DISS. ETH NO. 23175

FIELD CONTROL FOR MAGNETIC RESONANCE SYSTEMS A thesis submitted to attain the degree of

D OC T O R

OF

(D R .

SCIENCES SC .

OF

ETH Z U RI C H

ETH Z U RI C H )

presented by

Y O LA N D A D Ü R ST MSc Physics ETH Zurich

th

born on August 4 , 1986 citizen of Glarus Süd, Switzerland

accepted on the recommendation of Prof. Dr. Klaas P. Prüssmann, examiner Prof. Dr. Rolf Gruetter, co-examiner

2015

SUMMARY

Magnetic resonance imaging (MRI) relies on a homogeneous, stable main magnetic field and superimposed variable gradients of high spatial and temporal fidelity for image encoding. Any unwanted magnetic field change acts as a distortion to this setting and is detrimental to the encoding process leading to image artifacts. A variety of sources for spatiotemporal magnetic field distortions are present in a typical MR system. On the one hand there are hardware related distortions such as eddy currents induced in conducting structures by shim or gradient switching, mechanical vibrations, or heating of magnetized structures. On the other hand, physiological field distortions are induced by motion of tissue with a magnetic susceptibility different than that of air, such as motion of chest and diaphragm during respiration, or cardiac pulsation. Field changes caused by such variations in the distribution of magnetic susceptibility scale with field strength and hence, are particularly problematic for high field systems. The goal of this thesis was to mitigate spatiotemporal field distortions during MR acquisition. To this end, two approaches were successfully implemented: Correction of distortions in real-time using a feedback control loop and calibration based precompensation of reproducible field distortions. The real-time field control system consists of an array of NMR field probes for measurement of spatiotemporal field changes concurrently to image acquisition. The controller itself was chosen to be a proportional-integral (PI) controller which determines the required correction based on the current and past deviation of the rd measured to a reference field pattern. This correction is applied by actuating a full 3 order spherical harmonics shim system. The control rate with which the field is sensed and the correction is adapted varied between 10 Hz and 50 Hz enabling control bandwidths (i.e., the frequency up to which the controller is effective) on the order of 1 Hz to 5 Hz. This renders real-time field control an effective correction approach for field changes within the control bandwidth, such as field drifts or physiologicaly induced distortions. The big advantage of real-time field control compared to other approaches that correct specific field distortions is its modularity. Since the system runs concurrently and without interfering with the actual MR imaging acquisition, neither the data acquisition scheme nor the reconstruction algorithm needs to be adapted. The real-time field control system was applied to T2*-weighted brain MRI, where long echo times render the acquisition vulnerable to minor field instabilities which can

seriously impair image quality. Feedback field control was found to be a robust approach to compensate for respiration induced field perturbations which show a large variety in amplitudes and frequencies. The stabilized field led to a strong reduction of artifacts and systematically improved image quality, expanding the feasibility of high-field T2*-imaging towards challenging patients and brain regions. Furthermore, the versatility of the feedback approach was shown by enhancing spectral resolution in single-voxel MR spectroscopy at 7T. Counteracting breathing induced field changes during acquisition, improved consistency of the averaged data which resulted in smaller linewidths and increased signal-to-noise ratio (SNR). On the other hand, switching of gradients and shims is a source of large, high frequency spatiotemporal field distortions due to the non-ideal response of the systems. Effects such as eddy currents, vibrations, or cross-coupling of different shim and gradient channels lead to distortions in a broad range of frequencies, mostly too high to be tackled by real-time control. These distortions, however, are reproducible and hence proper calibration allows determining the corresponding precompensation for imperfect impulse responses. By calculating a pre-emphasis filter from a matrix representation of the native system, full control over the system response is achieved. This allows suppression of cross-coupling and shaping selfterms to follow any desired target response within hardware limitations. In the native response slow eddy currents distort the field for several seconds after a shim step. With pre-emphasis switching is achieved within one millisecond which allows successful implementation of slice-wise shimming. Here, static field homogeneity is optimized in the currently acquired volume (e.g., one slice) only. Consequently, a better homogenization is possible for every slice compared to measurements in which the whole volume of interest is shimmed at once. Both techniques, real-time field control and pre-emphasis, were combined to dynamically pre-emphasize the shim-configuration changes in real-time field control. Including a pre-emphasis filter in the control loop allows dividing the control task into two separate parts: the pre-emphasis filter that decouples the channels and shapes the self-term responses, and the actual control which is implemented by multiple PI controllers operating on a single channel each. Decoupling the channels allows treating the system as independent control loops that can be optimized without interaction. Furthermore, it reduces noise

