Sodium Magnetic Resonance Imaging at 9.4 Tesla

Abstract

The motivation to perform magnetic resonance imaging (MRI) at ultra-high field strength (UHF) (B0 ≥ 7 Tesla) is primarily driven by the increased sensitivity compared to low field MRI. This is especially true for nuclei which exhibit intrinsically a low signal-to-noise ratio (SNR) either due to their physical properties or their small in vivo concentrations. The aim of this thesis was to establish the measurement techniques required for sodium magnetic resonance imaging at 9.4 Tesla and to overcome some of the limitations faced at lower field strengths. For this purpose, the hardware as well as the software used for the acquisition of the MR signal were designed and adapted to each other with great care in order to harness the full potential offered by UHF MRI.

In the first part of this thesis, a novel coil setup consisting of a single-tuned sodium birdcage coil and a proton patch antenna was used to acquire high-resolution quantitative sodium images of several healthy volunteers. This setup provided a satisfactory sensitivity at the sodium frequency and offered at the same time the possibility to acquire the proton signal for anatomical localization and B0 shimming. Correction methods for inhomogeneities of the B0 and radio-frequency (RF) transmit field (B1) were implemented and partial volume effects were mitigated by the reduced voxel size, which enabled a more accurate quantification of the sodium concentration in the human brain. However, the spatial resolution was insufficient to completely avoid quantifications errors at tissue boundaries, although the achieved sensitivity was considerably higher compared to previous studies.

The second part of the thesis focused on further increasing the sensitivity of the coil setup at the sodium frequency without sacrificing the proton imaging capability. The final coil design was made up of an assembly of three coils arranged in layers. The innermost layer consisted of a multi-channel receiver array to boost the sensitivity for sodium imaging. The middle layer comprised the sodium transmit array and the outer layer was formed by a dipole array to enable proton imaging. It could be shown that the proposed coil setup possessed all the required features needed for efficient multi-nuclear MRI at UHF and enabled the acquisition of sodium images having a quality not previously achieved.

In the last part of the thesis, the high sensitivity provided by the multi-channel coil array and the strong static magnetic field was used to perform sodium triple quantum filtered (TQF) imaging, which is known to be an SNR-critical application. The latter allows differentiating between intra- and extracellular sodium, which might be valuable information for disease diagnosis and monitoring. Apart from the low SNR, the high power deposition rates associated with this type of imaging technique are challenging, especially at UHF. To overcome this problem, at least partially, a modulation of the flip angles of the TQ preparation module was proposed and shown to improve the sensitivity by about 20%.

Das Bestreben Magnetresonanztomographie (MRT) bei ultra-hohen Feldstärken (UHF) (B0 ≥ 7 Tesla) durchzuführen kann in erster Linie mit der deutlich erhöhten MR-Empfindlichkeit im Gegensatz zu niedrigeren Feldstärken erklärt werden. Dies gilt insbesondere für die Bildgebung mit Kernen, die an sich schon ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ausweisen; dies entweder aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften oder ihrer geringen In-vivo-Konzentrationen. Das Ziel dieser Arbeit war es die erforderlichen Messverfahren für die Natriumbildgebung bei 9,4 Tesla zu erarbeiten und einige Einschränkungen, die bei niedrigeren Feldstärken auftreten, zu überwinden. Zu diesem Zweck wurde maßgeschneiderte Hard- und Software für die Erfassung des MR-Signals entwickelt und aufeinander abgestimmt um das volle Potential, das UHF-MRT bietet, zu nutzen.

Im ersten Teil der Arbeit wurde ein neuartiger Spulenaufbau, bestehend aus einer mono-resonanten Natrium-Birdcage-Spule und einer Protonen-Patch-Antenne, verwendet um hochauflösende quantitative Natriumbilder von mehreren gesunden Probanden aufzunehmen. Dieser Aufbau stellte eine zufriedenstellende Empfindlichkeit bei der Natriumfrequenz sicher und bot gleichzeitig die Möglichkeit das Protonensignal für anatomische Lokalisation und B0-Shimming zu nutzen. Korrekturverfahren wurden implementiert und angewendet um Inhomogenitäten des B0 und Radiofrequenz- (RF) Feldes (B1) entgegenzuwirken. Durch die Reduzierung der Voxelgröße konnten Partialvolumeneffekte gemindert und eine genauere Quantifizierung der Natriumkonzentration im menschlichen Gehirn erreicht werden. Jedoch war die erreichte räumliche Auflösung unzureichend um Quantifizierungsfehler an Gewebegrenzen gänzlich zu vermeiden, obwohl die erzielte Empfindlichkeit deutlich höher war als bei vorhergehenden Studien.

Der zweite Teil der Arbeit konzentrierte sich auf eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit des Spulenaufbaus für die Natriumbildgebung ohne dabei die Möglichkeit der Protonenbildgebung zu verlieren. Der endgültige Messaufbau bestand aus drei in Schichten angeordneten Spulen. Die innerste Schicht bildete eine Mehrkanalempfangsanordnung, welche eine möglichst hohe Empfindlichkeit für das Natriumsignal gewährleisten sollte. Die Natriumsendespule stellte die mittlere Schicht dar. Eine Dipolantennenanordnung bildete die äußerste Schicht und wurde für die Protonenbildgebung benutzt. Es konnte gezeigt werden, dass der vorgeschlagene Spulenaufbau alle erforderlichen Funktionen besitzt, die für eine effiziente Mehrkern-MRT-Messung bei ultra-hohem Feld benötig werden, und es erlaubt Natriumbilder mit einer vorher unerreichten Qualität aufzunehmen.

Im letzten Teil der Arbeit wurde die hohe MR-Empfindlichkeit, resultierend aus der Verwendung einer Mehrkanalspule und eines starken statischen Magnetfeldes, genutzt um Tripelquanten (TQ)-Kohärenzen zu messen, welche nur ein sehr geringes SNR aufweisen. Tripelquanten-gefilterte (TQF) Bilder ermöglichen die Unterscheidung zwischen intra- und extrazellulären Natrium und können möglicherweise wertvolle Informationen für die Diagnose und Überwachung von Krankheiten liefern. Abgesehen von dem niedrigen SNR, bereiten die hohen RF-Sendeleistungen, die für diese Bildgebungstechnik benötigt werden, Probleme insbesondere bei UHF. Um dieses Problem zumindest teilweise zu mindern wurde eine Modulation der Flipwinkel, welche die TQ-Kohärenzen erzeugen, vorgeschlagen und gezeigt, dass sich so die Sensitivität der TQ Sequenz um etwa 20% steigern lässt.