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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-85138
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8513/


Splitthoff, Daniel Nicolas

SENSE shimming (SSH) : fast detection of B0 field inhomogeneities in magnetic resonance imaging

SENSE Shimming (SSH) : schnelle Detektion von B0 Feldinhomogenitäten in der Magnet-Resonanz-Bildgebung

Dokument1.pdf (10.830 KB) (md5sum: 72f7ccd1a55aac7e25df61cb54b461fc)

Kurzfassung in Deutsch

Um eine hohe Signalstärke zu erreichen, werden in der Magnetresonztomographie (MRT) extrem starke Magnetfelder im Tesla-Bereich verwendet. Bei solch hohen Feldstärken können nicht vernachlässigbare Feldverzerrungen (Inhomogenitäten), auftreten, in Abhängigkeit des zu messenden Objekts, oder auch der Temperatur des Systems. Da die Bildkodierung in der MRT eine genaue Kenntnis des Magnetfeldes voraussetzt, kann sie durch die Feldinhomogenitäten gestört werden, wobei die Art und Stärke der Störung je nach Bildgebungsmethode (Sequenz) unterschiedlich ist. Eine der anfälligeren Sequenzen ist die Echo-Planar-Imaging Methode, welche aufgrund ihrer Bildkontrasteigenschaften sehr häufig für die Untersuchung von funktionellen Zusammenhängen von Hirnarealen im Rahmen der funktionellen MRT genutzt wird.

Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der schnellen Abschätzung von Feldinhomogenitäten, hervorgerufen durch physiologisches Rauschen, z.B. Bewegung, oder Hardware-Instabilitäten, z.B. bedingt durch Temperaturänderungen des Systems, und der Korrektur von solchen Inhomogenitäten (Shimming). Die Abschätzung basiert auf zusätzlichen kurzen MR-Messungen, welche in dieser Arbeit allgemein als Projektionen definiert werden.
In einem ersten Teil wird die generellen Verwendbarkeit von Projektionen zur Bestimmung von Feldinhomogenitäten untersucht. Das Problem wird dabei im Rahmen der linearen Algebra formuliert, wodurch deutlich wird, dass projektionsbasierte Shimming-Methoden Zusatzinformationen benötigen, um die Gleichungen aufzulösen; zwei Ansätze, diese Informationen zu gewinnen, werden vorgestellt. Darüber hinaus werden durch die mathematische Beschreibung die generellen Grenzen der Methoden erkennbar; so sind im Allgemeinen mit projektionsbasierten Methoden nur relative Werte möglich.
Zusätzlich zu den linearen Methoden werden in der Arbeit auch nichtlineare untersucht, sowie der Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Arten von Projektionen. Der mathematische Formalismus ist flexibel gehalten und erlaubt die Verwendung von Informationen, die entweder durch Gradienten-Kodierung, oder durch unterschiedliche Empfangsspulsen-Sensitivitäten gewonnen werden können, bzw. auf beide Arten.

In weiteren Teilen wird die Verwendbarkeit der verschiedenen Methoden (linear und nicht-linear, sowie mit verschiedenen Arten von Projektionen) in Messungen bei 3 Tesla an Wasserflaschen (Phantomen) gezeigt, bzw. in Probandenmessungen.
Am Ende der Arbeit wird eine Echtzeit-Implementierung der linearen Methoden für eine EPI-Sequenz vorgestellt. Diese Implementierung erlaubt es, über verschiedene Arten von Projektionen, die direkt in die Sequenz eingefügt werden, Feldinhomogenitäts-Änderungen niedriger Ordnungen innerhalb von Millisekunden zu bestimmen. Diese Informationen können dann in Echtzeit dazu verwendet werden, Korrekturen des Messablaufs vorzunehmen, um den Feldinhomogenitäten entgegenzuwirken. Somit können an einem MR-Tomographen relative Änderungen der Feldinhomogenitäten direkt während der Zeitserie einer EPI-Aufnahme korrigiert und Schwankungen der Bildverzerrungen prospektiv reduziert werden. Anhand von Phantom- und Probandenmessungen wird die Eignung der Methode gezeigt, Erwärmungseffekte der Hardware, bzw. bewegungsinduzierte Feldveränderungen zu korrigieren.
Gegenüber retrospektiven Methoden in der Nachbearbeitung hat eine solche prospektive Korrekturmethode den Vorteil, dass keine Interpolation verwendet werden muss, und dass eventuelle Effekte auf die Anregung ebenfalls korrigiert werden können.


Kurzfassung in Englisch

In order to achieve a high signal strength very strong magnetic fields of up to several tesla are used in magnetic resonance tomography (MRT). At such field strengths field inhomogeneities can be observed that are not negligible and which depend on the object to be measured and/or the temperature of the system. Since the image encoding in MRT requires an exact knowledge of the magnetic field it can be corrupted by such field inhomogeneities. The type and the severity of the corruption varies with the acquisition type (sequence). One of the sequences that is more strongly affected is the Echo-Planar-Imaging method, which is widely used in the investigation of functional connections of brain regions in functional MRT, due to its image contrast properties.

This dissertation addresses the fast assessment of field inhomogeneities, caused by physiological noise, e.g. motion, or hardware instabilities, e.g. caused by temperature changes of the system, and the correction of such inhomogeneities (shimming). The assessment is based on additional short acquisitions, which in this work are defined as projections.
In a first part the general usability of projections for the assessment of field inhomogeneities is investigated. By formulating the problem in the framework of linear algebra it is shown that projection-based shimming methods require additional information in order to solve the equations; two approaches are presented for obtaining this information. Furthermore, the mathematical description reveals the general limitations of the methods; in general only relative values can be obtained by projection-based methods.
In addition to the linear approaches non-linear methods are investigated, along with the relationship between different types of projections. The mathematical formalism is flexible and allows the usage of information of both gradient encoding and coil sensitivity differences.

In additional parts the usability of the different methods (linear and non-linear, along with different types of projections) is shown at 3 Tesla in measurements of water bottles (phantoms) and volunteers. In a final step a real-time implementation of the linear methods is presented for an EPI sequence. This implementation allows to determine changes of field inhomogeneities of low orders within milliseconds, by using different types of projections which are inserted directly into the sequence. This information can then be used in real-time in order to perform corrections of the measurement process, thereby counteracting the field inhomogeneities. Thus the relative changes of field inhomogeneities can be corrected for directly during the time series of an EPI acquisition, thereby prospectively reducing changes of image distortions. In phantom and volunteer measurements the capability of the method is shown to correct for warming-up effects of the hardware, and motion induced field changes.
Compared to retrospective methods in the postprocessing such prospective methods have the advantage that they do not require interpolation and that the possible effects of the field changes onto the excitation can be corrected for as well.


SWD-Schlagwörter: NMR-Tomographie , Magnetfeld , Verzerrung , Korrektur
Freie Schlagwörter (deutsch): Feldinhomogenität , Shimming , Echtzeit
Freie Schlagwörter (englisch): magnetic resonance imaging , field inhomogeneities , correction , real-time , shimming
PACS Klassifikation 87.61.-c
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Hennig, Jürgen (Prof. Dr.)
Quelle: SENSE Shimming (SSH): DOI: 10.1002/mrm.22083
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.01.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 15.03.2012
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