Design and Construction of a Highly Sensitive Coil for MRI of the Spinal Cord

Un grand nombre de pathologies (sclérose en plaque, lésions, etc.) peuvent toucher la moelle épinière, des techniques non invasives de diagnostic tel que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont généralement utilisées pour les dépister. Les antennes commerciales pour l'IRM sont conçues pour accommoder une large population, mais elles ne sont pas optimisées pour le rapport signal sur bruit (S/B). L'objectif principal de ce mémoire a été de concevoir et de construire une antenne radiofréquence (RF) en réseau phasé avec six bobines en réception pour l'IRM de la moelle épinière cervicale chez des sujets humains. La configuration optimale de l'antenne avec six canaux a été déterminée à l'aide de simulations électromagnétiques pour modéliser l'antenne en réception. L'antenne a été conçue et construite pour s'ajuster au plus près du sujet humain tout en étant compatible avec l'interface du scanner IRM. Les performances de l'antenne ont été évaluées sur le banc à l'aide d'un fantôme, ainsi que dans l'IRM sur des sujets humains. Les résultats montrent une amélioration moyenne du rapport S/B par un facteur 2 par rapport à l'antenne commerciale. Cette amélioration permet d'avoir une haute résolution qui facilite la représentation des fins détails comme les petites lésions présentes dans la sclérose en plaques. De plus, la géométrie optimisée de l'antenne permet d'utiliser de hauts facteurs d'accélération (par exemple 3), réduisant considérablement le temps d'acquisition. Pour conclure, l'antenne en réseau phasé avec six bobines pourrait servir à l'imagerie anatomique de haute résolution (0,3 mm dans le plan), l'IRM fonctionnelle (IRMf), IRM de diffusion et dans études par spectroscopie pour caractériser le métabolisme des tissus présents dans la moelle épinière et les sections inférieures du cerveau.

Abstract

Spinal cord injuries affect a large number of people, therefore a non-invasive technique such as magnetic resonance imaging (MRI) can be used for diagnosis purposes. While current commercial coils are designed to fit a diverse population, they are not optimized for signal-to-noise ratio (SNR). The major objective of this thesis was to design and construct a six-channel radio-frequency (RF) receive-only phased array coil for MRI of the cervical spinal cord in human subjects. The optimal configuration of the six-channel coil array was determined using electromagnetic simulations framework for modelling the array behavior in the receiving mode. The design and construction of the coil array were focused on offering a tight fit of the human subject, while being compatible with the scanner interface. The RF coil performances were evaluated at the bench using a phantom. Furthermore, it was validated in the MRI on human subjects. The results show an average improvement in SNR by a factor of two compared to the commercial coil. This enhancement enables higher resolution and therefore better depiction of small pathologies such as small lesions in multiple sclerosis. Moreover, the optimized geometry of the RF coil enables the use of aggressive acceleration factors (e.g., 3), which reduces significantly the acquisition time. In conclusion, the six-channel coil array could be used in high resolution anatomical imaging (0.3mm in-plane), functional MRI (fMRI), diffusion tensor imaging (DTI) and spectroscopy studies for characterizing the metabolism of different tissues present in the spinal cord and lower brain sections.