Static field shimming in the human brain for ultra-high field MRI : conceptual limits and development of a novel hardware prototype
Homogénéisation du champs magnétique statique dans le cerveau Humain pour l’IRM à ultra-haut champs : limites conceptuelles et développement d’un nouveau prototype
Résumé
Image signal-to-noise ratio in Magnetic Resonance Imaging (MRI) increases with the main magnetic field intensity: Ultra-High Fields (7T and above) can achieve submillimetre resolutions within viable acquisition time. Thus, a whole-body 11.7T MRI was conceived for human brain imaging and is currently being installed at NeuroSpin.However, some MRI sequences like Echo-Planar Imaging (EPI) are very sensitive to magnetic field inhomogeneity caused by susceptibility gradients between biological tissues and air. This inhomogeneity grows linearly with the main magnetic field and causes signal-loss and strong geometric distortions, exacerbated in brain regions close to ear canals and sinuses.Mitigation of these artifacts is performed through the generation of counteracting magnetic fields reducing the field excursions caused by susceptibility gradients. This process, known as shimming, is usually performed with coils correcting field spherical harmonics (SH) up to third degree, but the correction provided by the set of coils with this degree is expected to be insufficient at 11.7T. Increasing the degree and performance of SH systems requires adding many space-consuming coils, building up to a heavy and impractical system.As a compact and versatile solution, shimming systems composed of small circular coils regularly placed over cylindrical surfaces close to the patients head, so-called matrix Multi-Coil Arrays (MCA), have been shown to provide comparable performance to that of high-degree SH systems, while being driven by relatively low currents.In this thesis, we started with the exploration of the application of principal component analysis of subject-optimal stream functions computed from a hundred-brain field-map database. We showed that the first few principal modes could be discretized into windings to build a 3 to 5 channel-count shim system capable of providing equivalent performances to that of 4th and 5th degree SH systems.Then, to provide more flexibility, identification of current flow clusters in the principal stream function modes provided geometry and position of coils to design an optimized MCA. The resulting MCA showed performance superior to that of matrix MCAs with a similar or even reduced amount of channels. Simulations at 7T showed that a 2-layer 36-channel optimized MCA with currents constrained to 3A could provide a performance equivalent to that of unconstrained 6th degree SH systems and was expected to achieve unconstrained 7th degree SH equivalence when equipped with a third layer and a total of 48 channels. A 2-layer 36-channel prototype was built and tested in-vivo at 7T for proof-of-concept, showing consistent results with simulations. It provided high field inhomogeneity reduction and considerable EPI artifact mitigation, expected to be particularly beneficial at 11.7T.Within a more theoretical framework, the intrinsic limits to B0 inhomogeneity correction were studied, and it was shown that no shimming hardware placed outside the human head is capable of zeroing out the magnetic field excursions caused by air/tissue susceptibility gradients throughout the entire brain. Nevertheless, by selecting smaller regions of interest satisfying particular conditions, perfect homogenization is possible.
Le rapport signal/bruit des images en imagerie par résonance magnétique (IRM) augmente avec l'intensité du champ magnétique principal: les ultra-hauts champs (7T et plus) peuvent atteindre des résolutions submillimétriques dans un temps d'acquisition viable. Ainsi un scanner IRM corps entier de 11,7T a été conçu pour l'imagerie du cerveau humain et est actuellement en cours d'installation à NeuroSpin.Cependant, certaines séquences IRM comme l’Imagerie Echo-Planaire (EPI) sont très sensibles à l'inhomogénéité du champ magnétique causée par les gradients de susceptibilité entre les tissus biologiques et l'air. Cette inhomogénéité croît linéairement avec le champ magnétique principal et entraîne des pertes de signal et de fortes distorsions géométriques, exacerbées dans les régions du cerveau proches des canaux auditifs et des sinus.L'atténuation de ces artefacts est réalisée par la génération de champs magnétiques antagonistes réduisant les excursions de champ causées par les gradients de susceptibilité. Ce processus, connu sous le nom de shimming, est généralement effectué avec des bobines corrigeant les harmoniques sphériques (SH) du champ jusqu'au troisième degré, mais la correction fournie par l'ensemble des bobines de ce degré devrait être insuffisante à 11,7T. Pour augmenter les degrés et performances des systèmes SH, il faudrait ajouter de nombreuses bobines occupant beaucoup d'espace, qui constitueraient un système lourd et peu pratique.Comme alternative compacte et polyvalente, les systèmes de shim composés de petites bobines circulaires régulièrement placées sur des surfaces cylindriques près de la tête du patient, appelés Multi-Coil Arrays (MCA) matriciels, offrent des performances comparables à celles des systèmes SH à haut degré, tout en étant alimentés par des courants relativement faibles.Dans cette thèse, nous avons commencé par explorer l'application de l'analyse en composantes principales des fonctions de flux adaptées à chaque sujet d'une base de données de 100 cartes de champ de leur cerveau. Nous avons montré que les quelques premiers modes principaux pouvaient être discrétisés en nappes de courant pour construire un système de shim à 3, 4 ou 5 canaux capable de fournir des performances équivalentes à celles de systèmes SH de 4e et 5e degrés.Ensuite, pour plus de flexibilité, l'identification de clusters de flots de courant dans les modes principaux des fonctions de flux a permis de fournir la géométrie et la position de bobines pour concevoir un MCA optimisé. Le MCA résultant a montré des performances supérieures à celles des MCA matriciels avec un nombre de canaux similaire ou même réduit. Les simulations à 7T ont montré qu'un MCA optimisé à 36 canaux et 2 couches avec courants limité à 3A pouvait fournir des performances équivalentes à celles de systèmes SH du 6e degré sans contraintes, et même du 7e degré sans contraintes lorsqu'il était équipé d’une 3ème couche et de 48 canaux. Un prototype à deux couches de 36 canaux a été construit et testé in vivo à 7T pour la preuve de concept, montrant des résultats cohérents avec les simulations. Il a permis de réduire fortement l'inhomogénéité du champ et d'atténuer considérablement les artefacts en EPI, ce qui devrait être particulièrement bénéfique à 11,7T.Dans un cadre plus théorique, les limites intrinsèques de la correction de l'inhomogénéité B0 ont été étudiées, et il a été démontré qu'aucun système de shim placé à l'extérieur de la tête humaine n'est capable de réduire à zéro les excursions de champ magnétique causées par les gradients de susceptibilité air/tissu dans l'ensemble du cerveau. Néanmoins, en sélectionnant des régions d'intérêt plus petites satisfaisant à des conditions particulières, une homogénéisation parfaite est possible.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|