Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität München Lehrstuhl für Technische Elektrophysik Real-Time Magnetic Field Monitoring in Magnetic Resonance Imaging Pekka Tapani Sipilä Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Infor- mationstechnik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. T. Eibert Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. G. Wachutka 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Koch Die Dissertation wurde am 19.11.2010 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Infor- mationstechnik am 08.08.2011 angenommen. Tekikö tämä minusta viisamman? Siunasiko se järjellä? Omistettu Dorothealle, ja kaikille teille, jotka olette minulle tärkeitä ja rakkaita Summary Imperfections in the magnetic gradient fields for image encoding can severely deteriorate the quality of magnetic resonance imaging (MRI), especially in the case of advanced imaging applications such as fast-acquisition, phase-contrast- based flow quantification, and diffusion-tensor imaging. Gradient field imper- fections are caused by eddy currents induced in the conductive structures of the MRI scanner, gradient amplifier nonlinearities, and anisotropic gradient delays, as well as system instabilities and parameter drifts caused by heating. It is ex- pected that by addressing these gradient-encoding disturbances, the diagnostic capabilities of MRI could be significantly improved for both research and rou- tine clinical applications. In this thesis, different approaches to improving the quality of MRI are investigated using a dedicated magnetic field monitoring sys- tem, especially in the context of the advanced imaging applications mentioned above The performance requirements of dedicated magnetic field monitoring sys- tems are derived from general MRI encoding considerations, and the respective capabilities of existing magnetometer techniques are explored. Implementations of the most promising techniques, such as pick-up coils and nuclear magnetic resonance (NMR) probes, are further studied in both theory and practice. The analysis shows that, of these two approaches, only the nuclear magnetic reso- nance probes provide a basis for delivering the desired performance necessary for improving image quality. Various NMR probe designs are further developed for magnetic field moni- toring assisted MRI experiments. For operating the NMR probes, a dedicated multinuclear transmit-receiver for NMR applications is developed including an advanced excitation scheme for maintaining phase coherency between the NMR-probe spin ensembles and the radio frequency pulses. Such an indepen- dent add-on monitoring system is found to be particularly attractive as it is easily interfaced with existing MRI scanners, it does not require MRI pulse sequence II modifications, and it does not introduce undesired image artifacts or lead to a reduction of the signal-to-noise ratio. The developed phase-coherent transmission technique establishes a basis for a generalized NMR-based field monitoring system for clinical applications. In comparison to the standard operation scheme, which is based on noncoherent, long-interval excitations, the novel technique provides a robust performance that is insensitive to applied imaging parameters, such as resolution and repetition rate. Furthermore, the complexity of probe manufacturing is largely reduced with this scheme, enabling a more cost-effective system integration into radio frequency coils, patient tables, and magnet bores. The developed prototypes of 1H and 2H NMR probes, as well as the dedi- cated multinuclear transmit-receiver system, are characterized in a 3-T magnetic field MRI system. The performance of the developed NMR probes is proven to meet the requirements that are needed for magnetic field monitoring assisted MRI. 2H NMR probes are found to be superior with respect to more traditional 1H NMR probes since 2H NMR probes are frequency decoupled from standard 1H-based MRI. Because of this, imaging experiments accompanied by 2H mag- netic field monitoring hardware are clean of interference artifacts. It is shown that the image quality of advanced MRI methods, such as single- shot imaging and phase-contrast-based flow quantification, is significantly im- proved by using magnetic field monitoring. The novel phase-coherent, short- interval excitation scheme, which ensures a robust and continuous operation of NMR probes regardless of applied imaging parameters, is also verified in prac- tice. In summary, it can be concluded that the presented developments, i.e., the phase-coherent, short-interval excitation scheme and the 2H NMR probes, pro- vide significant progress toward the clinical implementation of magnetic field