术。
    3. 在进入 mri 安全区之前, 在进入扫描仪室之前, 再次对所有主体进行 mr 安全检查。不包括接受 mri 检查的禁忌症患者 (例如, 心脏起搏器、植入除颤器、其他不安全的医疗植入物或幽闭恐惧症)。
  3. 在进入扫描仪室之前, 要求对象换上擦洗器。

2. 准备

  1. 在患者台上设置操作专用32通道1h 心脏收发器 (tx/rx) rf 线圈26所需的额外硬件, 如图 1ab 所示。除了一个小的功率分配器盒 (图 1c) 外, 辅助线圈设备还包括一个功率分配器盒和移相箱 (图 1c) 和一个 tx/rx 接口盒 (图 1c), 用于两个 rf 线圈部分中的每一个。放置在主题的下方和顶部。由于传统的鸟笼体线圈通常采用 1.5 t 和 3.0 t, 因此它容纳了局部传输电子设备, 这对于7特斯拉的信号激发是必需的。
  2. 图 1b所示, 将额外的 rf 线圈硬件放在患者表的顶端, 并将各个机箱与 bayonet neill-concelman (bnc) 电缆连接在一起。由于可以将患者工作台驱动到 mri 孔的距离有限, 因此请确保在病人表上为线圈基础设施留出足够的空间, 以保证受试者的心脏可以与线圈的中心位于等孔的中心。磁铁。
  3. 将 tx/rx 接口盒连接到患者桌上的四个线圈插头。
  4. 将后线圈阵列的中心放置在距离患者桌子上端147厘米的地方 (图 1b)。这个点定义了后线圈阵列必须放置的位置, 以确保被试的心脏在磁体的等分中心, 如果病人表是最大的驱动到孔。在预定义的线圈点上放置是至关重要的, 以确保最佳操作。确定后线圈阵列的最佳位置以及辅助设备在初步测试中的位置, 包括几个不同体高的志愿者。
  5. 将后线圈阵列的四根电缆连接到后阵的 tx/rx 接口盒的相应插座中。
  6. 连接前线圈阵列的四个模块是与 tx/rx 接口盒的顶部阵列和翻转阵列上的辅助线圈设备, 以允许主体定位。
  7. 将三个心电图电极连接到主体的主体上。遵循供应商关于电极放置的准则, 以确保系统的触发算法的最佳操作。
  8. 将主题放置在患者表上 (图 1f)。关键地, 确保主体的心脏位于后线圈的中心, 以保证在磁体的等端内进行扫描。由于根据主体的高度, 头部必须放在线圈接口盒连接器的顶部, 小心放置电缆, 并使用适当的缓冲, 以确保主体的舒适性和合规性。
  9. 将触发装置连接到心电图电极。
  10. 将脉冲触发装置连接到主体的食指。使用第二台设备在 mhd 效应引入的心电图信号严重失真的情况下触发。
  11. 把安全挤压球交给实验对象。
  12. 为拍摄对象配备耳机和耳塞, 以减少噪音暴露, 并允许与拍摄对象进行沟通。
  13. 将前线圈放在主体的胸部, 使连接到插头 e-f 和 g-h 的电缆分别位于主体头部的右侧和左侧。
  14. 将拍摄对象驱动到扫描仪孔中。手动执行驾驶操作, 确保工作台控制的速度按钮处于不位置, 以保证主体在驾驶过程中的安全。不要使用自动模式, 因为在此模式下, 可变表速度是针对神经成像进行优化的, 并且表可以自动驱动到孔中的距离受到扫描仪硬件的限制。
  15. 检查通过对讲机与主体的沟通是否可能, 当事人是否感觉良好。
  16. 磁共振成像
    1. 运行基本定位器 (侦察) 扫描沿三个物理梯度轴进行切片规划和 b0闪烁。
    2. 使用 ecg 触发的快速低角度拍摄 (flash) 序列, 具有以下采集参数: 视场 (fov) = 400 毫米, 矩阵 = 192 x 144, 每个梯度轴的切片 = 1, 厚度 = 8 mm, 回波时间 (te) = 1.24 mm, 重复时间 (tr) = 298 毫秒翻转, 角度 = 10°。
