Electromagnetic and RF pulse design simulation based optimization of an eight-channel loop array for 11.7T brain imaging

Purpose: Optimization of transmit array performance is crucial in ultra-high-field MRI scanners such as 11.7T because of the increased RF losses and RF nonuniformity. This work presents a new workflow to investigate and minimize RF coil losses, and to choose the optimum coil configuration for imaging. Methods: An 8-channel transceiver loop-array was simulated to analyze its loss mechanism at 499.415 MHz. A folded-end RF shield was developed to limit radiation loss and improve the B+ 1 efficiency. The coil element length, and the shield diameter and length were further optimized using electromagnetic (EM) simulations. The generated EM fields were used to perform RF pulse design (RFPD) simulations under realistic constraints. The chosen coil design was constructed to demonstrate performance equivalence in bench and scanner measurements. Results: The use of conventional RF shields at 11.7T resulted in significantly high radiation losses of 18.4%. Folding the ends of the RF shield combined with optimizing the shield diameter and length increased the absorbed power in biological tissue and reduced the radiation loss to 2.4%. The peak B+ 1 of the optimal array was 42% more than the reference array. Phantom measurements validated the numerical simulations with a close match of within 4% of the predicted B+ 1 . Conclusion: A workflow that combines EM and RFPD simulations to numerically optimize transmit arrays was developed. Results have been validated using phantom measurements. Our findings demonstrate the need for optimizing the RF shield in conjunction with array element design to achieve efficient excitation at 11.7T

Intra‐scan RF power amplifier drift correction

Purpose The drift in radiofrequency (RF) power amplifiers (RFPAs) is assessed and several contributing factors are investigated. Two approaches for prospective correction of drift are proposed and their effectiveness is evaluated. Methods RFPA drift assessment encompasses both intra-pulse and inter-pulse drift analyses. Scan protocols with varying flip angle (FA), RF length, and pulse repetition time (TR) are used to gauge the influence of these parameters on drift. Directional couplers (DICOs) monitor the forward waveforms of the RFPA outputs. DICOs data is stored for evaluation, allowing calculation of correction factors to adjust RFPAs' transmit voltage. Two correction methods, predictive and run-time, are employed: predictive correction necessitates a calibration scan, while run-time correction calculates factors during the ongoing scan. Results RFPA drift is indeed influenced by the RF duty-cycle, and in the cases examined with a maximum duty-cycle of 66%, the potential drift is approximately 41% or 15%, depending on the specific RFPA revision. Notably, in low transmit voltage scenarios, FA has minimal impact on RFPA drift. The application of predictive and run-time drift correction techniques effectively reduces the average drift from 10.0% to less than 1%, resulting in enhanced MR signal stability. Conclusion Utilizing DICO recordings and implementing a feedback mechanism enable the prospective correction of RFPA drift. Having a calibration scan, predictive correction can be utilized with fewer complexity; for enhanced performance, a run-time approach can be employed

Imagerie cérébrale par résonance magnétique du tenseur de diffusion : de la modélisation à l'imagerie 3D haute résolution. Applications et "fibre tracking" dans un modèle de schizophrénie chez la souris

Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire

Diffusion tensor magnetic resonance imaging of the brain : from modeling to high resolved 3D imaging. Applications and fibre tracking in a schizophrenia mouse model. Quantitative Diffusion Tensor Imaging by Magnetic Resonance : methodological developments, modeling and fibre tracking imaging. Brain applications in three models : trauma, schizophrenia and tumors.

Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire

Imagerie cérébrale par résonance magnétique du tenseur de diffusion (de la modélisation à l'imagerie 3D haute résolution. Applications et "fibre tracking" dans un modèle de schizophrénie chez la souris)

Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau modèle composite qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau modèle composite qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

3D SPARKLING for accelerated ex vivo T2*-weighted MRI with compressed sensing

International audienc

3D SPARKLING trajectories for high-resolution T2*-weighted Magnetic Resonance imaging

We have recently proposed a new optimization algorithm called SPARKLING (Spreading Projection Algorithm for Rapid K-space sampLING) to design efficient Compressive Sampling patterns for Magnetic Resonance Imaging. This method has a few advantages over standard trajectories such as radial lines or spirals: i) it allows to sample the k-space along any arbitrary density while the other two are restricted to radial densities and ii) it achieves a higher image quality for a given readout time. Here, we introduce an extension of the SPARKLING method for 3D imaging that allows to achieve an isotropic resolution of 600 µm in just 45 seconds, compared to a scan duration of 14 min 31 s using 4-fold accelerated parallel imaging, for T2*-weighted ex vivo brain imaging at 7 Tesla over a field-of-view of 200 × 200 × 140 mm 3

Distribution-controlled and optimally spread non-Cartesian sampling curves for accelerated in vivo brain imaging at 7 Tesla

International audienceThis work reports the use of new non-Cartesian k-space trajectories whose improved efficiency allows to significantly reduce MR scan time with minimum deterioration of image quality. Instead of using simple geometrical patterns, we introduce an approach inspired from stippling techniques, which automatically designs optimized sampling patterns along any distribution by taking full advantage of the hardware capabilities. Our strategy leads to drastically accelerated acquisitions, as demonstrated by our experimental results at 7T on in vivo human brains. We compare our method to widely-used non-Cartesian trajectories (spiral,radial) and demonstrate its superiority regarding image quality and robustness to system imperfections