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B0 hardware

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B0 Magnetfeld und Korrekturen

Einleitung

Eine exzellente Homogenität des Magnetfeldes ist eine grundlegende Voraussetzung für die meisten Anwendungen der Magnetresonanztomographie (MRT) und Magnetresonanzspektroskopie (MRS), um eine korrekte räumliche Zuordnung, die bestmögliche Signalstärke sowie eine optimale spektrale Auflösung zu gewährleisten. Unterschiedliche magnetische Suszeptibilitätsbedingungen rund um das menschliche Gehirn verursachen jedoch starke und komplexe Magnetfeldverzerrungen innerhalb des Gehirns und reduzieren dadurch den Informationsgehalt der Ergebnisse.

Der anhaltende Trend hin zu höheren B0 Magnetfeldstärken zur Steigerung der Signalintensität, der spektralen Dispersion und der Sensitivität für den Blood-Oxygen-Level-Dependent-(BOLD)-Kontrast verschärft dieses Problem zusätzlich, da die induzierten Magnetfeldverzerrungen linear mit der B0 Feldstärke des MRT-Scanners zunehmen. Das Potenzial der Ultrahochfeld-MRT/MRS konnte bislang zumindest teilweise aufgrund methodischer und technischer Herausforderungen im Zusammenhang mit Imperfektionen der verwendeten statischen B0 Magnetfelder nicht vollständig ausgeschöpft werden. Diese Einschränkungen stellen ein wesentliches Hindernis für in-vivo-MR-Untersuchungen des menschlichen Gehirns dar.

Ziel

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

Aktuelle Arbeiten

Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Verfahren zur Modellierung von B0 Magnetfeldern für das Magnetfeld-Shimming im Menschen. Eine optimale Magnetfeldhomogenität ist entscheidend für aussagekräftige funktionelle MR-Bildgebung und Spektroskopie und wird ein breites Spektrum klinischer und neurowissenschaftlicher Anwendungen ermöglichen.

Konventionelle B0 Korrekturfelder ähneln den Formen niedriggradiger Kugelflächenfunktionen. Diese können großflächige und sanft variierende Feldinhomogenitäten kompensieren („shimmen“), sind jedoch nicht in der Lage, komplexere und lokal begrenzte Feldstörungen ausreichend nachzubilden und auszugleichen. Wir haben eine neuartige, generalisierte Methode zur Synthese von Magnetfeldformen entwickelt, die generische Basisfelder aus einer Matrix lokalisierter Spulen verwendet. Die Kombination einfacher, unspezifischer (d. h. nicht sphärisch-harmonisch geformter) 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.

 

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.

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Wir …

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Wir …

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Konventionelle B0-Korrekturfelder ähneln den Formen niedriggradiger sphärischer Harmonischer. Sie können großflächige und langsam variierende Feldinhomogenitäten kompensieren („shimmen“), sind jedoch nicht in der Lage, komplexere und lokal begrenzte Feldstörungen ausreichend nachzubilden und auszugleichen. Wir haben eine neuartige, generalisierte Methode zur Synthese von Magnetfeldformen entwickelt, die generische Basisfelder aus einer Matrix lokalisierter Spulen verwendet. Die Kombination einfacher, unspezifischer (d. h. nicht sphärisch-harmonisch geformter) 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.

Beteiligte Forschungsgruppen

Publikationen

Die …

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

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