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B₀ Magnetfeld und Korrekturen

Optimale Magnetfeldhomogenität ist entscheidend für aussagekräftige MR-Bildgebung und Spektroskopie, sowie ein breites Spektrum klinischer und neurowissenschaftlicher Anwendungen.

Durch ein gleichförmiges B₀-Feld werden die korrekte räumliche Zuordnung, bestmögliche Signalstärke und optimale spektrale Auflösung gewährleistet. 

Unterschiedliche magnetische Eigenschaften (Suszeptibilität) der Gewebe und Luft, z.B. rund um das menschliche Gehirn, verursachen jedoch starke und komplexe Magnetfeldverzerrungen und reduzieren dadurch den Informationsgehalt der Ergebnisse.

Ziel unserer Forschung ist es, durch technische und softwarebasierte Lösungen Imperfektionen des statischen B0 Magnetfeldes zu minimieren und dadurch einen optimalen Informationsgehalt von MR-Untersuchungen zu ermöglichen.

Wir konzentrieren uns auf die Entwicklung fortschrittlicher Verfahren zur Modellierung von B0 Magnetfeldern für das Magnetfeld-Shimming im Menschen. Unsere Arbeiten beziehen sich sowohl auf die optimale Verwendung von Standardtechnologie, wie sie in jedem klinischen MR Scanner verbaut ist, wie auch auf die Realisierung innovativer neuer Hardwareansätze und ihrer Anwendung in der klinischen Forschung.

Unsere Entwicklungen

Jeder MR Tomograph ist mit einer gewissen Anzahl standardisierter Feldspulen zur Korrektur von B0 Magnetfeldinhomogenitäten ausgestattet. Die vollständige Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften dieser Spulensysteme und ihre optimale Ansteuerung zur Erzeugung von Patienten- und regional spezifischen Korrekturfelden basierend auf verlässlichen B0 Messungen sind essentiell für bestmögliche Resultate. Unsere Arbeiten der letzten Jahre und die darin entwickelten Methoden ermöglichen genau das: Optimale B0 Homogenität in einem effizienten Prozedere für B0 Shim Systeme jeglicher Hersteller und Bauweisen.

Kalibrierung von B₀ Feldspulen zur Erzeugung von Korrekturfeldern mittels Kugelflächenfunktionen

(A) Die experimentelle Kalibrierung einer einzelnen Spule (hier X2–Y2) in einem klinischen 3T MR Tomographen erfolgt durch B0 Kartierung einer Auswahl von Shim-Stärkeeinstellungen, sowie durch Analyse der erhaltenen B0 Feldformen. (B) Die lineare Regression der pro Strom (oder Shim-Einstellung) erzeugten X2–Y2-Amplitude, d.h. der Steigung der Kurve, liefert die Empfindlichkeit des Eigenanteils der Spule (Diagonalelemente), sowie ihrer Fehler (Elemente jenseits der Diagonalen). (C) Die analoge Wiederholung dieser Analyse für die verbleibenden Spulen des Shim-Systems führt zur vollständigen Charakterisierun des vorliegenden Spulensystems zweiter Ordnung durch eine 8×8 Kalibrationsmatrix. Mit ihrer Hilfe lassen sich optimale Stromeinstellungen und daraus resultierende B0 Shimfelder genau und effizient bestimmen. (Übernommen aus Juchem et al., NMR Biomed 34, 2021)

Konzept und Relevanz von B₀ Korrekturen für biochemische Messungen mittels MR Spektroskopie

Inhomogene Magnetfeldverteilungen über den betrachteten Hirnbereich führen zu verbreiterten Spektrallinien (d.h. reduzierter Auflösung) und reduzierter Linienhöhe (d.h. Sensitivität). B0 Feldkorrekturen über den betrachteten Raumbereich mittels B0 Shimmen ermöglichen die verlässliche Detektion einer Vielzahl biochemischer Verbindungen bei maximaler Sensitivität.

Neurochemische Analyse von Hirnmetaboliten mittels MR Spektroskopie

In vivo biochemische Analyse des menschlichen präfrontalen Kortex mittels MR Spektroskopie bei 7 Tesla und konventionellem B0 Shimmen dritter Ordnung.

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Die serielle Anwendung schnittoptimierter B0 Korrekturfelder synchron zur MRT-Akquisition, sog. dynamisches Shimmen, ist dem statischen/globalen B0 Shimming der kompletten betrachteten Körperregion (z.B. dem Gehirn oder dem Herzen) bei Verwendung identischer Spulentechnologie prinzipiell überlegen. Für aussagekräftige Ergebnisse sind jedoch spezielle Stromverstärker für schnelles Umschalten sowie fortgeschrittene Techniken zur Korrektur von Wirbelströmen (vgl. nächstes Projekt) erforderlich.