    3. 应用并联 mri 与加速度因子 = 2, 参考线 = 24 和广义自校准部分平行采集 (groppa) 重建。
    4. 使用定位器图像来验证主体的心脏是否位于磁铁的等号体中。如有必要, 重新定位主题。
  17. 第3个订单 b0-闪烁
    1. 打开第3级垫片工具 (图 2a) 并重置所有第3级垫片电流 (图 2a)。
    2. 规定垫片体积, 以便在覆盖心脏的区域上适当发光 (图 2c)。
    3. 运行非触发的先进流量补偿二维多回波 flash 填充序列, 计算第三阶垫片电流。使用以下参数: fov = 400 x 400 毫米, 矩阵 = 80 x 80, 切片 = 64, 厚度 = 5.0 mm, te1 = 3.06, te2 = 5.10, tr = 7 毫秒, 翻转角度 = 20°, 并行 mri (grappa), 加速度因子 = 2, 参考线 = 24。
    4. 要计算和应用第3级垫片电流, 请打开下一个协议并复制上述垫片体积。在开始菜单中执行setshim程序 (图 2a)。接下来, 打开"选项"菜单中的"手动调整" 窗口 (图 2d)。在 " 3d 拉希姆" 选项卡中, 单击 "计算"应用于设置第2的垫片电流 (图 2e)。最后, 通过单击第3个节轮工具中的"设置 Shim_3rd 来设置垫片电流 (图 2b)。
    5. 关闭 "手动调整" 窗口。在整个检查的剩余时间里, 保持垫片体积和垫片电流固定。请注意, 填充过程可以是高度特定于系统的。
  18. 获取进一步的定位器, 以支持双斜切片规划。除非另有说明, 否则对所有定位器测量使用屏住呼吸和 ecg 触发的 2d flash 序列, 其参数如下: fov = 360 x 290 mm, 矩阵 = 256 x 206, 厚度 = 6.0 mm, te = 1.57, tr = 3.9 ms, 翻转角度 = 35°, 并行 mri (grapa), accelera系数: 2, 参考线:24。建议患者在过期时屏住呼吸。采用高翻转角度或使用分段的 cine 协议 (见下文) 来实现更好的对比度。
    1. 获取2室定位器 (1 片), 计划垂直于与隔膜壁平行的轴向侦察 (图 3a)。
    2. 获取4室定位器 (1 片), 计划在2室定位片上通过二尖瓣和左心室的先端垂直 (图 3b)。
    3. 获取短轴定位器 (7 片, fov = 360 x 330 毫米), 计划垂直于与二尖瓣平行的4室定位器, 垂直于间隔壁 (图 3c)。
  19. 执行 cine 收购。使用高分辨率呼吸持有 ecg 触发分段 2d flash 序列具有以下参数: fov = 360 x 270 mm, 矩阵 = 256 x 192\ 352, 厚度 = 4.0 毫米, te = 3.14, tr = 6.3 毫秒, 翻转角度 = 35-55°, 段 = 7, 并行 mri (grappa), fa 加速度ctor = 2/, 时间分辨率 = 42.6/44.3 ms。
    1. 从左心室4室视图 (水平长轴, hla) 切片开始。通过二尖瓣和三尖瓣的中心和左心室的顶端规划中央切片 (图 3d)。在到期时获取单个呼吸保持中的每个切片。
    2. 接下来, 获取左心室短轴切片。规划它们垂直于 hla 并平行于二尖瓣, 使其覆盖从基部到先端的整个左心室 (图 3e)。为了确保准确的功能测试, 将第一片准确地放置在二尖瓣小叶插入处, 使切片的中心位于心室内。再次, 在到期时在单个呼吸保持中获取每个切片。

