Radio frequency calibration methods and sequence optimisation with application to ultra high field MR-PET neuroimaging

Brenner, Daniel; Stahl, Achim; Shah, Nadim Joni

doi:34649

Radio frequency calibration methods and sequence optimisation with application to ultra high field MR-PET neuroimaging

Brenner, Daniel

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Brenner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-09-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-062292
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540986/files/540986.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540986/files/540986.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; MRI highfield MRPET (frei) ; MRPET (frei) ; ultra-high field (frei) ; highfield (frei) ; MRI (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Ultra-Hochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich in den letzten 20 Jahren stetig weiterentwickelt. Mit statischen magnetischen Feldern von bis zu 9.4 T im Forschungsumfeld, eine mehr als Verdreifachung verglichen mit modernen klinischen Systemen, haben sich neue Möglichkeiten und Herausforderungen für die Neurobildgebung ergeben. Diese Arbeit behandelt verschiedene dieser Herausforderungen mit Fokus auf die Probleme der Radiofrequenzanregung. Nach einer theoretischen Einführung in die MRT Bildgebung beschreibt diese Arbeit die Unterschiede und Probleme die sich durch das erhöhte statische magnetische Feld und die entsprechend erhöhte Larmor Frequenz ergeben. Es folgt eine detaillierte Beschreibung der verwendeten Messsysteme, einem 9.4 T Human MRT Scanner mit einem 8-Kanal parallelen Sendesystem sowie einem zusätzlichen Positronenemissionstomographen (PET). Ausgehend vom aktuellen Stand der Technik wird eine dedizierte 3D Kalibrierungsmethode entwickelt die die Messung der Radiofrequenz- und statischen Magnetfelder während in vivo Messungen erlaubt. Eine komplette Charakterisierung eines Messvolumens von der Größe eines menschlichen Kopfes kann somit in ca. 5 Minuten gewonnen werden. Für die Akquisition von T1 gewichteten Bildern wurde eine MP2RAGE Sequenz mit effizienten Hyberbolic-Secant-N Inversionspulsen ausgestattet. Die bessere Inversionseffizienz dieser Pulse bei geringerer benötigter B1 Feldamplitude erlaubt eine homogenere Inversion, die sich in einem verbessertem Bildkontrast widerspiegelt, während die Pulse zugleich den SAR Grenz- werten entsprechen. Durch die weitere Nachverarbeitung (Kombination verschiedener Akquisitionen) konnten verbleibende Artefakte weiter reduzieret werden. Dies ermöglicht hochqualitative Aufnahmen des menschlichen Gehirns. Eine neuartige Travelling Wave Antenne, die sowohl den TE11 als auch den TM01 mode des Scanner waveguides verwendet, wird mittels B1 mapping Verfahren vermessen und mit EM Simulationsdaten verglichen. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung gefunden. RF Shimming wird verwendet um das Gesamttransmitfeld zu optimieren. Des Weiteren wird ein simulationsbasierter Ausblick auf die Leistungsfähigkeit für in vivo Anwendungen gegeben. Abschliessend behandelt diese Arbeit die Auswirkungen der aktiven MR Messung auf einen integrierten PET Detektor. Die Ergebnisse zeigen eine MR induzierte Beeinflussung der gemessenen PET Zählrate. Die Ursache dafür sind Störun-gen die durch die PET Detektor Elektronik aufgenommen werden. Ein vergleichbarerEffekt, jedoch mit reduzierter Magnitude, wird bei realistischen MR Protokollen beobachtet und sollte im Design von kombinierten MR-PET Studien beachtet werden.

Ultra-High Field (UHF) Magnetic Resonance Imaging (MRI) has flourished during the last 20 years. With field strengths up to 9.4 T, a roughly threefold increase to high end clinical systems, new opportunities and challenges manifest for imaging of the human brain. This thesis addresses several of those challenges with a focus on the radiofre- quency chain problems. Following a theoretical introduction into MRI an overview of the characteristics of UHF MRI is given. A detailed description of the available mea- surement setup, a 9.4 T scanner with an 8-channel parallel transmit (pTX) system and positron-emission-tomography (PET) insert, is presented. Based on state-of-the-art methodology a dedicated 3D calibration procedure for map- ping of the radiofrequency and static magnetic field during in vivo measurements is developed. Characterisation of all 8 channels covering a head-sized volume is achieved in 5 minutes. For the acquisition of T1 weighted images an MP2RAGE sequence is combined with efficient hyperbolic secant N (HSN) inversion pulses. The increased power efficiency of the HSN pulses provides improved imaging results compared to conventional HS pulses while conforming with SAR limits. Further processing can be utilised to combine several acquisitions to further improve the resultant image and mitigate residual inhomogeneity related artefacts to yield high quality images of the human brain.A novel multi-mode travelling wave antenna, which utilises the TE11 and TM01 mode of the scanner waveguide, is investigated using B1 mapping methodology and simulated EM field data. Good agreement is found between measurements and simulation. RF shimming is performed to exploit the individual field patterns of the antenna to optimise the homogeneity for a phantom experiment. The in vivo application is simulated - here RF shimming is capable of a distinct steering of the transmit field.Finally, the effects of gradient switching and RF irradiation are investigated on a PET insert within a 3 T system. It is found that dedicated gradient intensive synthetic MR sequences can have severe impact on the apparent PET count rate. The origin are distortions picked up by the PET detector electronics. A similar effect is observed with real MR protocols - though smaller in magnitude (up to 3% drop). This effect should be considered in the design of combined MR-PET studies.

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