Partiell dynamisches B0 Shimming, bei dem statische (d.h. globale und zeitlich nicht veränderliche) Korrekturfelder mit dynamischen Shim-Termen erster Ordnung kombiniert werden, stellt einen attraktiven Kompromiss dar, weil jeder klinische MR Tomograph mit der nötigen Gradiententechnologie zur dynamischen Erzeugung von Kugelflächenfunktionen 1. Ordnung ausgestattet ist.

Der Fokus unserer Arbeit liegt hierbei auf der technischen Realisierung und klinischen Anwendung von statischem B0 Shimming 2. Ordnung bei gleichzeitig schichtoptimierten, dynamischen B0 Feldkorrekturen 1. Ordnung für MRT Anwendungen von Gehirn über Herz bis Wirbelsäule.

Konzept von partiell dynamischem B0 Shimmen:  B0 Korrekturen mittels Kugelflächenfunktionen höherer Ordnung werden einmalig über das komplette betrachtete Organ berechnet (hier das Gehirn). Gleichzeitig werden Terme von Kugelflächenfunktionen 1. Ordnung, d.h. lineare Gradienten, für jede einzelne Schicht spezifisch optimiert und angewendet. Das schnelle Schalten zur Aktualisierung und Anwendung von schichtspezifischen linearen Shims ist bei geeigneter Implementierung mit jedem MR Tomographen aufgrund der vorhandenen Gradientespulen zur Bildgebung möglich.

Beteiligte Forschungsgruppen

Die Möglichkeiten von MR Tomographen ultrahoher Magnetfelderstärke (z.B. 7 Tesla), wie verbesserte Messsensitivität und spektrale Auflösung, können nur dann wirklich realisiert und genutzt werden, wenn die vielfältigen Herausforderungen, die mit hohen B0 Feldern einhergehen, erfolgreich gemeistert werden. Dies gilt insbesondere für induzierte B0 Inhomogenitäten.

Wir konnten zeigen, dass die serielle Anwendung schnittoptimierter B0 Korrekturfelder synchron zur MRT-Akquisition dem einmaligen statischen B0 Shimming der kompletten betrachteten Körperregion (z.B. dem Gehirn oder dem Herzen) bei Verwendung identischer Spulentechnologie generell überlegen ist. Wir waren, zusammen mit Kooperationspartnern, die ersten, die solche dynamischen B0 Korrekturen mit Kugelflächenfunktionen nullter bis dritter Ordnung erfolgreich implementiert und deren Überlegenheit gegenüber konventionellen Ansätzen gezeigt haben. Hierzu waren eine Reihe spezieller Innovationen und neuer Techniken erforderlich, z.B. zur schnellen Schaltung der verwendeten Spulenströme oder der Korrektur von Wirbelströmen (wie Gradienten-Preemphasis und B0 Kompensation).

Der erzielte beträchtliche Gewinn an B0 Feldhomogenität führt zu einer 1-zu-1 Verbesserung der Bildqualität, insbesondere im humanen präfrontalen Kortex und anderen Bereichen, in denen induzierte B0 Feldverzerrungen die Regel sind.

Erste Spalte: Nach statischem, globalem B0 Shimming mit Kugelflächenfunktionen nullter bis dritter Ordnung verbleiben beträchtliche Feldvariationen.

Zweite Spalte: Die theoretische, schichtweise Entfernung von Kugelflächenfunktionstermen nullter bis dritter Ordnung, d.h. derselben räumlichen Funktionen, sagt eine deutlich verbesserte B0 Homogenität mittels dynamischen Shimmen voraus.

Dritte Spalte: Experimentelle Feldkarten bei dynamischem Shimmen mit Gradienten-Vorverzerrung (Preemphasis) und B0 Kompensation sind praktisch identisch mit den theoretischen Vorhersagen. Die Implementierung ist also voll funktionsfähig und bereit zur Verbesserung einer Vielzahl von MR Anwendungen, z.B. zur Bildgebung im Rahmen von translatorischer/klinischer Forschung.

Vierte Spalte: Die Anwendung derselben dynamischen Shim-Einstellungen ohne Preemphasis und B0 Kompensation führt zu starken, durch Wirbelströme induzierten Feldartefakten, welche die Vorteile des dynamischen Shimmens negieren und somit deren essentielle Notwendigkeit eindrücklich darlegen.

