Real-Time Magnetic Field Monitoring in Magnetic Resonance Imaging

In der Kernspintomografie können Imperfektionen der Gradientenkodierung zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Bildqualität führen. Dies trifft besonders auf neuere Anwendungen zu, wie die der Schnellakquisition, die der phasenkontrast-basierten Flussquantifizierung und Diffusionstensorbildgebung. Physikalisch 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 Bildgebungsperformance sowohl für klinische als auch für Forschungszwecke wesentlich erweitern und verbessern kann. Im Rahmen dieser Dissertation werden zugunsten der Verbesserung der kernspintomografischen Bildqualität verschiedene Ansätze von Magnetfeld-Monitoring untersucht, insbesondere für die oben aufgeführten Anwendungen.Basierend auf der grundlegenden Physik der kernspintomografischen Bildkodierung 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-Monitoring-Architekturen werden daraufhin weiterentwickelt. Ein unabhängiges Addon-Messsystem erweist sich jedoch als besonders geeignet, da es leicht an herkömmliche Kernspintomografen angeschlossen werden kann, keine besonderen Modifizierungen der Pulssequenzen erfordert und auch keine unerwünschten Artefakte oder Signal-zu-Rausch-Störungen bewirkt.Das dezidiert entwickelte System beinhaltet ein fortgeschrittenes Anregungsschema zur Aufrechterhaltung der Phasenkohärenz zwischen dem präzisierenden Spinensamble und der Radiofrequenz-Anregungsspule. Diese Technik wird vorgestellt, welche eine attraktive Lösung darstellt auf dem Weg zu einem kontinuierlichen Magnetfeld-Monitoring. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Anregungsschema bietet das neue Verfahren robuste Performance, unabhängig von den Bildgebungsparametern wie Auflösung und Repetitionszeit. Weiters reduziert sich durch dieses Design auch die Herstellungskomplexität mit dem Ausblick auf eine einfachere und kosteneffektivere Systemintegration in Radiofrequenzspulen, Patiententisch und Magnetbohrung.Die eigens hergestellten 1 H- und 2 H-Kernmagnetresonanzsonden sowie das für deren Betrieb entwickelte unabhängige Messsystem wird auf einem 3-Tesla- Hochfeld-Kernspintomografen charakterisiert. Es wird verifiziert, dass die Performance dieser Kernmagnetresonanzsonden den spezifischen Anforderungen für das Magnetfeld-Monitoring genügen. Aufgrund der Frequenzentkopplung zwischen 2 H-Kernmagnetresonanzsonden und standard 1 H-basierter Bildgebung sowie dem damit verbundenen Fehlen von Interferenzartefakten werden diese Proben im Vergleich zu standard 1 H-Kernmagnetresonanzsonden als klar überlegen bewertet.Durch die Verwendung von 2 H-basiertem Magnetfeld- Monitoring verbessert sich ebenso die Bildgebungsqualität für fortgeschrittene Schnellakquisition und phasenkontrast-basierter Flussquantifizierung. Die Funktionalität des neu entwickelten, schnellen und phasenkohärenten Anregungsschemas für ein robustes und kontinuierliches Betreiben der Kernmagnetresonanzsonden wird ebenfalls aufgezeigt. Zusammenfassend bedeuten die im Rahmen dieser Dissertation präsentierten Entwicklungen, i.e., der