Advanced software and hardware control methods for improved static and dynamic $B_{0}$ shimming in magnetic resonance imaging

Schwerter, Michael; Shah, Nadim Joni (Thesis advisor); Stahl, Achim (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xii, 135 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive tomografische Bildgebungstechnik und ein mächtiges Instrument in Medizin und Forschung. Methodische Weiterentwicklungen haben das Spektrum möglicher Anwendungen erheblich erweitert und den klassischen MR-Scanner zu einem inhärent multimodalen Bildgebungsgerät gemacht. Dies ging mit Optimierungen der Hardware einher, die eine höhere Datenqualität bei verkürzten Messzeiten erzielten. Eine wichtige Rolle spielt dabei seit jeher die Verbesserung der MRT Magnete, welche zur Erzeugung eines starken, homogenen und zeitlich stabilen statischen Magnetfeldes benötigt werden. Selbst ein vollkommen homogenes Magnetfeld wird jedoch unvermeidlich durch die magnetische Suszeptibil-ität eines Untersuchungsobjektes verzerrt. Effektive Methoden das Magnetfeld zu shimmen sind daher unverzichtbar und noch immer wesentlicher Bestandteil der Forschung. Dies ist jedoch nicht trivial, da bei humanen MR Anwendungen komplexe Verzerrungsmustern entstehen. Die Qualität vieler heutiger MR Anwendungen ist daher noch immer durch starke unkompensierte Inhomogenitäten beeinträchtigt. Ziel dieser Arbeit war es daher, bestehende Probleme des Shimmings des statischen Magnetfeldes zu identifizieren und Lösungstrategien zu entwickeln.Konventionelle Shimming Ansätze basieren auf Spulen, die Felder entsprechend der Kugelflächenfunktionen 2. Ordnung erzeugen und deren Ströme so angepasst werden, dass zuvor gemessene Inhomogenitäten kompensiert werden. Die dafür erforderlichen Methoden zur Magnetfeldmessung und Shimoptimierung wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und implementiert. Präzise Charakterisierungen des Shimsystems wurden durchgeführt und in die Software integriert. Simulationen und Messungen zeigten, dass die Methode eine optimale Homogenität innerhalb von einer Minute und ohne Iterationen über benutzerdefinierte Volumina erreicht. So wurde bei einer Feldstärke von 3 T über das gesamte Gehirn eine Feldhomogenität von 18,4 ± 2,5 Hz erzielt.Die Shimqualität wurde durch die Verwendung zusätzlicher Shimspulen, welche Kugelflächenfunktionen sehr hoher Ordnung erzeugen, weiter verbessert. Ansteuerungsmöglichkeiten des Shim-Controllers wurden implementiert und in die Software integriert. Simulationen, die eine Verbesserung der Homogenität über das gesamte Gehirn auf 15,1 ± 3,8 Hz zeigten, wurden durch Messungen bestätigt. Die verbleibenden Inhomogenitäten übersteigen das Korrekturpotenzial selbst der Shimspulen hoher Ordnung und weisen die Grenzen des statischen Shimmings auf. Dynamische Shim-Updates während der Datenerfassung können die erreichbare Feldhomogenität jedoch weiter verbessern. Schnelle Shim-Änderungen rufen allerdings wirbelstrominduzierte Verzerrungsfelder hervor und erfordern sogenannte pre-emphasis Korrekturen. Daher wurde eine Messmethode entwickelt, die den vollständigen Verlauf von 4D-Wirbelstromfeldern erfassen kann. Mit einer Messzeit von 10 Min. wurde eine sechsfache Beschleunigung im Vergleich zu einer vorhandenen Alternative erzielt. In Kombination mit einer modell-basierten pre-emphasis Rekonstruktion konnte gezeigt werden, dass alle Wirbelströme effektiv kompensiert wurden.Eine zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die dynamischen Shimströme und deren zeitliche Änderung stark limitiert werden können, ohne die erreichbare Homogenität signifikant zu beeinträchtigen. So konnte eine 23-fache Verringerung der durchschnittlichen maximalen und eine 18-fache Verringerung der durchschnittlichen mittleren Shimstrom-Änderungen erzielt werden. Dabei wurde trotzdem eine Homogenität von 8,76±0,32 Hz erreicht, verglichen mit 8,10±0,31 Hz für den nicht-limitierten Fall. Die damit einhergehenden Vorteile umfassen eine intrinsische Wirbelstromreduzierung, geringere Hardwareanforderungen und genauerere Simulationen. Zusammengefasst wurden im Rahmen dieser Arbeit neue und effiziente Techniken zur Erhöhung der MRT Magnetfeldhomogenität entwickelt. Insbesondere die Methoden zum Messen und Reduzieren der Wirbelströme verbessern die Andwendbarkeit des dynamischen Shimmings erheblich.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-01201

Downloads