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Entwicklung eines Anregungs- und Empfangssystems zur Primaten-Bildgebung an einem 7 Tesla Ultrahochfeld Human-Ganzkörper MRT-System

Herrmann, Tim

Die Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie (MRT) stellt neuartige technische Anforderungen, vor allem an die Anregung und Detektion. Neben den in den letzten Jahren entwickelten Mehrkanal-Spulen wurde ein weiteres interessantes Prinzip entwickelt, das die Abschirmung des Gradientensystems (RF-Shield) als Wellenleiter für die Anregung nutzt. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Konstruktion und Evaluierung eines Anregungs- und Empfangssystems zur Prima- ten-Bildgebung, das vergleichbar einem entfernbaren Insert für ein Human-Ganzkörper 7 Tesla Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie-System (nachfolgend 7 T MRT-System genannt) entwickelt werden sollte. Wichtige Anforderungen an das Anregungs- und Empfangssystem waren ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine hohe Homogenität des eingestrahlten B1+-Feldes, das als Teil des B1-Feldes der Anregung dient. Insbesondere die funktionelle MRT (fMRT) benötigt für ihre Untersuchungen MR-HF-Spulen, welche bei der visuellen und auditorischen Stimulation für den hier anzuwendenden experimentellen Aufbau ausreichende Flexibilität bieten. Bei Systemen mit tieferen Feldern (1,5 T und 3 T) wird eine homogene B1+-Feldanregung in der Regel über Ganzkörper-Resonatoren erzeugt. Bei 7 T MRT-Systemen fehlen diese Ganzkörper-Resonatoren, da die Standard Birdcage-Ganzkörper-Resonatorarchitektur nur bedingt bei einer Systemfrequenz von 297,2 MHz einsetzbar ist. In dieser Arbeit wurde die Anwendung des Travelling-Wave (TW) Verfahrens als neuartiges Anregungssystem für ein 7 T MRT-System (Siemens) zur Primaten-Bildgebung untersucht. Das hierfür entwickelte Gesamt- konzept wird als Travelling-Wave Primatensystem bezeichnet. Das TW-Primatensystem benutzt das RF-Shield des Gradienten-Systems als Hohlwellenleiter, in welchem sich der TE11-Mode ausbreiten kann. Unter Verwendung von Feldsimulationssoftware wurde eine für das 7 T MRT- System angepasste 2-Port Patchantenne (Systemfrequenz 297,2 MHz) entwickelt, die ein zirkular polarisiertes B1-Feld generiert. Für den Empfang wurde eine 3-Elemente Phased-Array-Primatenkopfspule speziell für die Hirn-Bildgebung bei Makaken konstruiert, die eine auditorische Stimulation zulässt und ein hohes SNR gewährleistet. Um die Homogenität des erzeugten B1+-Feldes für einen größeren Bereich mit der entwickelten Patchantenne zu untersuchen und mit einer Birdcagearchitektur zu vergleichen, wurde zusätzlich eine 8-Elemente Phased-Array-Empfangsspule konstruiert. Eine Vergleichsmessung des generierten B1+-Feldes wurde unter Verwendung einer FLASH (Fast Low Angle Shot)-basierten B1+-Flipwinkelmap Sequenz mit einem Silikonöl-Kugelphantom als Beladung durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Homogenität für Volumina bis ca. 10 cm Durchmesser vergleichbar ist zur Birdcagearchitektur. Zur Validierung des TW-Primatensystems wurden mehrere in vivo Messungen mit Makaken durchgeführt, wobei Turbo-Spin-Echo (TSE) und Echoplanar (EPI) Sequenzen verwendet wurden, um anatomische Datensätze mit hohem Kontrast und hoher nomineller Auflösung 0,46x0,46x0,5 mm3 (TSE) bzw. 0,64x0,58x0,2 mm3 (EPI) zu akquirieren. Hierdurch wurde erfolgreich die prinzipielle Anwendbarkeit von fMRT Messungen mit dem entwickelten TW-Primatensystem evaluiert. Damit bildet das TW-Primatensystem die weltweit erste Applikation für Makaken Messungen mit guten räumlichen Stimulationsmöglichkeiten an einem 7 T Human-Ganzkörper MRT-System.

Ultra-high field magnetic resonance imaging (MRI) imposes novel technical requirements, especially for excitation and detection. In addition to the developing multi-channel RF coils in recent years, another interesting concept was developed that uses the RF shield of the gradient system as a waveguide for excitation. The main objective of this work was the design and evaluation of an excitation and receiver system for primate imaging, comparable to a removable insert for a human whole-body 7 Tesla ultra-high field (UHF) MRI system (7 T MRI system). Important requirements for this excitation and reception system were a high signal-to-noise ratio (SNR) and a high homogeneity of the irradiated B1+ field which serves for the excitation as a part of the B1 field. Especially functional MRI (fMRI) needs RF coils which provide sufficient flexibility for visual and auditory stimulation within the experimental setting. For systems with lower fields (1.5 T and 3 T) the homogeneous B1+ field excitation is usually provided by whole-body resonators. At 7 T whole-body MRI systems, these resonators are not available because the standard birdcage architecture is only limited usable at system frequency of 297.2 MHz. In this work the application of the traveling-wave (TW) approach as a novel excitation system for a 7 T MRI system (Siemens) was studied for primate imaging. The developed overall concept is called Traveling-Wave-Primate-System. The TW-Primate-System uses the RF shield of the gradient system as a waveguide in which the TE11-mode can propagate. A 2-port patch antenna (system frequency 297.2 MHz) which generates a circularly polarized B1 field was designed for the 7 T MRI system using field simulation software. For receive a 3-element phased array primate head coil primates was specifically designed for brain imaging of macaques which allowed an auditory stimulation and ensured a high SNR. To study the homogeneity of the B1+ field generated by the developed patch antenna for a larger range and comparing it with Birdcage architecture, an 8-element phased array receiving coil was additionally designed. A comparative measurement of the generated B1+ field was performed using a FLASH (fast low angle shot)-based B1+ flip angle map sequence with a silicone oil spherical phantom as a load. It was shown that the homogeneity for volumes up to approx. 10 cm diameter is comparable to the Birdcage architecture. To validate the TW-Primate-System, several in vivo measurements with macaques were performed. Turbo Spin Echo (TSE) and Echo Planar (EPI) sequences were used to acquire anatomical data with high contrast and high nominal resolution of 0.46x0.46x0.5 mm3 (TSE) respectively 0.64x0.58x0.2 mm3 (EPI). These results prove the feasibility of fMRI measurements was successfully evaluated for the developed TW-Primate-System. Thus, the TW-Primate-System is the world's first application of macaques measurements with good spatial stimulation options at a 7 T human whole-body MRI system.

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Herrmann, Tim: Entwicklung eines Anregungs- und Empfangssystems zur Primaten-Bildgebung an einem 7 Tesla Ultrahochfeld Human-Ganzkörper MRT-System. 2014.

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