Selective Excitation MR Imaging with Parallel Transmission (pTx)

Schneider, Rainer

Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt in der Entwicklung von Hochfrequenz (HF)-Pulsenfür dedizierte Anwendungen in der Magnetresonanztomographie (MRT) unter Verwendungder parallelen Sendetechnik (pTx). Die wissenschaftlichen Beiträge dieser Arbeit umfassendabei den Entwurf und die Implementierung neuer Algorithmen, welche mit Hilfe von Simu-lationen und in-vivo Human-Experimenten auf einer kommerziell verfügbaren 3T pTx MRTScanner-Platform validert wurden.In der MRT sind HF-Pulse essentiell für die Signalgenerierung als auch für die Unterdrückungvon unerwünschten Signalquellen. Bei ihrer Anwendung werden Atomkerne im untersuchtenProbanden angeregt, welche daraufhin ein messbares Signal abgeben. Das hochfrequenteMesssignal wird von Empfangsspulen erfasst und schließlich in Bilder rekonstruiert. Auf-grund von limitierenden physikalischen Effekten wie Magnetfeld-Inhomogenitäten, Kernspin-Relaxationsprozessen und der auftretenden Erwärmung von Patientengewebe, müssen dieHF-Pulse idealerweise so genau, so kurz und so energieeffizient wie möglich sein. Die pTx-Technologie versucht diesen Anforderungen durch die Bereitstellung von neuen räumlichenFreiheitsgraden entgegenzutreten. Viele Studien wurden auf Basis von einzel-angefertigtenpTx-Platformen durchgeführt und haben die vielen Vorteile und Möglichkeiten, aber auchpotentielle Gefahren der vermehrten Freiheitsgrade aufgezeigt. Das robuste Design und dieÜberführung von pTx HF-Pulsen in das klinische Umfeld sind stets Gegenstand der aktuellenForschung und Ziel dieser Arbeit.Die entstandenen wissenschaftlichen Beiträge können zu drei verschiedenen Applikations-feldern zugeordnet werden. Zuerst wird die Performanz von 2-D räumlich-selektiven HF-Pulsen(2DHFs) für die Inner-Volume-Bildgebung verbessert. Hier wird die HF-Anregung auf einenbestimmten Bildbereich (ROI) eingeschränkt, um Bilder mit verringerten geometrischenVerzerrungen und höherer Auflösung zu ermöglichen. Neue k-Raum Trajektoriendesignswerden für 2DHF-Pulse vorgeschlagen, welche um 43% genauer und gleichzeitig um 79%energieeffizienter sind oder deutlich verkürzte Pulszeiten um Faktor größer zwei aufzeigen. Diedarauf basierenden diffusions-gewichteten Bilder zeigen einen bis zu 40% Signal-zu-Rausch(SNR)-Gewinn gegenüber zu konventionellen Designs.In zweiten Anwendungsfeld wird der zusätzliche HF-Anregungskanal zur Kompensation vonSignalverlusten in Gradienten-Echo (GRE)-Bildern verwendet. Die Signalverluste werdendabei durch patienten-spezifische Magnetfeld-Verzeichnungen ausgelöst. Ein schnelles, ro-bustes und voll automatisiertes Verfahren wird vorgeschlagen, um diesen Signalverlustenschicht-spezifisch entgegenzuwirken. Maßgeschneiderte HF-Pulse werden unter Einbezug dergemessenen Hauptmagnetfeld-Inhomogenitäten und HF-Sendespulen-Sensitivitätsprofilen berechnet. Im Durschnitt können 47% der Signalausfälle in Multi-Schicht-Aufnahmen wieder-hergestellt werden.Schließlich wird ein 2-D Spiral-Trajektoriendesign für die Verwirklichung von anatomischgeformten Sättigungspulsen ausgearbeitet, welches eine inhärente Energieeffizienz bietet. DiePulse streben eine möglichst genaue Unterdrückung von unerwünschten Signalquellen, wiez.B. sich bewegenden inneren Organen an, um damit Bewegungsartefakte in den resultieren-den Bildern auszuschließen. Das vorgeschlagene 2DHF-Spiral-Design zeigt in verschiedenenanatomischen Regionen eine optimale Ausgewogenheit zwischen HF-Energieeffizienz undräumlicher Abbildungsgüte und übertrifft andere bekannte Ansätze. Das Verfahren wurdehinsichtlich mehrerer Anregungs-Frequenzen erweitert. Damit können die räumlich geformtenPulse auch andere Gewebetypen wie Fett selektiv unterdrücken.

The focus of this thesis is on the development of radio-frequency (RF) pulses for dedicatedapplications in magnetic resonance imaging (MRI) utilizing the parallel transmission (pTx)technology. The contributions include their algorithmic design and implementation as well assimulations and human in-vivo experiments on a commercially available clinical pTx MRIscanner platform at 3T.The role of RF pulses in MRI is essential for both the signal generation and suppression ofundesired signal sources. Basically, an RF pulse excites nuclear spins within a subject thatare measured by resonant coils and subsequently reconstructed into images. Besides the needfor accuracy, the RF pulses require to be as short and as energy efficient as possible due tomain field inhomogeneity, spin relaxation and patient tissue heating limitations. Recently, theintroduction of the pTx technology facilitated new spatial degrees of freedom to satisfy theserequirements. Many studies based on custom-built pTx platforms have proven great benefits,but also showed potential pitfalls coming along with the increased degrees of freedom. Therobust design and transfer of pTx RF pulses to a clinical setup and applications is stillon-going research and topic of this thesis.The contributed work can be divided into three application fields. First, the performanceof 2-D spatially selective RF pulses (2DRFs) is improved for inner-volume imaging. Here,RF excitation is limited to a region of interest (ROI) to allow for less distorted images withhigher resolution. New k-space trajectory designs are proposed for 2DRF pulses, which showup to 43% better accuracy with 79% improved RF power efficiency or substantially shortenedpulse durations by more than a factor of two. Resulting diffusion weighted images show ansignal-to-noise ratio (SNR) increase up to 40% compared to conventional designs.Then, the additional RF transmit channel is used to pre-compensate signal losses inducedby patient-specific main field perturbations in gradient recalled echo (GRE) images. A fast,robust and fully automatized method is proposed to reduce these signal voids on a slice-to-slice basis. Tailored RF pulses are designed using the measured main field inhomogeneity andRF transmit coil sensitivity profiles. Signal dropouts in multi-slice images can be recoveredon average by 47%.Finally, an inherent RF power efficient 2-D spiral trajectory design is employed to realizeanatomically shaped saturation pulses. The pulses aim to accurately suppress undesiredsignal sources, like moving inner organs, to avoid motion artifacts. The proposed 2DRFspiral design proves to show the optimal balance of RF power efficiency and spatial fidelityin various anatomical locations and clearly outperforms other common design strategies.The approach is further extended to multiple frequencies, so that the shaped pulses can alsoselectively saturate other tissue types such as fat.

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Schneider, Rainer: Selective Excitation MR Imaging with Parallel Transmission (pTx). 2015.

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