On the Impact of B0 Shimming Algorithms on Single Voxel Magnetic Resonance Spectroscopy

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d’imagerie médicale sophis-tiquée et non invasive, renommée pour sa capacité à produire des images à haute résolution offrant un excellent contraste des tissus mous lors de l’imagerie du corps humain. De plus, une technique spécialisée d’IRM appelée spectroscopie par résonance magnétique (MRS) permet de mesurer la composition chimique de divers tissus par analyse spectrale, fournissant des informations métaboliques complémentaires aux images MR structurelles conventionnelles. Comme l’homogénéité du champ B0 est cruciale pour l’acquisition de données optimales en IRM/MRS, les scanners IRM sont optimisés lors de leur installation pour obtenir un champ magnétique principal (B0) uniforme spatialement. En IRM, la présence d’une inhomogénéité du champ B0 peut provoquer une distorsion de l’image et une perte de signal, tandis que des variations spatiales du champ B0 entraînent une perte de sensibilité et de résolution spectrale dans le cas de la MRS. La principale source de ces inhomogénéités est attribuée au sujet à l’intérieur du scanner IRM et provient des différences de susceptibilité magnétique entre différents tissus. La susceptibilité magnétique est une mesure spécifique au tissu qui définit dans quelle mesure un tissu est magnétisé lorsqu’il est exposé à un champ magnétique externe, comme le B0 en IRM. Plus la différence de susceptibilité magnétique entre les tissus adjacents est grande, plus les décalages B0 seront élevés. Le lobe frontal est généralement une région très inhomogène du cerveau en raison de la proximité des sinus frontaux remplis d’air et des tissus cérébraux. Une méthode adoptée par les fabricants d’IRM pour atténuer la non-uniformité spatiale du champ B0 est appelée shim B0. Le processus de shim B0 implique la cartographie des dé-calages B0 et la génération d’un champ compensatoire de même amplitude que les décalages mais de polarité opposée pour annuler les décalages. Typiquement, les algorithmes de shim B0 utilisent une approche d’optimisation pour trouver de manière itérative le champ com-pensatoire optimal qui minimise le décalage B0. L’efficacité du shim B0 est donc influencée à la fois par le processus de cartographie B0 et la technique d’optimisation employée. Bien que diverses techniques de cartographie B0 aient été proposées dans la littérature, il reste des opportunités d’étudier l’efficacité de différentes méthodes d’optimisation pour le shim MRS à voxel unique.

Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) is a sophisticated, non-invasive medical imaging technique renowned for its high-resolution capabilities, that generates excellent soft tissue contrast when imaging the human body. Additionally, a specialized MRI technique known as Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) allows for the measurement of the chemical composition of various tissues through spectral analysis, providing metabolic information complementary to conventional structural MR images. Since the homogeneity of the B0 field is crucial for acquiring optimal data in MRI/MRS, upon installation of the MRI scanners, the main magnetic field (B0) is optimized to be spatially uniform. In MRI, the presence of B0 inhomogeneity can cause image distortion and signal loss, whereas spatial B0 variations lead to a loss of sensitivity and spectral resolution in the case of MRS. The major source of these inhomogeneities is attributed to the subject inside the MRI scanner and originates from differences in the magnetic susceptibility of different tissues. Magnetic susceptibility is a tissue-specific metric that defines the extent to which a tissue is magnetized when exposed to an external magnetic field, such as B0 in MRI. The greater the difference in magnetic susceptibility between adjacent tissues, the higher the B0 offsets will be. The frontal lobe is typically a highly inhomogeneous region in the brain due to the close proximity of air-filled frontal sinuses and brain tissues. A method adopted by MRI manufacturers to mitigate the spatial nonuniformity of the B0 field is called B0 shimming. The B0 shimming process involves mapping the B0 offsets and generating a compensatory field with the same amplitude as the offsets but in the opposite polarity to cancel out the offsets. Typically, B0 shimming algorithms use an optimization approach to iteratively find the optimal compensatory field that minimizes the B0 offset. The effectiveness of B0 shimming is thus influenced by both the B0 mapping process and the em-ployed optimization technique. While various B0 mapping techniques have been proposed in the literature, there are still opportunities to study the effectiveness of different optimization methods for single-voxel MRS shimming.