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Konventionelle B0 Korrekturfelder ähneln den einfachen Formen von Kugelflächenfunktionen niederer Ordnung. Diese können großflächige und langsam variierende Feldinhomogenitäten kompensieren („shimmen“), sind jedoch nicht in der Lage, komplexere und lokal begrenzte Feldstörungen ausreichend nachzubilden und auszugleichen. Selbst dynamisches Shimmen mit allen Termen nullter bis dritter Ordnung ist nicht in der Lage, z.B. die regular auftretenden B0 Verzerrungen im human praefrontalen Kortex, zufriedenstellend zu kompensieren.

Wir haben daher eine neuartige, generalisierte Methode zur Synthese von Magnetfeldformen entwickelt, die statt vordefinierter Kugelflaechenfunktionen generische Basisfelder aus einer Matrix lokalisierter Spulen verwendet. Die Kombination einfacher, unspezifischer Basisfelder ermöglicht die flexible Synthese komplexer Shim-Felder mit hoher Amplitude. Mit mehreren Techniken konnten wir auf sichere Weise eine bisher unerreichte Magnetfeldhomogenität im menschlichen Gehirn erzielen – eine wesentliche Voraussetzung für aussagekräftige MRT, MRS und MRSI Untersuchungen.

 

Wir haben vor einigen Jahren gezeigt, dass dedizierte Spulen nicht die einzige Möglichkeit zur Erzeugung von Magnetfeldern für die MR sind. Entgegen der damals vorherrschenden Auffassung sind vordefinierte Spulen und orthogonalen Basisfunktionen keine zwingende Voraussetzung. Stattdessen können Anordnungen einfacher Spulen in leistungsfähige Systeme zur Magnetfeldgenerierung verwandelt werden, wenn das Repertoire der von ihnen erzeugten Feldformen auf intelligente Weise genutzt wird. 

Diese neue Technik der Multispulen B0 Modellierung ermöglicht eine flexible und präzise Feldsynthese in wohldefinierten Volumina durch Überlagerung generischer Basisfelder einzelner lokalisierter Spulen. Durch sie werden eine Vielzahl verbesserter und neuer Anwendungen ermöglicht sowohl zur B0 Korrektur und Feldhomogenisierung (sog. B0 Shimmen), als auch zur Ortsselektion und -kodierung für die Bildgebung (MRT).

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Trotz der signifikanten Verbesserungen, die durch dynamisches Shimmen erreichbar sind, bleibt die Magnetfeldhomogenität selbst bei schichtspezifischer Optimierung aller Kugelflächenfunktionen nullter bis dritter Ordnung unvollkommen. Dies liegt daran, dass B0 Feldkorrekturen mittels Kugelflächenfunktionen grundsätzlich durch deren begrenzte räumliche Variabilität eingeschränkt sind. Die daraus resultierende unzureichende Fähigkeit, die in vivo auftretenden komplexen Inhomogenitäten vollständig zu kompensieren, stellte für viele Jahre eine unüberwindbare Hürde dar. Signalauslöschung und Verzerrung in der MR Bildgebung waren die Folge sowie ein Verlust an Messsensitivität und Messgenauigkeit in der MR Spektroskopie zur biochemischen Gewebeanalyse, speziell bei hohen B0 Feldstärken.

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Die räumliche Kodierung in der MRT basiert traditionell auf Magnetfeldgradienten, die eine lineare Abhängigkeit zwischen räumlicher Position und Feldamplitude (d. h. der Larmorfrequenz) erzeugen. Die verwendeten X-, Y- und Z-Gradientenfelder werden dabei jeweils durch dezidierte Drahtmuster für X, Y und Z, sog. Gradientenspulen, erzeugt.

Die Multispulen-Technik ermöglicht die Erzeugung einer Vielzahl von Magnetfeldern für biomedizinische MR Anwendungen. Lineare Feldgradienten, wie sie zur räumlichen Kodierung verwendet werden, stellen hierbei lediglich eine Untergruppe der realisierbaren Felder dar. Somit eignet sich der Multispulen-Ansatz in natürlicher Weise auch für die räumliche Kodierung und die MRT.

