Impact of Through-Slice Gradient Optimization for Dynamic Slice-Wise Shimming in the Cervico-Thoracic Spinal Cord and the Brain

L’objectif de ce mémoire est d’adresser le défi d‘homogénéisation du champ B0 en IRM afin d'améliorer l’imagerie de la moelle épinière et du cerveau à des champs magnétiques élevés (3T et 7T). Les inhomogénéités du champ B0, responsables de la perte de signal et des distorsions géométriques, posent particulièrement un problème dans la région cervico-thoracique de la moelle épinière et dans le lobe frontal du cerveau en raison des effets de susceptibilité magnétique, des interfaces os-tissus et des mouvements physiologiques. L'objectif de cette recherche est de développer et valider des techniques avancées de shimming dynamique tranche-par-tranche afin d’augmenter le signal dans ces régions complexes, en réduisant les gradients dans l'épaisseur de coupe, qui sont la principale cause de perte de signal dans les images écho de gradient. L’objectif principal est d’évaluer l’impact de l’intégration d’un paramètre (w) dans l’optimisation traditionnelle en moindres carrés (qui minimise le décalage du champ B0 dans la coupe) afin de concilier deux aspects essentiels : l'homogénéité du champ B0 dans le plan de coupe et la réduction des gradients dans l'épaisseur de coupe. Cette optimisation, ayant prouvé son efficacité dans le cerveau à 3 Tesla, devrait être encore plus bénéfique à des champs plus élevés (où le déphasage est plus prononcé) et dans la moelle épinière, où l'épaisseur de coupe pour l'imagerie écho-planaire (EPI) est supérieure à celle du cerveau (typiquement 3-5mm).

Abstract

This thesis addresses the challenge of mitigating B0 inhomogeneities in MRI for improved spinal cord and brain imaging at high magnetic fields (3T and 7T). B0 inhomogeneities, which cause signal loss and geometric distortions, are particularly problematic in the cervico-thoracic spinal cord and the brain’s frontal lobe due to susceptibility effects, bone-tissue interfaces, and physiological motion. This research aims to develop and validate advanced dynamic shimming techniques that can enhance signal recovery in these challenging regions, focusing on reducing through-slice gradients, the principal cause of signal loss in gradient-echo images. The main objective is to evaluate the impact of incorporating a signal recovery parameter (w) into the traditional least squares optimization (minimizes B0 offset in the slice) to balance two primary concerns: in-plane B0 homogeneity and through-slice gradient minimization. Since this optimization has been proven to be helpful in the brain at 3 Tesla, this work hypothesized that this optimization would be even more beneficial at higher field strengths (stronger dephasing), and in the spinal cord where slice thickness for echo planar imaging (EPI) is greater than the brain (typically 3-5mm).