Local Coils and Prospective Shimming for MRI of the Spinal Cord

Plus de 85,000 de canadiens sont victimes des pathologies de la moelle épinière dont les effets peuvent impliquer des difficultés motrices, sensorielles, et fonctionnelles. Le développement de biomarqueurs quantitatifs pourrait permettre les médecins de mieux prédire les résultats de traitements médicaux pour les pathologies de la moelle épinière afin de mieux les adapter aux patients individuels. À cet effet, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pourrait servir grâce à sa capacité unique à générer plusieurs contrastes d'images qui, en fonction des paramètres d'acquisition, peuvent être adaptés afin de refléter diverses propriétés tissulaires et processus physiologiques. La moelle épinière présente un défi pour les techniques l'IRM avancées. Au sein de son environnent anatomique, la susceptibilité magnétique est très hétérogène, ce qui conduit à des variations importantes du champ magnétique (B0) dans la moelle épinière elle-même. Ceux-ci entraînent fréquemment une variété d'artefacts d'image tels que la perte de signal et la distorsion géométrique. De plus, en raison de sa proximité aux poumons, la moelle épinière est soumise à des variations temporelles du champ B0 liées à la respiration du patient, ce qui peut entraîner encore plus d'artefacts (par exemple, des problèmes de flou et d'incohérence de signal). De fait, plusieurs des méthodes d'IRM qui ont été développées pour le cerveau (par exemple, l'IRM fonctionnelle, l'IRM de diffusion, et l'imagerie spectroscopique) ne fonctionnent pas aussi bien au niveau de la moelle épinière. L'élimination de la variation de champ magnétique statique (généralement connue sous le nom de « shimming ») est généralement effectuée à l'aide de réseaux de grandes bobines inductives intégrées dans le scanner IRM. Bien qu'utile, la correction conventionnelle reste insuffisante pour la moelle épinière. Pour répondre aux défis de l'inhomogénéité du champ B0, ce projet comprend le développement de nouveaux appareils (des matrices de shims locaux) dédiés à la moelle épinière et de nouvelles stratégies d'optimisation (une correction prospective qui combat les effets de la respiration en temps-réel). En conséquence, des améliorations aux images écho-gradient (GRE) et échoplanaires (EPI) sont démontrées.

Abstract

Over 85,000 Canadians suffer from pathologies of the spinal cord—a condition that often entails motor, sensory, or functional losses. The development of quantitative imaging biomarkers could provide physicians with a better means of predicting treatment outcomes, for instance, to avoid unnecessary surgeries. To this purpose, magnetic resonance imaging (MRI) could prove useful given its ability to produce a variety of image contrasts which, by adjusting the acquisition parameters, can be tailored to reflect a range of tissue properties and physiologic functions. The spinal cord presents a challenge to advanced MRI techniques. The magnetic susceptibility of its anatomical surroundings is highly heterogeneous, which leads to significant magnetic field (B0) variation in the spinal cord itself. This frequently results in a variety of image artifacts, such as signal loss and geometric distortion. Moreover, the proximity of the spinal cord to the lungs produces significant temporal field variation during respiration which can result in additional problems such as blurred images and inconsistent signal measurements. As a result, many of the advanced MRI techniques developed for the brain (e.g., functional fMRI, diffusion, and spectroscopic imaging) remain impractical for the spinal cord. Eliminating static magnetic field variation (generally known as shimming) is commonly performed using arrays of large inductive coils integrated into the MRI scanner. While useful, conventional static shimming nevertheless remains inadequate for the spinal cord. To address the challenges of B0 field inhomogeneity, this work aims to develop new approaches to shimming to meet the particular the demands of MRI of the spinal cord. Through the use of new dedicated hardware (local shim arrays) and tailored optimization strategies (e.g. realtime/ prospective shimming to combat the effects of respiration), improvements to gradient-echo (GRE) and echo-planar images (EPI) are demonstrated.