Advanced software and hardware control methods for improved static and dynamic $B_{0}$ shimming in magnetic resonance imaging

Schwerter, Michael; Stahl, Achim; Shah, Nadim Joni

doi:10.18154/RWTH-2020-01201

Advanced software and hardware control methods for improved static and dynamic $B_{0}$ shimming in magnetic resonance imaging

Schwerter, Michael

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Schwerter, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xii, 135 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01201
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/781281/files/781281.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
B0 shimming (frei) ; magnetic resonance imaging (frei) ; magnetic resonance technology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive tomografische Bildgebungstechnik und ein mächtiges Instrument in Medizin und Forschung. Methodische Weiterentwicklungen haben das Spektrum möglicher Anwendungen erheblich erweitert und den klassischen MR-Scanner zu einem inhärent multimodalen Bildgebungsgerät gemacht. Dies ging mit Optimierungen der Hardware einher, die eine höhere Datenqualität bei verkürzten Messzeiten erzielten. Eine wichtige Rolle spielt dabei seit jeher die Verbesserung der MRT Magnete, welche zur Erzeugung eines starken, homogenen und zeitlich stabilen statischen Magnetfeldes benötigt werden. Selbst ein vollkommen homogenes Magnetfeld wird jedoch unvermeidlich durch die magnetische Suszeptibil-ität eines Untersuchungsobjektes verzerrt. Effektive Methoden das Magnetfeld zu shimmen sind daher unverzichtbar und noch immer wesentlicher Bestandteil der Forschung. Dies ist jedoch nicht trivial, da bei humanen MR Anwendungen komplexe Verzerrungsmustern entstehen. Die Qualität vieler heutiger MR Anwendungen ist daher noch immer durch starke unkompensierte Inhomogenitäten beeinträchtigt. Ziel dieser Arbeit war es daher, bestehende Probleme des Shimmings des statischen Magnetfeldes zu identifizieren und Lösungstrategien zu entwickeln.Konventionelle Shimming Ansätze basieren auf Spulen, die Felder entsprechend der Kugelflächenfunktionen 2. Ordnung erzeugen und deren Ströme so angepasst werden, dass zuvor gemessene Inhomogenitäten kompensiert werden. Die dafür erforderlichen Methoden zur Magnetfeldmessung und Shimoptimierung wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und implementiert. Präzise Charakterisierungen des Shimsystems wurden durchgeführt und in die Software integriert. Simulationen und Messungen zeigten, dass die Methode eine optimale Homogenität innerhalb von einer Minute und ohne Iterationen über benutzerdefinierte Volumina erreicht. So wurde bei einer Feldstärke von 3 T über das gesamte Gehirn eine Feldhomogenität von 18,4 ± 2,5 Hz erzielt.Die Shimqualität wurde durch die Verwendung zusätzlicher Shimspulen, welche Kugelflächenfunktionen sehr hoher Ordnung erzeugen, weiter verbessert. Ansteuerungsmöglichkeiten des Shim-Controllers wurden implementiert und in die Software integriert. Simulationen, die eine Verbesserung der Homogenität über das gesamte Gehirn auf 15,1 ± 3,8 Hz zeigten, wurden durch Messungen bestätigt. Die verbleibenden Inhomogenitäten übersteigen das Korrekturpotenzial selbst der Shimspulen hoher Ordnung und weisen die Grenzen des statischen Shimmings auf. Dynamische Shim-Updates während der Datenerfassung können die erreichbare Feldhomogenität jedoch weiter verbessern. Schnelle Shim-Änderungen rufen allerdings wirbelstrominduzierte Verzerrungsfelder hervor und erfordern sogenannte pre-emphasis Korrekturen. Daher wurde eine Messmethode entwickelt, die den vollständigen Verlauf von 4D-Wirbelstromfeldern erfassen kann. Mit einer Messzeit von 10 Min. wurde eine sechsfache Beschleunigung im Vergleich zu einer vorhandenen Alternative erzielt. In Kombination mit einer modell-basierten pre-emphasis Rekonstruktion konnte gezeigt werden, dass alle Wirbelströme effektiv kompensiert wurden.Eine zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die dynamischen Shimströme und deren zeitliche Änderung stark limitiert werden können, ohne die erreichbare Homogenität signifikant zu beeinträchtigen. So konnte eine 23-fache Verringerung der durchschnittlichen maximalen und eine 18-fache Verringerung der durchschnittlichen mittleren Shimstrom-Änderungen erzielt werden. Dabei wurde trotzdem eine Homogenität von 8,76±0,32 Hz erreicht, verglichen mit 8,10±0,31 Hz für den nicht-limitierten Fall. Die damit einhergehenden Vorteile umfassen eine intrinsische Wirbelstromreduzierung, geringere Hardwareanforderungen und genauerere Simulationen. Zusammengefasst wurden im Rahmen dieser Arbeit neue und effiziente Techniken zur Erhöhung der MRT Magnetfeldhomogenität entwickelt. Insbesondere die Methoden zum Messen und Reduzieren der Wirbelströme verbessern die Andwendbarkeit des dynamischen Shimmings erheblich.

Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive tomographic imaging technique and a powerful tool applied in many fields of medicine and research. Methodological developments have vastly broadened the spectrum of possible applications and turned the classical MR scanner into an inherently multi-modal imaging device. Simultaneous hardware advancements have been striving for obtaining better data quality at reduced acquisition times. Here, a central role is taken by the improvement of the MRI magnets, which are required to generate a strong, homogeneous and temporally stable static magnetic field. Any perfectly homogeneous magnetic field, however, is inevitably distorted by the unique magnetic susceptibility distribution of an examination subject. Thus, subject-specific magnetic field shimming technology, which homogenizes the magnetic field, is indispensable and still forms an integral part of current MR research. However, this is non-trivial, because human MR acquisitions are faced with complex distortion field patterns and, thus, many of today’s applications still suffer from strong uncompensated inhomogeneities. Consequently, it was the purpose of this work to identify and overcome existing challenges in subject-specific static magnetic field shimming with a focus on human brain acquisitions. Conventional shim approaches are typically based on 2nd order spherical harmonic shim coils, whose driving currents are adjusted so as to correct for previously measured field inhomogeneities. To gain full control over this process, a comprehensive field mapping and shim current optimization framework was implemented. Accurate shim field characterizations were performed and included into custom-written software. Conducted simulations as well as phantom and in vivo measurements showed, that the shimming framework reaches optimal field homogeneity over user-defined volumes within one minute and without the need for iterations. This way, an average whole-brain field homogeneity of 18.4 ± 2.5 Hz was achieved at a main field strength of 3 T. The shim quality was further improved via the application of a shim coil insert, which can generate very high-order spherical harmonic shim fields. Means of communication with its shim controller were implemented and integrated into the shimming software. Simulations, indicating an improve in whole-brain field homogeneity to 15.1 ± 3.8 Hz, were confirmed in experiments. This residual inhomogeneity was identified as being beyond the correction capabilities even of the high-order shim set and indicates the feasible limit of static spherical harmonic shimming. In contrast, dynamic shim updates during data acquisition can further improve the achievable B0 homogeneity. However, rapid shim changes evoke eddy current-induced distortion fields and, thus, require pre-emphasis corrections. For this, an image-based measurement scheme was developed, which is applicable to capture full 4D eddy current field evolutions. Requiring 10 min of acquisition time, a six-fold acceleration compared to an existing alternative was achieved. Combined with a novel model-based pre-emphasis reconstruction, the shim-induced eddy currents were effectively suppressed and enabled a dynamic operation of the shim hardware. Based on this, a key finding of this work is that the dynamic shim currents and their temporal variation can be strongly constrained while negligibly compromising achievable field homogeneity. Incorporation of these constraints into the shim optimization led to a 23-fold reduction of average maximum and an 18-fold reduction of the average mean inter-slice current changes. Nonetheless, a whole-brain field homogeneity of 8.76 ± 0.32 Hz was achieved, as compared to 8.10 ± 0.31 Hz for the unconstrained case. The associated benefits are manifold, including an intrinsic eddy current reduction, decreased power supply demands and more accurate shim simulations. In conclusion, novel and efficient means to increase the magnetic field homogeneity in MRI measurements were developed within the scope of this work. Especially the methods to measure and reduce shim-induced eddy currents improve dynamic shimming implementations significantly.

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