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Representative Results

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图 4显示了志愿者心脏 cine 检查的代表性结果。显示的是短轴的舒张和收缩时间框架和人的心脏的四室长轴视图。与长轴视图 (图 4a 4a、4a、4a) 相比, 短轴视图的空间分辨率 (图 4a4a4a、4a)明显较高。在短轴和长轴切片中, 图像提供了充足的信号到噪声和血心肌对比, 清晰地描绘心肌壁, 即使使用的切片厚度为4毫米。采用并行成像加速方案, 对图像质量高、无明显噪声增强的图像进行了重构。

由于心电图的 r 波识别失败, 基于脉冲血氧指数的触发被用于右侧的图像采集 (图 4e-4h).脉搏血氧仪信号峰值中的抖动诱发了在心脏收缩和放松期间出现的轻微运动伪影, 如图 4h (红色箭头) 所示的长轴视图中突出显示的那样。传输场中破坏性干扰引起的信号空隙以黄色箭头为标志。

图 5显示了在一个健康主体的触发装置的一个通道中获得的典型心电图信号。当将在磁体孔外获得的心电图信号 (图 5a) 与位于磁体等分端的主体获得的心电图信号 (图 5a) 进行比较时, 明显的差异变得很明显。在超高磁场中, 心电图信号被 mhd 效应严重损坏。不利现象产生于导电流体血液与外部磁场的相互作用。它会诱发一个扭曲的电场, 叠加心脏自身的去极化场, 从而腐蚀心电图电极在主体皮肤上接收到的信号。mhd 效应与 b0 相比具有明显的规模, 在收缩期主动脉流动的心脏阶段尤为明显, 这就是为什么心电图信号的 s-t 段主要受到影响的原因。虽然心电图信号的 r 波通常不直接受到影响, 但它会损害 r 波识别和心脏同步。值得注意的是, 由于心电图信号失真, 在高磁场存在的情况下获得的心电图信号不能用作患者紧急情况指示器。图 5c显示了在磁孔内部获得的具有代表性的脉冲信号。脉冲信号不受磁场的影响。脉冲波在0毫秒时对 r 波的延迟, 可以引入伪影, 是显而易见的。

Figure 1
图 1:32 通道心脏 tx/rx 线圈和线圈硬件的实验设置和元件.(a、b)由7个硬件盒和连接的 bnc 电缆组成的辅助硬件被放置在患者表的顶端, 以便为拍摄对象提供尽可能多的空间。后圈和前线圈单元与8根电缆连接到接口盒。对于手边的系统, 后线圈阵列距离工作台的上端不超过1470毫米, 以确保心脏定位在磁体的等位。(c) 小功率拆分箱。(d) 后圈和前线圈阵列各一个功率分配器和移相箱。(e) 用于前 (顶部) 和后 (底部) 线圈阵列的 tx/rx 接口盒。橙色和黑色虚线箭头表示传输 (tx) 和接收 (rx) 信号路径。(f) 位于后线圈阵列上的主体。头部靠在8个线圈连接器上的垫子上。预定义的线圈点标记为红色标签。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 3 使用系统调整和垫片工具进行订购.(a) "开始" 菜单, 其中包含 "第3个订单垫片" 工具和 "设置垫片" 程序的按钮。(b) "第三阶垫片" 工具。(c) 调整区域的心脏定位。(d) 从 "选项" 菜单中启动 "调整" 工具。(e) "调整" 工具, 带有按钮, 用于计算和应用 "3d 垫片" 选项卡中的第2垫片电流. 请点击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 心脏 cine 成像的切片规划.(a) 规划垂直于基本定位器的双室定位器。(b) 规划4个房间定位器垂直于2室定位器 (c) 规划短轴定位器在2室定位器 (左) 和垂直于4室定位器 (右)。(d) 在短轴定位器 (左) 和2室定位器 (右) 上垂直的左心室4室视图的规划。(e) 在左心室4室视图 (左) 和2室定位器 (右) 上规划左心室短轴切片。

Figure 4
图 4: 使用心电图触发 (a-d) 和脉冲触发 (e-h) 在两个受试者中进行高分辨率心脏 cine 成像的代表性结果.(a, e)获得的室中短轴切片的舒张期结束时间框架的空间分辨率为 1.0 x 1.0 x 4 毫米3。(b, f)相应的期末收缩期时间框架。(c, g)水平长轴切片的舒张期结束时间框架。(d, h)相应的期末收缩期时间框架。rf 场不均匀性引起的信号退出用黄色箭头表示。脉冲触发扫描 (红色箭头) 的长轴视图中描述了由脉冲波延迟引起的慢触发误差。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 在特斯拉7点在磁体孔内外获得的代表性心电图信号.(a) 在磁体孔外的心电图触发装置的两个通道 (红色、蓝色) 中获得的心电图信号。r 波可以清楚地区分开来。触发事件以绿色划分。(b) 在7特斯拉磁孔等光处获得的心电图信号。mhd 效应明显影响心电图信号, 特别是心电图信号的 s-t 元件。强烈的信号波动可能导致错误触发。(c) 在7特斯拉磁孔等分处获得的代表性脉冲信号, 供比较。脉冲信号不受磁场的影响。请注意, 相对于心电图 r 波, 脉冲波被延迟。请点击这里查看此图的较大版本.

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Discussion

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功能 cmr 检查可在特斯拉7成功进行。基于场强驱动的信噪比增益, 可以获得显著较高的空间分辨率的人的心脏的 cine 图像相比, 1.5 或 3 t。虽然在较低的临床场强 1, 30 下, 通常使用6至8毫米的切片厚度1.2 至2.0 毫米的平面体素边缘长度, 但7特斯拉的测量可以以4毫米的切片厚度和各向同性的方式进行平面内分辨率为 1.0 mm。

在7特斯拉获得的结果很有希望。图像质量与 1.5 t 或 3 t 的图像质量相当, 尽管没有进行b1+ 闪烁, 并且实验开销保持在最低限度, 以方便临床上可接受的心脏室定量检查时间。有时, 由于焦射频场不均匀性造成的信号空洞, 图像质量略有下降。在这些情况下, 使用通过并行传输技术提供的 b1 + 填充可能是有益的。虽然这种方法是诱人的, 并隐约在临床应用的地平线上, 它需要进一步考虑信号吸收率 (sar) 管理。

