Shimming Toolbox: An Open-Source Software Package for Shimming the B0 and B1 Field in Magnetic Resonance Imaging

En augmentant le champ magnétique principal (ou champs B0) en imagerie par résonance magnétique, les images peuvent bénéficier d'une meilleure résolution et d'une meilleure intensité de signal. Cependant, augmenter le champ B0 comporte plusieurs obstacles, l'un d'entre eux est l'augmentation des inhomogénéités de ce champ. Ces inhomogénéités sont la source de plusieurs effets indésirables comme la perte de signal, la distorsion géométrique, et la superposition de signal dans les images résultantes. Pour mitiger ces artéfacts, un processus appelé B0 « shimming » est effectué pour homogénéiser le champ. Typiquement, cela consiste à acquérir une carte du champ B0 et d'utiliser des antennes qui produisent des champs opposés aux inhomogénéités. Plusieurs techniques ont été proposées pour « shim » le champ B0 comme le « shim » statique (où les coefficients sont optimisés pour un seul volume), le « shim » dynamique (où les coefficients sont optimisés pour chaque tranche d'une image) et le « shim » en temps-réel (où les coefficients sont calculés en temps réel pour corriger les inhomogénéités statiques et ceux qui varient dans le temps). Ces techniques peuvent utiliser plusieurs sortes d'antennes comme celles intégrées dans l'IRM ou des antennes sur mesure. Un autre obstacle rencontré lorsque le champ B0 augmente est la diminution de la longueur d'onde de l'onde RF. À 7 Tesla, la longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la tête d'un humain adulte. Cette courte longueur d'onde entraine des inhomogénéités dans le profil d'excitation, appelé inhomogénéités B1+. Ces inhomogénéités créent des effets indésirables tel que la perte locale de signal et des intensités de signaux locaux variables. Pour limiter ces inhomogénéités, des techniques comme le « shimming » statique B1+ (les courants RF sont calculés pour obtenir un profil d'excitation homogène) ont été développées. Toutes ces méthodes sont répandues à travers plusieurs groupes de recherches. Elles sont difficiles à reproduire et à implémenter. Elles ont aussi besoin de programmes dédiés et de connaissances importantes pour leur implémentation. Dans ce contexte, le but de ce projet de recherche est de développer un logiciel complet libre d'accès (Shimming Toolbox) pour prototyper des techniques de « shimming », tester des antennes, reproduire des techniques de « shimming » existantes, et développer de nouvelles avenues de recherches reliées au « shimming » du champ B0. Le « shimming » B1 a aussi été implémenté dans Shimming Toolbox dans le cadre du projet de maîtrise de Gaspard Cereza. Shimming Toolbox inclut des outils de conversion d'image, de cartographie de champ B0, de création manuelle et automatique de masque, de caractérisation de champ d'antenne et inclut les techniques de « shimming » B0 globale, dynamique et de temps réel ainsi que de « shimming » B1+ statique. Le logiciel est disponible pour téléchargement sur la plateforme Github avec des instructions d'installations, des tutoriels, et de la documentation disponible sur le site internet de Shimming Toolbox (https://shimming-toolbox.org). Le logiciel a été testé in-vivo à l'aide de deux expériences qui ont testé l'habileté de faire du « shimming » B0 dynamique et en temps réel en utilisant des antennes intégrées et des antennes sur mesure. Ces expériences ont été effectuées à différent champ (3 T et 7 T) sur différentes parties de l'anatomie (cerveau et moelle épinière). Le « shimming » dynamique a démontré une réduction des inhomogénéités du champs B0 dans le cerveau de 47% et le « shimming » en temps réel a démontré une réduction des inhomogénéités du champs dans la moelle de 30%. Des recherches futures peuvent se concentrer sur le développement de Shimming Toolbox pour pouvoir être plus versatile dans ses choix d'optimiseur, de techniques de cartographie, d'« unwrapper » et de techniques de « shimming ». Le logiciel pourrait aussi être optimisé pour être plus rapide afin d'utiliser moins de temps lors des expériences. Même si Shimming Toolbox a réduit les inhomogénéités du champ B0, plus de tests sont nécessaires afin de bien évaluer la performance des différentes techniques implémentées. J'espère que Shimming Toobox sera une plateforme sur laquelle la communauté IRM va collaborer, utiliser des techniques de « shimming » à l'état de l'art, et rendra la recherche en « shimming » plus transparente et reproductible.