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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87067
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8706/


Schultz, Gerrit

Magnetic resonance imaging with nonlinear gradient fields - signal encoding and image reconstruction

Magnetresonanztomographie mit nichtlinearen Gradientenfeldern - Signalkodierung und Bildrekonstruktion

Dokument1.pdf (49.334 KB) (md5sum: 71739d7c09d71c2ff9feba6c0af513a4)

Kurzfassung in Englisch

Within the past few decades MRI has become one of the most important imaging modalities in medicine. For a reliable diagnosis of pathologies further technological improvements are of great importance. This thesis describes a new approach of image encoding: The fundamental principle of gradient linearity is questioned, making way for advanced gradient hardware designs that also generate magnetic fields of strong curvature.

Previously, such strong nonlinear gradient fields had only occasionally been the subject of scientific publications, and the ambitious goal of an overall concept had not been undertaken. Only recently, a growing interest can be observed that might be caused by the fact that parallel reception hardware is nowadays routinely available, thereby increasing the potential range of applications that ensues from nonlinear gradient encoding.

Consequently, this thesis regards imaging with nonlinear magnetic fields as a generalization of conventional MRI with several receiver coils. Parallel imaging is therefore taken as the starting point in this thesis. The signal equation and the most important image reconstruction methods of parallel imaging are presented at a level of abstraction which facilitates the generalization to a potentially arbitrary number of encoding fields of any shape. After a comprehensive theoretical introduction to imaging with nonlinear fields, efficient image reconstruction algorithms are developed for a useful selection of fundamental imaging sequences of varying complexity. Based on gradient hardware supplemented with orthogonal quadrupolar fields, the new methodology is investigated using simulations as well as phantom and in vivo measurement data, and the theoretical predictions are verified. Several particularly interesting applications are presented that give an impression about the implications that this technological advancement may have for future medical diagnostics.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Dissertation werden die Grundlagen für eine technologische Weiterentwicklung des medizinischen Bildgebungsverfahrens der MRT erarbeitet. Diese Weiterentwicklung hat zum Ziel, die Diagnose pathologischer Veränderungen zu erleichtern.

Typischerweise kommt aktuell eine Technologie zum Einsatz, bei der ein anatomisches Bild mit detaillierter Ortsinformation dadurch bestimmt wird, dass ausschließlich solche Gradientenfelder verwendet werden, die einen möglichst linearen Magnetfeldverlauf aufweisen. In dieser Dissertation wird mit diesem Linearitäts-Dogma gebrochen, indem bewusst nichtlineare Gradientenfelder eingesetzt werden, deren Krümmung durchaus eine Stärke erreichen kann, dass auch Extremalpunkte der Feldstärke innerhalb des Messobjektes auftreten können.

In der Vergangenheit gab es lediglich vereinzelt Arbeiten, die sich dieses Themas angenommen haben, ohne jedoch das ehrgeizige Ziel eines Gesamtkonzeptes zu verfolgen. Erst in jüngster Zeit ist ein wiedererstarkendes Interesse an nichtlinearen Kodierfeldern zu beobachten, deren Ursache möglicherweise darin zu erblicken ist, dass durch die mittlerweile bestehende Möglichkeit, mehrere RF-Spulen parallel für den Signalempfang zu verwenden, der potentielle Anwendungsbereich nichtlinearer Kodierung signifikant erweitert ist.

Konsequenterweise begreift die vorliegende Arbeit die nichtlineare Kodierung als Verallgemeinerung der konventionellen Mehrkanal-Bildgebung. Um den Zugang zu diesem verallgemeinerten Bildgebungskonzept zu erleichtern, werden Signalgleichung sowie die wichtigsten Bildrekonstruktionsverfahren der parallelen Bildgebung auf einem Abstraktionsniveau dargestellt, welches den Übergang zu nichtlinearen Gradientenfeldern auf möglichst direktem Weg ermöglicht. Nachdem diese Verallgemeinerung auf Felder von potentiell beliebiger Anzahl und Geometrie theoretisch vollzogen und analysiert ist, werden passende Bildrekonstruktionsalgorithmen für einige grundlegende Bildgebungssequenzen entwickelt und im Detail untersucht. Aufbauend auf einer um orthogonale Quadrupolfelder erweiterten Gradientenhardware wird die neue Methodik anhand von Simulationen sowie Phantom- und In-Vivo-Messungen evaluiert und die theoretischen Vorhersagen werden auf diese Weise verifiziert. Einige besonders interessante Anwendungsbeispiele geben einen Eindruck von den Implikationen, die diese technologische Weiterentwicklung in Zukunft auf die Medizin haben könnte.


SWD-Schlagwörter: NMR-Tomographie , Bildverarbeitung , Bildrekonstruktion , Magnetische Resonanz , Magnetfeld , Digitale Signalverarbeitung , Bildgebendes Verfahren
Freie Schlagwörter (deutsch): Magnetresonanztomographie , MRT , Signalkodierung , nichtlinear , Gradient
Freie Schlagwörter (englisch): Magnetic Resonance Imaging , MRI , nonlinear , gradient , signal encoding
PACS Klassifikation 87.61.Jc A , 87.57.-s M , 87.61.-c M , 87.61.Bj T , 87.61.Ff I
Institut: Radiologische Univ.-Klinik
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Hennig, Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.05.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 03.08.2012
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