German Title: Simulation und Entwicklung von HF Resonatoren für die präklinische und klinische 1H und X-Kern MRT

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Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) is a unique imaging modality since it provides high soft tissue contrast without ionizing radiation. MRI hardware technology has evolved towards high channel receive (Rx) systems and highly efficient and homogeneous transmit (Tx) coils both increasing image quality and reducing measurement time. Radio frequency (RF) systems for MRI are designed to provide highest signal-to-noise ratio (SNR) while keeping the specific absorption rate (SAR) as low as possible. Due to the complexity of today’s RF systems for MRI there are still some unsolved issues, such as preamplifier coupled noise, double resonant clinical coil performance and SAR simulation accuracy. This thesis consists of three main parts: First, the improvement of the SNR of Rx systems by evaluating new matching strategies; second, the development of RF setups for clinical sodium MRI applications; and third, the evaluation of the accuracy of SAR calculations and electromagnetic (EM) simulations. In the first part a transmit-only receive-only (ToRo) coil setup was built for 35Cl MRI at 9.4 T. The effect of SNR degradation due to coil coupling was verified for the Rx array consisting of three Rx coils. A 15 -17% SNR improvement could be achieved using different matching methods compared to the conventional matching strategy. The combined SNR of the Rx array was up to 4.5 higher compared to the reference SNR image acquired with the volumetric Tx coil. In the second part, two different double resonant RF setups for clinical sodium and proton MRI of the abdomen and the head were realized. A 16 channel abdominal sodium Rx array was simulated and built to be used with an asymmetric whole-body sodium coil. The setup was additionally equipped with a local proton transceiver coil. Sodium SNR was improved about a factor 3 to 6 in phantom measurements compared to the volume coil. The feasibility of the double resonant setup was proven by an in-vivo sodium and proton scan. The head RF setup comprised 8 sodium and 8 proton Rx coils. The findings from the 35Cl setup for the avoidance of SNR degradation due to coupled coils were also applied for this setup. The performance of the coil was compared to commercial sodium and proton setups using phantom measurements. Comparable SNR results to the commercial options were achieved in sodium measurements (Rx array/commercial = 1.14) and comparable SNR (Rx array/commercial = 1.09) as well as parallel imaging performance (Rx array/commercial: mean g-factor = -7% to +6%; maximum g-factor = -21% to 33%) in proton measurements. Finally, the feasibility of the coil was proven by in-vivo sodium and proton measurements. In the third part, the impact of Rx arrays on SAR calculations was evaluated by modeling a clinical setup at 3T and a research setup at 7T. The clinical setup comprised a large Birdcage Tx coil and different Rx arrays tailored for the head (24 elements), the abdomen (36 elements) and the spine (32 elements). The research setup consisted of a head Birdcage coil and a 32 element Rx array. SAR simulations were performed with and without the Rx arrays. Mean SAR differences were found to be between -4% and 2% for the 3T setup and up to 11% for the 7T setup. Maximum SAR differences were found to be between -10% and +6% for the 3T setup and up to -8% for the 7T setup. As a last step, the accuracy and performance of the two most common approaches for solving EM fields for MR RF setups were evaluated. Therefore a whole-body Birdcage coil at 3T, a head Birdcage coil at 7T and an 8 channel Tx array at 9.4T, 10.5T and 11.7T were modeled. Each setup was simulated using the time domain (TD) and the frequency domain (FD) method. Finally, the resulting S-parameter, B-fields and SAR were compared. A difference below 20% was achieved for all these results which was already reported in earlier studies of a single specialized setup. The FD solver was found to be up to 12 times faster than the TD solver.

Translation of abstract (German)

