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Homogeneous and Heterogeneous Resonators in Ultrahigh-Field MRI

Kim, Kyoung-Nam

The main objective of this study was to construct, to improve and to evaluate the performance of different radiofrequency (RF) coils for ultrahigh-field (UHF) at 7T magnetic resonance imaging (MRI) with respect to signal-to-noise ratio (SNR), B1 homogeneity, and effective flip angle (FA) maps. Best magnetic resonance (MR) images are obtained if RF coils fulfill the two fundamental requirements: the B1 field in the excited volume respective region of interest (ROI) has to be homogeneous while the received SNR has to be as high as possible. However, the major problems associated at UHF conditions are amplified imaging artifacts, the shortened transversal relaxation times of tissue, the inhomogeneous B1 field in the ROI, and the increased absorption of RF energy. Although all RF coils in UHF MRI intrinsically generate inhomogeneous B1 fields due to the dielectric effect rather than the RF coil geometry, each RF coil may exhibit special characteristics, which makes them optimized for special MRI applications. They should therefore be designed according to the desired field of operation to obtain optimal performance MRI. The developed UHF RF coils were categorized according to their architecture, i.e., into homogeneous and heterogeneous coils. Four homogeneous transmit/receive (Tx/Rx) circular polarized (CP) volume coils - hybrid birdcage (HBC), hybrid spiral birdcage (HSBC), dual Helmholtz (DH), and slotted tube (ST) - were constructed, compared and evaluated at a magnetic field strength of 7T. An evaluation procedure for comparing the B1 field inhomogeneity and SNR is proposed. In particular, B1 excitation inhomogeneity has to be considered and compared between the different RF coils to improve the differences in the contrast and the spatially varying image signal in the ROI. Heterogeneous coils such as surface coils are usually much smaller than homogeneous coils. They are located nearer the object and hence usually have higher SNR because they receive higher signal from the ROI. However, they have a relatively poor B1 field homogeneity, and thus, they are mainly utilized as Rx-only coils. In an additional stage, a 16 element parallel Tx (pTx) coil was designed, constructed and evaluated for use as a head-array. The RF coil was connected to a 16 × 16 Butler matrix network operated by an eight-channel parallel Tx system to investigate the improvement of the B1 excitation. The transmit profiles were evaluated for various clockwise CP modes with respect to homogeneity. Compared to the CP coil architectures the 16 element pTx coil provides much more potential to improve excitation characteristics.

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Konstruktion, Evaluierung und Verbesserung verschiedener Hochfrequenz (HF) Spulen für Ultra-Hochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) bei 7T unter Berücksichtigung des Signal-zu-Rauschabstands (SNR), der B1 Homogenität und des effektiven Flip-Winkels (FA). Die besten MR-Bilder erhält man, wenn zwei fundamentale Bedingungen erfüllt sind: das B1 Feld im angeregten Volumen bzw. im betrachteten Bereich (ROI) sollte möglichst homogen und die SNR im Empfangsfall möglichst hoch sein. Dennoch kommt es unter Hochfeld-Bedingungen oft zu verstärkten Bildartefakten durch verkürzte transversale Relaxationszeiten im Gewebe, B1-Feldinhomogenitäten in der ROI und einer erhöhten Energieabsorption im untersuchten Objekt. Obwohl alle HF-Spulen eher durch dielektrische Effekte als durch die Spulengeometrie ein inhomogenes B1-Feld generieren, kann jede Spule spezielle Charakteristiken aufweisen, so dass sie für spezielle Anwendungen optimiert werden kann. Um die gewünschte Feldverteilung zu erhalten, sollte das Design der Spule entsprechend angepasst werden. Die entwickelten UHF HF Spulen unterscheidet man nach homogenen und heterogenen Spulentypen. Es wurden 4 zirkular polarisierte Sende/Empfangsspulen - Hybrid Birdcage (HBC), Hybrid spiral Birdcage (HSBC), dual Helmholtz (DH) und slotted tube (ST) - konstruiert, verglichen und mit Hilfe eines 7T MRT-Systems evaluiert. Für den Vergleich verschiedener Spulen hinsichtlich SNR und B1-Feld wird in dieser Arbeit ein Konzept vorgeschlagen. Für den Vergleich und zur Verbesserung der Kontrastdifferenzen und des örtlich variierenden Bildsignals müssen insbesondere die B1-Feldinhomogenitäten betrachtet und für die verschiedenen Spulen verglichen werden. Heterogene Spulen wie Oberflächenspulen sind gewöhnlich deutlich kleiner als homogene Spulen und sind nahe am Objekt lokalisiert. Daher haben sie in der Regel ein höheres SNR. Andererseits haben sie eine relativ schlechte B1-Feldhomogenität und werden daher in der Regel als reine Empfangsspulen genutzt. In einem weiteren Abschnitt wurde eine 16 Element Parallel-Transmit (pTx) Spule entwickelt, gebaut und evaluiert, mit der Zielstellung, sie als Kopfspule einzusetzen. Die Spule wurde mittels einer 16 × 16 Butler-Matrix an ein 8 Kanal Parallel-Transmit-System angeschlossen, um die Butler-Matrix anzusteuern und die Optimierung der B1 Anregung zu untersuchen. Die Transmit Profile wurden evaluiert für verschiedene CP Moden im Uhrzeigersinn hinsichtlich ihrer Homogenität. Verglichen mit der CP Spulenarchitektur besitzt die 16-Element-pTx-Spule ein höheres Potential bei der Verbesserung der Anregungscharakteristik.

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Kim, Kyoung-Nam: Homogeneous and Heterogeneous Resonators in Ultrahigh-Field MRI. 2011.

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