MRT-Sequenzen beruhen auf der seriellen Anwendung skalierter X-, Y- und Z-Gradientenfelder in Kombination mit zeitlich präzise abgestimmten Hochfrequenzpulsen und dazwischenliegenden Verzögerungszeiten. In der äquivalenten Multispulen MRT Sequenz (hier: Radial) werden die X-, Y- und Z-Gradientenfelder aufsummiert und in die entsprechende Basis von Multispulenfeldern entwickelt, dargestellt als eine einzige Kurve. In der praktischen Anwendung werden die DYNAMITE-Feldformen seriell initiiert und angewendet, basierend auf zeitlich abgestimmten sog. TTL Triggersignalen, die von der Elektronik des MR Tomographen erzeugt werden. Hierdurch sind alle Sequenzkomponenten zeitlich abgestimmt und die vollständige Ersetzung konventioneller Gradientenspulen durch Multispulen-Technologie wird ermöglicht.

 

Magnetfeldmodellierung mittels des Multispulen-Ansatzes erlaubt es, einfache und unspezifische Einzelspulen (wie einfache Kreisspulen) zu einem voll funktionsfähigen Bildgebungssystem zusammenzufassen, dessen erzielte Bildqualität praktisch identisch ist mit der konventioneller MR Tomographen mit dezidierten X-, Y- und Z-Gradientenspulen. Vergleichbare Bildqualität stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Etablierung vollständig funktionsfähiger DYNAMITE MRT- (und Shim-)Systeme dar.

 

Wir konnten zeigen, dass mittels DYNAMITE eine Vielzahl gängiger MRT Methoden realisiert werden können, einschliesslich kartesischer & nicht-kartesischer k-Raum-Abtastung, schneller Echoplanar-Bildgebung sowie lineare & nichtlineare Kodierstrategien. Die erhaltene äquivalente Bildtreue zusammen mit der zusätzlichen Möglichkeit gleichzeitiger B0 Feldkorrekturen (sog. Shimmen) ebnet den Weg zur generalisierten B0 Feldkontrolle und MRT mittels Multispulen-Technologie. 

 

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Demonstration der Machbarkeit von DYNAMITE MRT des menschlichen Kopfes

Die räumliche Kodierung in der MRT basiert im Allgemeinen auf linearen X-, Y- und Z-Magnetfeldgradienten, die durch einen Satz dezidierter Gradientenspulen erzeugt werden. Nach der Einführung der Dynamischen Multispulen-Technik (DYNAMITE) zur B0-Feldkontrolle und DYNAMITE-MRT in einer präklinischen MR-Umgebung haben wir kürzlich die erste Realisierung von DYNAMITE-MRT des menschlichen Kopfes in vivo vorgestellt.

DYNAMITE Feldkontrolle ermöglichte die Realisierung einer Reihe gängiger MRT Sequenzen und MR Tomographie des menschlichen Kopfes. Die erzielte Bildtreue ist jener unter Verwendung konventioneller Gradientenspulen vergleichbar, wodurch der Weg für voll funktionsfähige DYNAMITE MRT und B0 Shim Systeme für Anwendungen am Menschen geebnet ist.

 

Spezieller Multispulenaufbau für einen kompakten 1,5 Tesla Kopfscanner

Wir sind seit vielen Jahren Teil einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Prof. Michael Garwood (University of Minnesota, MN, USA), die es sich zum Ziel gesetzt hat, einen kompakten 1,5 Tesla reinen Kopf-Scanner für neuartige neurowissenschaftliche und klinische MR Anwendungen zu entwickeln (vgl. NIH U01EB025153). Basierend auf unseren früheren Arbeiten und Machbarkeitsstudien haben wir im Rahmen dieses Projektes in Abstimmung mit unseren Kooperationspartnern und deren Beiträgen (wie Magnet, RF-Spule, etc.) einen speziellen Multispulen-Aufbau für MRT und B0 Shimmen am Menschen entwickelt. 

Links: Anordnung und Form der 31 Spulen (kupferfarbend) wurden hierbei an die Geometrie der Magnetbohrung (weiß) sowie an die passive Shim-Halterung (blau) angepasst. Die Hochfrequenzspule (grün) ist auf der Innenseite des Multispulenaufbaus in unmittelbarer Nähe zum betrachteten Kopf der Probanden positioniert. Ein größeres Multispulenelement an der Vorderseite dient als Öffnung für die Augen; ein Detail, das in typischen klinischen Geräten nicht vorkommt.

Rechts: Der resultierende vertikale 1,5 Tesla Kopf-Scanner erlaubt aufgrund der aufrechten Körperhaltung, direktem Blickkontakt und völliger Armfreiheit ungeahnte Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der Neurowissenschaften. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Ben Parkinson, Victoria University of Wellington, Neuseeland, und Prof. Michael Garwood, University of Minnesota, MN, USA)

 

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Unmet Need: Standardized processing of B0 magnetic fields in MRI/MRS

Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) enable non-invasive, in vivo assessment of anatomy and physiology. However, these techniques are susceptible to imperfections in the B0 magnetic field that can lead to line broadening in MRS and spatial distortions and signal dropout in MRI. Consequently, the experimental homogenization of B0 conditions, a process called B0 shimming, is a necessary component of successful MRI and MRS. While methods for B0 shimming exist, commercially-available MR systems only include basic solutions that must be extended and customized by the end user for specific applications. As such, a streamlined user-friendly B0 shimming software would greatly improve the ease of acquiring MRI and MRS data.

