Shimming Toolbox: An Open-Source Software Package for Shimming the B0 and B1 Field in Magnetic Resonance Imaging

RÉSUMÉ: En augmentant le champ magnétique principal (ou champs B0) en imagerie par résonance magnétique, les images peuvent bénéficier d'une meilleure résolution et d'une meilleure intensité de signal. Cependant, augmenter le champ B0 comporte plusieurs obstacles, l'un d'entre eux est l'augmentation des inhomogénéités de ce champ. Ces inhomogénéités sont la source de plusieurs effets indésirables comme la perte de signal, la distorsion géométrique, et la superposition de signal dans les images résultantes. Pour mitiger ces artéfacts, un processus appelé B0 « shimming » est effectué pour homogénéiser le champ. Typiquement, cela consiste à acquérir une carte du champ B0 et d'utiliser des antennes qui produisent des champs opposés aux inhomogénéités. Plusieurs techniques ont été proposées pour « shim » le champ B0 comme le « shim » statique (où les coefficients sont optimisés pour un seul volume), le « shim » dynamique (où les coefficients sont optimisés pour chaque tranche d'une image) et le « shim » en temps-réel (où les coefficients sont calculés en temps réel pour corriger les inhomogénéités statiques et ceux qui varient dans le temps). Ces techniques peuvent utiliser plusieurs sortes d'antennes comme celles intégrées dans l'IRM ou des antennes sur mesure. Un autre obstacle rencontré lorsque le champ B0 augmente est la diminution de la longueur d'onde de l'onde RF. À 7 Tesla, la longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la tête d'un humain adulte. Cette courte longueur d'onde entraine des inhomogénéités dans le profil d'excitation, appelé inhomogénéités B1+. Ces inhomogénéités créent des effets indésirables tel que la perte locale de signal et des intensités de signaux locaux variables. Pour limiter ces inhomogénéités, des techniques comme le « shimming » statique B1+ (les courants RF sont calculés pour obtenir un profil d'excitation homogène) ont été développées. Toutes ces méthodes sont répandues à travers plusieurs groupes de recherches. Elles sont difficiles à reproduire et à implémenter. Elles ont aussi besoin de programmes dédiés et de connaissances importantes pour leur implémentation. Dans ce contexte, le but de ce projet de recherche est de développer un logiciel complet libre d'accès (Shimming Toolbox) pour prototyper des techniques de « shimming », tester des antennes, reproduire des techniques de « shimming » existantes, et développer de nouvelles avenues de recherches reliées au « shimming » du champ B0. Le « shimming » B1 a aussi été implémenté dans Shimming Toolbox dans le cadre du projet de maîtrise de Gaspard Cereza. Shimming Toolbox inclut des outils de conversion d'image, de cartographie de champ B0, de création manuelle et automatique de masque, de caractérisation de champ d'antenne et inclut les techniques de « shimming » B0 globale, dynamique et de temps réel ainsi que de « shimming » B1+ statique. Le logiciel est disponible pour téléchargement sur la plateforme Github avec des instructions d'installations, des tutoriels, et de la documentation disponible sur le site internet de Shimming Toolbox (https://shimming-toolbox.org). Le logiciel a été testé in-vivo à l'aide de deux expériences qui ont testé l'habileté de faire du « shimming » B0 dynamique et en temps réel en utilisant des antennes intégrées et des antennes sur mesure. Ces expériences ont été effectuées à différent champ (3 T et 7 T) sur différentes parties de l'anatomie (cerveau et moelle épinière). Le « shimming » dynamique a démontré une réduction des inhomogénéités du champs B0 dans le cerveau de 47% et le « shimming » en temps réel a démontré une réduction des inhomogénéités du champs dans la moelle de 30%. Des recherches futures peuvent se concentrer sur le développement de Shimming Toolbox pour pouvoir être plus versatile dans ses choix d'optimiseur, de techniques de cartographie, d'« unwrapper » et de techniques de « shimming ». Le logiciel pourrait aussi être optimisé pour être plus rapide afin d'utiliser moins de temps lors des expériences. Même si Shimming Toolbox a réduit les inhomogénéités du champ B0, plus de tests sont nécessaires afin de bien évaluer la performance des différentes techniques implémentées. J'espère que Shimming Toobox sera une plateforme sur laquelle la communauté IRM va collaborer, utiliser des techniques de « shimming » à l'état de l'art, et rendra la recherche en « shimming » plus transparente et reproductible. ABSTRACT: By increasing the main magnetic field (or B0 field) in magnetic resonance imaging, images can benefit from better resolution and signal strength. However, increasing the B0 field comes with challenges, one of which is the increased inhomogeneity of that field. Inhomogeneities of the B0 field are the source of multiple undesirable effects such as signal loss, geometric distortions and signal overlap in the resulting images. To mitigate these artifacts, a process called B0 shimming is performed that aims at homogenizing the B0 field. It typically consists of acquiring a map of the B0 field and the use of coils that produce fields which will counteract the inhomogeneities. Multiple techniques have been proposed to shim the B0 field such as static shimming (coefficients are optimized for a single volume), dynamic shimming (coefficients are optimized for each slice) and real-time shimming (coefficients are calculated in real-time to correct both static and time-varying inhomogeneities). These techniques can use the included scanner shim coils or external custom shim coils. Another challenge encountered when the B0 magnetic field is increased is that the RF wavelength decreases. At 7 Tesla, the wavelength is on the order of the adult human head which results in an inhomogeneous excitation profile, also called B1+ inhomogeneities. These inhomogeneities create undesirable effects such as local loss of signal and intensity variations. To address these issues, techniques such as static B1+ shimming (RF currents are calculated to obtain a homogeneous excitation profiles) have been developed. All these shimming methods are scattered between research groups, are hard to reproduce, are hard to implement, require dedicated software, and require knowledge to implement. In this context, the goal of this research project is to develop an open-source, end-to-end software package (Shimming Toolbox) for prototyping shimming techniques, testing coils, reproducing shimming experiments and develop new research avenues related to B0 shimming. B1 shimming was also implemented in Shimming Toolbox as part of Gaspard Cereza's Master thesis. Shimming Toolbox includes tools for image conversion, B0 field mapping, manual and automatic masking, coil characterisation and performing static, dynamic and real-time B0 shimming as well as static B1+ shimming. The toolbox is available for download on Github with installation instructions, tutorials and documentation available on the Shimming Toolbox's website (https://shimming-toolbox.org). The software package was tested in-vivo in two different experiments that tested its ability to perform dynamic and real-time B0 shimming using scanner and custom shim. These experiments were performed at different field strength (3 T and 7 T) and on different part of the anatomy (brain and spinal cord). Dynamic shimming showed a reduction of 47% of B0 field inhomogeneities in the brain and real-time dynamic showed a reduction of 30% of B0 field inhomogeneity in the spinal cord. Future research could focus on developing Shimming Toolbox to be more versatile in its choice of optimizer, field mapping technique, unwrapper and shimming technique. The toolbox could be optimized for speed to save valuable time at the scanner. Although Shimming Toolbox reduced B0 inhomogeneities, further testing of the tools is required to appropriately evaluate their performance. It is my hope that Shimming Toolbox will provide a platform on which the MRI community can collaborate, use state-of-the-art shimming techniques and make shimming research more transparent and reproducible