amplification of the control system since cross-coupling is compensated directly and not treated as additional distortions to be counteracted by the controller itself. The main effect of shaping the self-term responses, on the other hand, is compensation of long living eddy currents that would otherwise reduce the control bandwidth. Additionally, rendering all channel responses the same allows optimizing the PI controller for all channels simultaneously, which simplifies the tuning process. Combination of pre-emphasis and real-time field control led to increased disturbance rejection efficiency for fast field changes and distortions in strongly coupling channels. Altogether, this thesis shows two separate approaches for correction of spatiotemporal field distortions, namely real-time feedback control and calibration based pre-emphasis, and the benefits of their combination. Depending on the source and frequency composition of the field disturbances the appropriate approach for field control can be chosen. As a consequence of reduced spatiotemporal field fluctuations, the evolution of transverse magnetization experiences less distortions thus, in many cases, reducing T2*-dephasing. Simultaneously the fidelity of spatial encoding is increased, thus enhancing image quality. Technical advances constantly improve hardware stability. However, ever greater requirements on reliability of field evolution arise in high-field applications. Furthermore, physiological distortions are inevitable when imaging human subjects and various external sources, such as construction sites, elevators, or tram lines, can lead to additional field fluctuations. Hence, source-independent field control does not only ease requirements on hardware stability which might reduce cost of the corresponding systems, but also allows stabilizing the main magnetic field during image acquisition despite various potential distortions, hence enabling more reliable MR imaging and spectroscopy.

ZUSAMMENFASSUNG

Magnetresonanztomographie (MRT/MRI) ist auf ein homogenes, stabiles Hauptmagnetfeld angewiesen. Zur Bildkodierung wird dieses von variablen Gradienten, die eine hohe örtliche und zeitliche Genauigkeit aufweisen müssen, überlagert. Jegliche zusätzlichen Magnetfelder stören den Kodierungsprozess und führen zu Bildartefakten. Ein MR System besitzt diverse Quellen räumlicher und zeitlicher Feldstörungen. Einige Quellen sind technischer Natur, wie beispielsweise Wirbelströme, die nach Schaltvorgängen von Shims und Gradienten in elektrisch leitfähige Strukturen induziert werden, mechanische Vibrationen oder Erwärmung von magnetisierten Strukturen. Andere, physiologisch verursachte Effekte kommen dadurch zustande, dass sich Gewebe mit einer magnetischen Suszeptibilität, die von derjenigen von Luft abweicht, bewegt. Beispiele hierfür sind die Bewegung des Brustkorbes oder des Zwerchfells während der Atmung oder die Pulsation des Herzens. Feldstörungen, welche durch solche Veränderung der Verteilung magnetischer Suszeptibilität verursacht werden, skalieren mit der Feldstärke und sind deshalb in HochfeldSystemen besonders problematisch. Das Ziel dieser Arbeit war, örtliche und zeitliche Feldänderungen währen MR Aufnahmen zu korrigieren. Dazu wurden zwei Methoden erfolgreich implementiert: Korrektur von Störungen in Echtzeit mithilfe eines Regelkreises und Kompensation von reproduzierbaren Störungen basierend auf genauer Kalibration. Das Regelsystem besteht einerseits aus NMR Feldsensoren, die während der Bildaufnahme örtlich und zeitlich aufgelöst Feldänderung messen können. Als Regler wurde ein proportional-integral (PI) Regler gewählt, der aufgrund der aktuellen sowie vergangenen Abweichungen des gemessenen Feldes zu einem Referenzfeld die nötige Feldkorrektur bestimmt. Diese Korrektur wird dann über ein 3. Ordnung sphärisch harmonisches Shim System ausgespielt. Die Regelrate mit welcher das Feld gemessen und die Korrektur angewandt wird bewegt sich zwischen 10 Hz und 50 Hz. Dadurch ist es möglich eine Regelbandbreite (d.h. die Frequenz bis zu welcher der Regler wirksam ist) von 1 Hz bis 5 Hz zu erreichen. Mit diesem Regelsystem können Feldstörungen innerhalb der Regelbandbreite, wie beispielsweise Felddrifts oder physiologisch induzierte Feldstörungen, korrigiert werden. Der grosse Vorteil des Regelsystems, im Vergleich zu anderen Ansätzen das Feld zu stabilisieren, liegt in seiner Modularität. Da das System zeitgleich und unabhängig von der eigentlichen MR Bildgebung läuft, muss weder die Messprozedur noch der Rekonstruktionsalgorithmus verändert werden.

