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Local Coils and Prospective Shimming for MRI of the Spinal Cord

Ryan Topfer

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Over 85,000 Canadians suffer from pathologies of the spinal cord—a condition that often entailsmotor, sensory, or functional losses. The development of quantitative imaging biomarkers couldprovide physicians with a better means of predicting treatment outcomes, for instance, to avoidunnecessary surgeries. To this purpose, magnetic resonance imaging (MRI) could prove usefulgiven its ability to produce a variety of image contrasts which, by adjusting the acquisitionparameters, 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 ofits 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, suchas signal loss and geometric distortion. Moreover, the proximity of the spinal cord to the lungsproduces significant temporal field variation during respiration which can result in additionalproblems such as blurred images and inconsistent signal measurements. As a result, many of theadvanced MRI techniques developed for the brain (e.g., functional fMRI, diffusion, andspectroscopic imaging) remain impractical for the spinal cord.Eliminating static magnetic field variation (generally known as shimming) is commonlyperformed 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 approachesto shimming to meet the particular the demands of MRI of the spinal cord. Through the use ofnew 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.

Résumé

Plus de 85,000 de canadiens sont victimes des pathologies de la moelle épinière dont les effetspeuvent impliquer des difficultés motrices, sensorielles, et fonctionnelles. Le développement debiomarqueurs quantitatifs pourrait permettre les médecins de mieux prédire les résultats detraitements médicaux pour les pathologies de la moelle épinière afin de mieux les adapter auxpatients individuels. À cet effet, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pourrait servir grâceà sa capacité unique à générer plusieurs contrastes d'images qui, en fonction des paramètresd'acquisition, peuvent être adaptés afin de refléter diverses propriétés tissulaires et processusphysiologiques.La moelle épinière présente un défi pour les techniques l'IRM avancées. Au sein de sonenvironnent anatomique, la susceptibilité magnétique est très hétérogène, ce qui conduit à desvariations importantes du champ magnétique (B0) dans la moelle épinière elle-même. Ceux-cientraînent fréquemment une variété d'artefacts d'image tels que la perte de signal et la distorsiongéométrique. De plus, en raison de sa proximité aux poumons, la moelle épinière est soumise àdes variations temporelles du champ B0 liées à la respiration du patient, ce qui peut entraînerencore 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'IRMfonctionnelle, l'IRM de diffusion, et l'imagerie spectroscopique) ne fonctionnent pas aussi bienau 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 inductivesintégrées dans le scanner IRM. Bien qu'utile, la correction conventionnelle reste insuffisante pourla moelle épinière.Pour répondre aux défis de l'inhomogénéité du champ B0, ce projet comprend le développementde nouveaux appareils (des matrices de shims locaux) dédiés à la moelle épinière et de nouvellesstratégies d'optimisation (une correction prospective qui combat les effets de la respiration entemps-réel). En conséquence, des améliorations aux images écho-gradient (GRE) et échoplanaires(EPI) sont démontrées.
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Julien Cohen-Adad
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10011/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 14 Apr 2022 14:13
Last Modified: 24 Nov 2022 16:14
Cite in APA 7: Topfer, R. (2021). Local Coils and Prospective Shimming for MRI of the Spinal Cord [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10011/

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