在触发方面, 心电图信号偶尔会受到 mhd 效应的严重损坏, 因此需要使用脉冲触发方法进行图像采集与心脏活动的同步。当使用脉冲触发器时, cine 图像质量可能会受到轻微损害。这种损伤是由脉冲触发器相对于心电图的 r 波延迟的时间造成的。脉冲触发信号中的变化和抖动范围最长可达60毫秒。这种现象可能导致错误触发, 并可能有可能在重建的图像中引入心脏运动诱发模糊。正如最近所证明的, 通过充分利用可用触发设备的技术能力和使用最先进的触发算法19, 24,可以实现7特斯拉的准确心脏同步。除此之外, 使用替代触发解决方案313233也可以为同步成像提供良好的基础。

在超高领域进行扫描的同时, 对硬件的需求也显著增加。特别是扫描准备工作比较低的场强更为复杂。这可归因于由于临床扫描仪中没有集成的车身线圈, 因此使用了辅助 rf 线圈设备。与较低场强的常规临床设置相比, 主体定位需要更多的护理, 因为不仅要考虑到主体的舒适性, 还要考虑线圈相对于桌子的位置。这一限制与今天7特斯拉 mri 患者表的设计和功能有关, 但预计将随着向下一代7特斯拉 mri 系统的不断转移而得到修复。直到最近, 首批7台 tesla mri 系统才被批准用于美国和欧洲的特定应用。mhd 效应还引入了实验开销, 这可能会严重损害 r 波识别。为了确保良好的心脏同步, 需要仔细准备主题, 准确的心电图电极放置, 以及准确校准的心电图触发算法需要24。在某些情况下, 将物体移入孔后重新定位心电图电极可能变得必要。此外, 为了确保在有严重心电图触发障碍的情况下继续检查, 建议将脉冲触发装置连接到主体。作为心电图触发的替代方法, 可能会使用声学触发31 , 这对 mhd 效应免疫, 并已被证明优于脉冲触发。如果将这些考虑因素和措施仔细地纳入 7 tesla 的 cmr 功能检查, 则超高领域的心脏 cine 测量工作流程和持续时间与临床领域的强度相似。

在翻译研究中越来越多地使用超高场系统, 将提高 cmr 评估心血管疾病的能力。改进的 rf 线圈技术或多传输 mr 系统等技术进步将有助于减少当前的实验开销, 并简化额外的扫描准备和填充操作。在此背景下, 必须对 1.5 t 或 3 t 的成熟 cmr 应用进行新的超高场 cmr 应用的仔细验证。

本研究表明, 功能 cmr 检查可以成功地在7特斯拉进行。场强度驱动的信噪比增益在超高的场允许 cine 收购具有非常高的空间分辨率。与1.5 或3特斯拉的临床场强相比, 空间分辨率可增加3至4倍。应对各种技术挑战所需的实验开销可以保持在最低限度。这些结果以及未来的技术发展将为探索更先进的应用提供基础, 如心肌组织表征、代谢成像或微观结构成像。

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Disclosures

kieran o ' brien 和 jonathan richer 受雇于澳大利亚西门子有限公司。扬·里格和苏拉夫·尼恩多夫是核磁共振成像的创始人。工具有限公司, 柏林, 德国。简·里格是首席技术官和核磁共振成像公司的雇员。thoralf niendorf 工具有限公司是 mri 首席执行官。工具有限公司。

Acknowledgments

提交人承认昆士兰大学高级成像中心国家成像设施的设施和科学和技术援助。我们还要感谢格雷厄姆·加洛威和伊恩·布雷顿帮助索拉尔夫·尼恩多夫获得 caesie 赠款。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
7 Tesla MRI system Siemens Investigational Device
32-Channel -1H-Cardiac Coil MRI.Tools GmbH Transmit/Receive RF Coil for MR Imaging and Spectroscopy at 7.0 Tesla
ECG Trigger Device Siemens
Pulse Trigger Device Siemens

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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7号特斯拉的心脏磁共振成像
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Stäb, D., Al Najjar, A., O'Brien, K., Strugnell, W., Richer, J., Rieger, J., Niendorf, T., Barth, M. Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla. J. Vis. Exp. (143), e55853, doi:10.3791/55853 (2019).More

Stäb, D., Al Najjar, A., O'Brien, K., Strugnell, W., Richer, J., Rieger, J., Niendorf, T., Barth, M. Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla. J. Vis. Exp. (143), e55853, doi:10.3791/55853 (2019).

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