The Technology: User-friendly software combines processing and analysis solutions for B0 shimming

This technology combines processing and analysis solutions for experimental B0 shimming in a user-friendly interface. The workflow begins by loading experimentally-acquired B0 field maps for initial data processing. From this map, a region of interest can be accurately selected for further processing. This technology accommodates both spherical harmonic and multi-coil framework B0 shimming methods to help users achieve optimal experimental conditions. Additionally, the software loads all data sets automatically and saves data parameters for future experiments, ensuring consistent processing throughout studies. In sum, this technology provides a user-friendly software package for B0 shimming to improve data collection and quality in MRI and MRS imaging.This software has been developed, tested successfully, and is ready for use.

Applications:

  • Non-invasive analysis of living cells and tissues
  • Anatomical imaging
  • Molecular and cellular imaging
  • Drug development

Advantages:

  • Simple, comprehensive user interface and workflow
  • Facilitates standardized, efficient processing and analysis solutions for B0 magnetic field data
  • Can use two approaches for magnetic field modeling: spherical harmonic or multi-coil framework
  • Facilitates reconfigurable and storable parameter settings
  • Enables experimental analysis with high reproducibility
  • Can be automated

 

Columbia TechVenture:

https://inventions.techventures.columbia.edu/technologies/b0detox-b0-detoxification--CU17326

Beteiligte Forschungsgruppen

Unmet Need: Standardized processing of B0 magnetic fields in MRI/MRS

Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) enable non-invasive, in vivo assessment of anatomy and physiology. However, these techniques are susceptible to imperfections in the B0 magnetic field that can lead to line broadening in MRS and spatial distortions and signal dropout in MRI. Consequently, the experimental homogenization of B0 conditions, a process called B0 shimming, is a necessary component of successful MRI and MRS. While methods for B0 shimming exist, commercially-available MR systems only include basic solutions that must be extended and customized by the end user for specific applications. As such, a streamlined user-friendly B0 shimming software would greatly improve the ease of acquiring MRI and MRS data.

The Technology: User-friendly software combines processing and analysis solutions for B0 shimming

This technology combines processing and analysis solutions for experimental B0 shimming in a user-friendly interface. The workflow begins by loading experimentally-acquired B0 field maps for initial data processing. From this map, a region of interest can be accurately selected for further processing. This technology accommodates both spherical harmonic and multi-coil framework B0 shimming methods to help users achieve optimal experimental conditions. Additionally, the software loads all data sets automatically and saves data parameters for future experiments, ensuring consistent processing throughout studies. In sum, this technology provides a user-friendly software package for B0 shimming to improve data collection and quality in MRI and MRS imaging.This software has been developed, tested successfully, and is ready for use.

Applications:

  • Non-invasive analysis of living cells and tissues
  • Anatomical imaging
  • Molecular and cellular imaging
  • Drug development

Advantages:

  • Simple, comprehensive user interface and workflow
  • Facilitates standardized, efficient processing and analysis solutions for B0 magnetic field data
  • Can use two approaches for magnetic field modeling: spherical harmonic or multi-coil framework
  • Facilitates reconfigurable and storable parameter settings
  • Enables experimental analysis with high reproducibility
  • Can be automated

 

Columbia TechVenture:

https://inventions.techventures.columbia.edu/technologies/b0detox-b0-detoxification--CU17326

Beteiligte Forschungsgruppen

Mit sehr kleinen Oberflächenspulen kann ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis nahe der Körperoberfläche erreicht werden, was eine hochauflösende Abbildung der menschlichen Haut ermöglicht und beispielsweise die Darstellung kleiner Gefäßstrukturen in der Dermis und Hypodermis ermöglicht. Bei einer Reduzierung der Spulengröße erzeugen normalleitende Spulen jedoch mehr Rauschen als das vom Gewebe ausgehende Rauschen, was die Bildqualität einschränkt. Mit unseren Kooperationspartnern in Paris haben wir daher mithilfe supraleitender Spulen Bilder mit einer isotropen Auflösung von bis zu 20 µm³ erhalten.

Beteiligte Forschungsgruppen