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Development of an Innovative Solution Minimizing RF Field Inhomogeneity and Energy Deposition in Ultra-High Field MRI Applications

Gaspard Cereza

Master's thesis (2022)

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Abstract

While it offers important image quality benefits, Ultra-High Field MRI is particularlysensitive to RF related artifacts caused by the decreasing wavelength of the B1+ field required to flip the spins. This wavelength being smaller than most imaged body regions, it results in an inhomogeneous flip angle that induces intensity variations and local loss of signal across the image field of view. To reduce these inhomogeneities, multi-transmit coils with parallel transmission capability are becoming increasingly popular in UHF imaging, as they allow one to send different excitation pulses to each Tx element, providing better control of the RF interference pattern. This homogenization process is called B1+ shimming (or RF shimming) and requires complex hardware and software tools that hamper its clinical use. In regions such as the spinal cord, where surrounding tissues present important variations in terms of electromagnetic properties, it gets even harder to obtain a homogeneous B1+ field. The depth of the spinal cord in the body may also hamper the generation of a sufficiently strong B1+ field in that region, resulting in a low MR signal. Moreover, the important anatomical variability of the spine region across patients further complicates the design of an excitation pulse that would result in robust inter-subject flip angle homogeneity. For these reasons, it is expected that performing patient-specific B1+ shimming with a focus on the spinal cord could improve the image homogeneity. The focus of my master's project was on the development of an open-source B1+ shimming software solution that covers the most basic shimming scenarios and accounts for energy deposition in tissues, so as to ensure patient safety. Compatibility with brain and spinal cord segmentation tools was also implemented so that localised B1+ shimming could be performed over specific regions. This B1+ shimming implementation was integrated within the Shimming-Toolbox project, initially developed to homogenize the main static magnetic field B0. It was then tested in-vivo to perform patient specific B1+ shimming during spinal-cord imaging at 7T and resulted in an improved homogeneity in the spinal-cord on structural GRE and MP2RAGE images, with coefficients of variation reduced by up to 40% and 11% respectively, as well as in a recovered signal in the thoracic spinal cord.

Résumé

Bien qu'apportant de nombreux bénéfices en termes de qualité d'image, l'IRM à très hauts champ est particulièrement sensible aux artefacts liés à la réduction de la longueur d'onde du champ B1+ nécessaire pour basculer les spins hors de leur position d'équilibre. Cette longueur d'onde devenant plus petite que la plupart des régions du corps imagé, cela induit une inhomogénéité spatiale de l'angle de bascule qui, à son tour, entraine des variations d'intensité dans l'image finale. Afin de réduire ces inhomogénéités, des antennes équipées de plusieurs transmetteurs pouvant être excités en parallèle deviennent de plus en plus populaires pour l'imagerie à très haut champ, car la possibilité d'envoyer différentes impulsions à chaque transmetteur offre un meilleur contrôle sur les interférences radiofréquences. Ce procédé d'homogénéisation de champs est appelé B1+ shimming (ou RF shimming) et requière du matériel et des logiciels sophistiqués, ainsi que temps de scan supplémentaire, ce qui peut ralentir son intégration dans le milieu clinique. Dans des régions telles que la moelle épinière, où les tissus présentent d'importantes variations en termes de propriétés électromagnétiques, cela devient encore plus difficile d'obtenir un champ B1+ homogène. La profondeur de la moelle épinière à l'intérieur du corps peut elle aussi limiter la puissance du champ B1+, résultant en un faible signal RM dans cette région. De plus, l'importante variabilité anatomique de la région vertébrale d'un patient à un autre vient elle aussi complexifier la création d'une impulsion qui résulterait en un angle de bascule spatialement homogène pour différents sujets. L'objet de cette maîtrise consistait à développer un logiciel en libre-accès dédié au B1+ shimming, couvrant les scenarios les plus couramment utilisés et prenant en compte la déposition d'énergie dans les tissus afin d'assurer la sécurité du patient. La comptabilité avec des outils de segmentation automatique du cerveau et de la moelle épinière a également était implémentée afin de pouvoir effectuer un B1+ shimming ciblant ces régions spécifiques. Cette implémentation a été intégrée au projet Shimming-Toolbox, initialement développé homogénéiser le champ B0. Un test in-vivo a par la suite été effectué dans la moelle épinière à 7T et a montré une amélioration de l'homogénéité le long de la moelle épinière après B1+ shimming sur des images anatomique GRE et MP2RAGE, ainsi qu'une augmentation du signal dans la région thoracique.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Julien Cohen-Adad and Eva Alonso Ortiz
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10282/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:10
Last Modified: 07 Oct 2023 07:45
Cite in APA 7: Cereza, G. (2022). Development of an Innovative Solution Minimizing RF Field Inhomogeneity and Energy Deposition in Ultra-High Field MRI Applications [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10282/

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