Das Regelsystem zur Feldstabilisierung wurde während T2* gewichteter Hirnscans angewandt, bei welchen, bedingt durch eine lange Echozeit, schon kleine Feldinstabilitäten zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen. Durch die Regelung konnten atmungsinduzierte Feldstörungen, die sich in Amplitude und Frequenz je nach Proband erheblich unterscheiden können, erfolgreich kompensiert werden. Das stabilisierte Feld führte zu einer starken Verminderung von Bildartefakten und zu einer systematisch verbesserten Bildqualität. Dadurch kann die Durchführbarkeit von T2* gewichteten Aufnahmen bei Hochfeld-Geräten auch auf schwierige Patienten und anspruchsvolle Hirnregionen ausgeweitet werden. Zusätzlich wurde die Vielseitigkeit des Feldregelungssystems durch eine erhöhte spektrale Auflösung einer MR Spektroskopie Aufnahme bei 7T gezeigt. Durch die Korrektur atmungsinduzierter Feldstörungen während der Aufnahme konnte die Konsistenz zwischen den einzelnen Datensätzen erhöht werden, was sich durch eine kleinere Linienbreite und eines erhöhten Signal-zu-Rausch Verhältnisses (SNR) im gemittelten Spektrum zeigt. Feldstörungen, die durch das Schalten von Gradienten und Shims induziert werden führen zu starken, hochfrequenten Feldstörungen, da die Frequenzantwort des Systems nicht perfekt ist. Wirbelströme, Vibrationen und Kopplung zwischen verschiedenen Shim und Gradienten Kanälen führt zu Störungen in einem breiten Frequenzbereich, die meisten davon zu schnell um durch das Regelsystem korrigiert zu werden. Diese Störungen sind allerdings reproduzierbar und es ist deshalb durch geeignete Kalibration möglich die entsprechenden Vorkompensationen für die nicht perfekte Impulsantwort zu finden. Durch Berechnung eines Preemphasis Filters mithilfe einer Matrix Repräsentation des ursprünglichen Systems, kann die vollständige Kontrolle über die Systemantwort erlangt werden. Dadurch können, innerhalb gegebener Systembeschränkungen, Kopplungsterme unterdrückt und Selbstterme beliebig geformt werden. In der ursprünglichen Impulsantwort führen langsame Wirbelströme dazu, dass sich das Feld auch mehrere Sekunden nach einem Schaltvorgang des Shims, noch verändert. Durch Preemphasis wird erreicht, dass der Schaltvorgang nach einer Millisekunde abgeschlossen ist, wodurch die Schichtweise Anpassung der Shimfelder ermöglicht wird. Dabei wird die statische Feldhomogenität nur für das aktuell aufgenommene Volumen (z.B. eine Schicht) optimiert. Dies ermöglicht für jede

Schicht eine höhere Homogenität als wenn das die Feldhomogenität für ganze Volumen optimiert wird. Die beiden Methoden (Feldregelung und Preemphasis) wurden kombiniert, um die Änderungen der Shimkonfigurationen durch die Regelung, entsprechend der Preemphasis, zu filtern. Durch das Einfügen eines Preemphasis Filters in den Regelkreis wird die Regelung zweigeteilt: Der Preemphasis Filter entkoppelt die verschiedenen Kanäle und formt die Selbstterm-Impulsantworten während der eigentliche Regler, welcher als mehrere, unabhängige PI Regler implementiert wurde, auf jeweils nur einen Kanal wirkt. Durch das entkoppeln der Kanäle kann das System als eine Kombination von unabhängigen Regelungskreisen betrachtet werden, welche ohne gegenseitige Beeinflussung optimiert werden können. Zusätzlich wird die Rauschverstärkung des Regelsystems reduziert, da jegliche Kopplung direkt kompensiert wird, und nicht wie eine zusätzliche Störung behandelt wird, welche durch den Regler auskorrigiert werden muss. Andererseits ist der Haupteffekt, der durch das Formen der Selbstterme erzielt wird, die direkte Kompensation von langlebigen Wirbelströmen, welche sonst die Regelbandbreite reduzieren würden. Zusätzlich wird dadurch, dass die Impulsantwort in allen Kanälen gleich ist, ermöglicht den PI Regler für alle Kanäle gleichzeitig zu optimieren, was den Tuningprozess erheblich vereinfacht. Die Kombination von Preemphasis und Feldregelung ermöglicht insgesamt verbesserte Störungsunterdrückung für schnelle Feldänderungen und für Störungen in stark koppelnden Kanälen. Alles in allem zeigt diese Arbeit Methoden zur Korrektur von örtlichen und zeitlichen Feldstörungen, einerseits durch Regelung in Echtzeit und andererseits kalibrierungsbasierte Preemphasis, sowie die Vorteile, die sich durch die Kombination der beiden Ansätze ergeben. Der geeignete Korrekturansatz kann jeweils in Abhängigkeit des Ursprungs und der Frequenzstruktur der Feldstörung gewählt werden. Durch die verminderten örtlichen und zeitlichen Feldänderungen wird die transversale Magnetisierung weniger gestört und entsprechend die T2*dephasierung reduziert. Gleichzeitig wird die Genauigkeit der örtlichen Kodierung erhöht und dadurch die Bildqualität verbessert. Die Feldstabilität in MR Systemen wird durch technische Weiterentwicklung kontinuierlich verbessert. Allerdings werden durch Hochfeld-Anwendungen auch immer höhere Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität der Feldverläufe

gestellt. Zusätzlich sind in medizinischer Bildgebung physiologisch induzierte Störungen unvermeidbar. Darüber hinaus können auch diverse externe Quellen wie Baustellen, Liftanlagen oder Tramlinien zu Feldstörungen führen. Die Möglichkeit zur Kontrolle von Feldverläufen, führt deshalb einerseits zu weniger strikten Anforderungen an die Systemstabilität, wodurch die Kosten für das entsprechende System reduziert werden können. Andererseits ermöglicht Feldregelung die Stabilisierung des Feldes während der Datenakquisition unabhängig von diversen potentiellen Störungsquellen und erlaubt dadurch zuverlässigere MR Bildgebung und Spektroskopie.