monitoring in MRI. Zusammenfassung In der Kernspintomografie können Imperfektionen der Gradientenkodierung zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Bildqualität führen. Dies trifft beson- ders auf neuere Anwendungen zu, wie die der Schnellakquisition, die der phasen- kontrast-basierten Flussquantifizierung und Diffusionstensorbildgebung. Physi- kalisch erklären sich Gradientenimperfektionen durch Wirbelströme in leitende Strukturen des Scanners, weiterhin durch nichtlineare Gradientenverstärker und anisotrope Zeitverzögerungen sowie durch Instabilitäten und Parameterdrift, verursacht von Erwärmungseffekten. Entsprechend wird angenommen, dass eine Beseitigung dieser Ungenauigkeiten der Gradientenkodierung die Bildge- bungsperformance sowohl für klinische als auch für Forschungszwecke wesent- lich erweitern und verbessern kann. Im Rahmen dieser Dissertation werden zu- gunsten der Verbesserung der kernspintomografischen Bildqualität verschiedene Ansätze von Magnetfeld-Monitoring untersucht, insbesondere für die oben aufge- führten Anwendungen. Basierend auf der grundlegenden Physik der kernspintomografischen Bild- kodierung werden die Spezifikationen für dezidierte Magnetfeld-Monitoring- Systeme hergeleitet. Auf diesen fußt die Bewertung der bekannten Magnetometer- Technologien. Die vielversprechendsten Ansätze in Form von Faradayspulen und Kernmagnetresonanzsonden werden praktisch implementiert und im Detail untersucht. Dabei zeigt sich, dass von den beiden verfolgten Ansätzen nur die Kernmagnetresonanzsonden auch tatsächlich die notwendigen Spezifikationen erfüllen. Verschiedene auf Kernmagnetresonanzsonden basierte Magnetfeld-Monito- ring-Architekturen werden daraufhin weiterentwickelt. Ein unabhängiges Add- on-Messsystem erweist sich jedoch als besonders geeignet, da es leicht an herkömmliche Kernspintomografen angeschlossen werden kann, keine beson- deren Modifizierungen der Pulssequenzen erfordert und auch keine unerwünsch- ten Artefakte oder Signal-zu-Rausch-Störungen bewirkt. IV Das dezidiert entwickelte System beinhaltet ein fortgeschrittenes Anregungs- schema zur Aufrechterhaltung der Phasenkohärenz zwischen dem präzisierenden Spinensamble und der Radiofrequenz-Anregungsspule. Diese Technik wird vor- gestellt, welche eine attraktive Lösung darstellt auf dem Weg zu einem kon- tinuierlichen Magnetfeld-Monitoring. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Anregungsschema bietet das neue Verfahren robuste Performance, unabhängig von den Bildgebungsparametern wie Auflösung und Repetitionszeit. Weiters re- duziert sich durch dieses Design auch die Herstellungskomplexität mit dem Aus- blick auf eine einfachere und kosteneffektivere Systemintegration in Radiofre- quenzspulen, Patiententisch und Magnetbohrung. Die eigens hergestellten 1H- und 2H-Kernmagnetresonanzsonden sowie das für deren Betrieb entwickelte unabhängige Messsystem wird auf einem 3-Tesla- Hochfeld-Kernspintomografen charakterisiert. Es wird verifiziert, dass die Per- formance dieser Kernmagnetresonanzsonden den spezifischen Anforderungen für das Magnetfeld-Monitoring genügen. Aufgrund der Frequenzentkopplung zwischen 2H-Kernmagnetresonanzsonden und standard 1H-basierter Bildgebung sowie dem damit verbundenen Fehlen von Interferenzartefakten werden diese Proben im Vergleich zu standard 1H-Kernmagnetresonanzsonden als klar über- legen bewertet. Durch die Verwendung von 2H-basiertem Magnetfeld- Monitoring verbessert sich ebenso die Bildgebungsqualität für fortgeschrittene Schnellakquisition und phasenkontrast-basierter Flussquantifizierung. Die Funktionalität des neu ent- wickelten, schnellen und phasenkohärenten Anregungsschemas für ein robustes und kontinuierliches Betreiben der Kernmagnetresonanzsonden wird ebenfalls aufgezeigt. Zusammenfassend bedeuten die im Rahmen dieser Dissertation prä- sentierten Entwicklungen, i.e., der raschen und phasenkohärenten Anregung sowie 2H-Kernmagnetresonanzsonden, einen wesentlichen Fortschritt in Rich- tung einer klinischen Implementierung von Magnetfeld-Monitoring. Contents 1 Introduction ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 1 1.1 Magnetic field imperfections in MRI . 1 1.2 Strategies to address nonideal magnetic fields in MRI . 3 1.3 Magnetic field monitoring assisted image reconstruction . 5 1.4 Outline of the thesis . 5 2 Principles of MRI :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 9 2.1 Spin polarization . 9 2.2 Spin excitation . 11 2.3 Spin relaxation . 12 2.4 Signal detection . 14 2.5 Spatial encoding . 15 2.6 Image reconstruction . 16 2.7 MRI system overview . 17 3 Attribute Requirements for Magnetic Field Monitoring in MRI :: 19 3.1 Precision and drift . 19 3.2 Synchronization and sampling clock jitter