On the employment of matrix gradient coils for novel spatial encoding and magnetic field shimming in magnetic resonance imaging

Abstract: Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a tomographic imaging modality commonly used for diagnosis in medicine. In an attempt to push the limits of MRI, quadratic magnetic fields were recently added to the image encoding process. While this concept was shown to aid the image acquisition, it is yet unclear, which properties such nonlinear fields should have in order to fully exploit their potential. Therefore in the recent past so-called matrix gradient coils, which consist of a large number of small coils, were introduced. The current in each such coil element can be adjusted individually, and the final field shape is given by the superposition of the fields of all coil elements. Such an approach on one hand allows for a wide range of different field shapes. On the other hand it necessitates as many amplifiers as coil elements, which can be expensive and technically challenging. The first part of this thesis introduces a method for overcoming the above-mentioned problem by driving the matrix gradient coil with fewer amplifiers than coil elements. This is achieved by first finding a so-called configuration, which defines a network of coils capable of approximating a desired field shape. Since most image encoding strategies in MRI require more than a single field, one configuration per target field is obtained. Then a switching circuit is optimized, which is able to switch between the set of configurations with a low number of switches. While nonlinear fields have shown to add additional degrees of freedom to the image acquisition process, it remained unclear how to utilize them for image encoding in MRI most efficiently. Therefore the second part this thesis introduces an algorithm, which obtains ways to drive the acquisition of the MR signal by efficiently utilizing the available hardware (gradient coils with arbitrary field geometries, radio-frequency receiver coils) such that the overall acquired information content is maximized. This approach can also be used as a means to investigate the interplay of spatial encoding steps and local radio-frequency receiver coils, which may help to find ways of driving the available hardware, such that imperfections of one component are compensated for by another component while reducing the number of required encoding steps. In the past, hardware components where typically designed independent of each other, but with the insights gained from this method, it may in the future be possible to design components in parallel while considering their interactions with each other. This may in the future lead to faster and higher quality image acquisition, which is beneficial for both the operation of the MRI as well as the patients
Abstract: Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein in der medizinischen Diagnostik genutztes tomographisches Bildgebungsverfahren.Kürzlich konnte gezeigt werden, dass nichtlineare magnetische Felder die Bildgebung unterstützen können. Jedoch ist es immer noch unklar, welche Eigenschaften dieser Felder vorteilhaft sind, damit das Konzept der räumlichen Kodierung mit nichtlinearen Feldern sein volles Potential freisetzen kann. Um eine Vielzahl an nichtlinearen Feldern untersuchen zu können, wurden vor kurzem aus vielen kleinen Spulen bestehende Matrixgradientenspulen entwickelt. Das beobachtbare Feld ist die Summe aller Felder der einzelnen Spulen, deren Feldstärke individuell eingestellt werden kann. Jedoch in der einfachsten Topologie bedarf jede der Spulen eines eigenen Verstärkers, was teuer und technisch aufwendig werden kann. Die vorliegende Arbeit stellt Methoden vor, die es ermöglichen, die Anzahl der notwendigen Verstärker zu reduzieren. Dies wird erreicht indem eine sogenannte Konfiguration gefunden wird, die ein Netzwerk von Spulen beschreibt, das in der Lage ist, ein gewünschtes Zielfeld anzunähern. Da Bildkodierstrategien typischerweise mehrere Felder benötigen, muss pro Feld eine passende Konfiguration gefunden werden. Um während der Messung das Feld wechseln zu können, wird in weiterer Folge ein Schalter-Netzwerk gefunden, welches es mit möglichst wenigen Schaltern erlaubt zwischen den Konfigurationen zu wechseln. In vorausgehenden Arbeiten wurde gezeigt, dass nichlineare Feldern zusätzliche Freiheitsgrade in der Bildgebung zur Verfügung stellen, jedoch ist bislang unklar, wie diese am effizientesten genutzt werden können. Idealerweise soll die zur Verfügung stehende Hardware (Empfangsspulen, Gradientenfelder mit beliebiger Feldgeometrie) so angesteuert werden, dass der Informationsgehalt im MR Signal maximiert wird. Der zweite Teil dieser Arbeit stellt einen Algorithmus vor, der eine entsprechende Bildkodierstrategie unter der Berücksichtigung der Eigenschaften der Kodierfelder und Empfangsspulen finden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Zusammenspiel der involvierten Hardwarekomponenten zu untersuchen. Die gefundenen Bildkodierstrategien haben den Vorteil, dass potentiell Unzulänglichkeiten einzelner Hardwarekomponenten durch andere Komponenten kompensiert werden. Hardwarekomponenten werden typischerweise unabhängig voneinander entworfen und optimiert. Mit der präsentierten Methode kann es in Zukunft möglich werden, die Interaktionen der Komponenten genauer zu berücksichtigen und Hardwarekomponenten gemeinsam zu entwerfen. Das kann zu schnellerer Bildaufnahme und besserer Bildqualität führen, was sowohl Vorteile für den Betrieb des Scanners als auch für den Patienten durch die verbesserte Diagnose bietet

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Classification and Topics

• Keyword: Zheng, Yi ; Magnetic resonance imaging ; Kernspintomografie ; Kombinatorische Optimierung ; Optimierung ; Optimierungsproblem ; Magnetfeld ; Lieg

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2021
• Creator: Kroboth, Stefan
• Contributor: Zaitsev, Maxim ; Hennig, Jürgen ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/193417
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1934176
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:44 PM CET