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine einzigartige Bildgebungsmethode, da sie einen hohen Weichteilkontrast ohne ionisierende Strahlung bietet. Die MRT Hardwaretechnologie hat sich in Richtung Hochkanal Empfangssysteme (Rx) als auch hocheffiziente und homogene Übertragungsspulen (Tx) entwickelt, die sowohl die Bildqualität erhöhen als auch die Messzeit verkürzen. Hochfrequenzsysteme (HF) für die MRT sind so konzipiert, dass sie das höchste Signal-Rausch- Verhältnis (SNR) bieten und gleichzeitig die spezifische Absorptionsrate (SAR) so niedrig wie möglich halten. Aufgrund der Komplexität der heutigen HF Systeme für die MRT gibt es noch einige ungelöste Probleme, wie z.B. vorverstärkergekoppeltes Rauschen, Performanz von doppeltresonanten klinischen Spulen und SAR Simulationsgenauigkeit. Diese Arbeit besteht aus drei Hauptteilen: Erstens die Verbesserung des SNR von Rx Systemen durch Evaluierung neuer Anpassungsstrategien, zweitens die Entwicklung von HF Setups für klinische Natrium MRT Anwendungen und drittens die Evaluierung der Genauigkeit von SAR Berechnungen und elektromagnetischen (EM) Simulationen. Im ersten Teil wurde eine Transmit-only Receive-only (ToRo) Setup für 35Cl-MRT bei 9,4 T gebaut. Der Effekt der SNR-Degradation durch Spulenkopplung wurde für das aus drei Rx Spulen bestehende Rx Array verifiziert. Eine Verbesserung des SNR um 15 -17% konnte mit verschiedenen Anpassungsmethoden im Vergleich zur herkömmlichen Anpassungsstrategie erreicht werden. Das kombinierte SNR des Rx Arrays war bis zu 4,5 höher als das mit der volumetrischen Tx-Spule aufgenommene Referenz SNR Bild. Im zweiten Teil wurden zwei verschiedene doppelresonante HF Setups für die klinische Natrium- und Protonen MRT des Abdomens und des Kopfes realisiert. Ein 16-Kanal Abdomen Natrium Rx Array wurde simuliert und für den Einsatz mit einer asymmetrischen Ganzkörper Natriumspule gebaut. Der Aufbau wurde zusätzlich mit einer lokalen Protonen Sende-Empfangsspule ausgestattet. Natrium SNR wurde bei Phantommessungen um den Faktor 3 bis 6 gegenüber der Volumenspule verbessert. Die Machbarkeit des doppelresonanten Setups wurde durch einen in-vivo Natriumund Protonenscan nachgewiesen. Das Kopf HF Setup bestand aus 8 Natrium und 8 Proton Rx Spulen. Die Erkenntnisse aus dem 35Cl Setup zur Vermeidung von SNR Degeneration durch gekoppelte Spulen wurden auch für dieses Setup genutzt. Die Leistung der Spule wurde mit handelsüblichen Natrium- und Protonenaufsetups mittels Phantommessungen verglichen. Vergleichbare SNR Ergebnisse zu den kommerziellen Optionen wurden bei Natrium Messungen (SNR Rx array/commercial = 1,14) und vergleichbares SNR (SNR Rx array/commercial = 1,09) sowie parallele Bildgebungsleistung (Rx array/commercial: mean g-factor = -7% bis +6%) bei Protonenmessungen erzielt. Schließlich wurde die Machbarkeit der Spule durch in-vivo Natrium- und Protonenmessungen nachgewiesen. Im dritten Teil wurde der Einfluss von Rx Arrays auf SAR Berechnungen durch die Modellierung eines klinischen Setups bei 3T und eines Forschungssetups bei 7T bewertet. Das klinische Setup umfasste eine große Birdcage Tx Spule und verschiedene Rx Arrays, die auf den Kopf (24 Elemente), den Bauch (36 Elemente) und die Wirbelsäule (32 Elemente) zugeschnitten waren. Das Forschungssetup bestand aus einer Kopf Birdcage Spule und einem 32-Element Rx Array. SAR-Simulationen wurden mit und ohne Rx Arrays durchgeführt. Die durchschnittlichen SAR Unterschiede lagen zwischen -4% und 2% für das 3T Setup und bis zu 11% für das 7T Setup. Die maximalen SAR Unterschiede lagen zwischen -10% und +6% für das 3T Setup und bis zu -8% für das 7T Setup. In einem letzten Schritt wurden die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der beiden gängigsten Ansätze zur Lösung von EM Feldern für MR HF Setups evaluiert. Dazu wurden eine Ganzkörper Birdcage Spule bei 3T, eine Kopf Birdcage Spule bei 7T und ein 8-Kanal Tx Array bei 9,4T, 10,5T und 11,7T modelliert. Jedes Setup wurde mit der Zeitbereich (TD) und dem Frequenzbereich (FD) Methode simuliert. Schließlich wurden die resultierenden S-Parameter, B-Felder und SAR verglichen. Bei all diesen Ergebnissen wurde eine Differenz von weniger als 20% erreicht. So eine Abweichung wurde bereits in einer früheren Studie eines einzigen spezialisierten Setups berichtet. Der FD-Solver war bis zu 12 mal schneller als der TD-Solver.