Theresa Bachschmidt

• Magnetic resonance imaging is derogated by the presence of metal implants and image quality is impaired. Artifacts are categorized according to their sources, the differences in susceptibility between metal and tissue and the modulation of the magnetic radiofrequency (RF) transmit field. Generally, these artifacts are intensified at higher field strength. The purpose of this work is to analyze the efficiency of current methods used for metal artifact reduction at 3T and to investigate improvements. The impact of high-bandwidth RF pulses onMagnetic resonance imaging is derogated by the presence of metal implants and image quality is impaired. Artifacts are categorized according to their sources, the differences in susceptibility between metal and tissue and the modulation of the magnetic radiofrequency (RF) transmit field. Generally, these artifacts are intensified at higher field strength. The purpose of this work is to analyze the efficiency of current methods used for metal artifact reduction at 3T and to investigate improvements. The impact of high-bandwidth RF pulses on susceptibility-induced artifacts is tested. In addition, the benefit of a two-channel transmit system with respect to shading close to total hip replacements and other elongated metal structures in parallel to the magnetic field is analyzed. Local transmit/receive coils feature a higher peak B1 amplitude than conventional body coils and thus enable high-bandwidth RF pulses. Susceptibility-induced through-plane distortion relates reciprocally to the RF bandwidth, which is evaluated in vitro for a total knee arthroplasty. Clinically relevant sequences (TSE and SEMAC) with conventional and high RF pulse bandwidths and different contrasts are tested on eight patients with different types of knee implants. Distortion is rated by two radiologists. An additional analysis assesses the capability of a local spine transmit coil. Furthermore, B1 effects close to elongated metal structures are described by an analytical model comprising a water cylinder and a metal rod, which is verified numerically and experimentally. The dependence of the optimal polarization of the transmit B1 field, creating minimum shading, on the position of the metal is analyzed. In addition, the optimal polarization is determined for two patients; its benefit compared to circular polarization is assessed. Phantom experiments confirm the relation of the RF bandwidth and the through-plane distortion, which can be reduced by up to 79% by exploitation of a commercial local transmit/receive knee coil at 3T. On average, artifacts are rated “hardly visible” for patients with joint arthroplasties, when high-bandwidth RF pulses and SEMAC are used, and for patients with titanium fixtures, when high-bandwidth RF pulses are used in combination with TSE. The benefits of the local spine transmit coil are less compared to the knee coil, but enable a bandwidth 3.9 times as high as the body coil. The modulation of B1 due to metal is approximated well by the model presented and the position of the metal has strong influence on this effect. The optimal polarization can mitigate shading substantially. In conclusion, through-plane distortion and related artifacts can be reduced significantly by the application of high-bandwidth RF pulses by local transmit coils at 3T. Parallel transmission offers an option to substantially reduce shading close to long metal structures aligned with the magnetic field. Effective techniques dedicated for metal implant imaging at 3T are introduced in this work.…
• Metallimplantate beeinträchtigen die Funktionsweise der Magnetresonanztomographie und verschlechtern die Bildqualität. Die Artefakte werden entsprechend ihres Ursprungs kategorisiert, in einerseits Suszeptibilitätsunterschiede zwischen Metall und Gewebe und andererseits die Modulation des B1-Feldes. Im Allgemeinen verstärken sich diese Artefakte bei höheren Feldstärken. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Effizienz vorhandener Methoden zur Artefaktreduktion bei 3T zu bewerten und mögliche Verbesserungen herauszuarbeiten. Der Einfluss vonMetallimplantate beeinträchtigen die Funktionsweise der Magnetresonanztomographie und verschlechtern die Bildqualität. Die Artefakte werden entsprechend ihres Ursprungs kategorisiert, in einerseits Suszeptibilitätsunterschiede zwischen Metall und Gewebe und andererseits die Modulation des B1-Feldes. Im Allgemeinen verstärken sich diese Artefakte bei höheren Feldstärken. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Effizienz vorhandener Methoden zur Artefaktreduktion bei 3T zu bewerten und mögliche Verbesserungen herauszuarbeiten. Der Einfluss von breitbandigen Hochfrequenz-Pulsen (HF-Pulsen) auf Suszeptibilitätsartefakte wird untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss eines Zwei-Kanal Sendesystems auf Abschattungen analysiert, die in der Nähe von Hüftimplantaten und anderen länglichen Implantaten auftreten, welche parallel zu B0 liegen. Im Gegensatz zu konventionellen Ganzkörper-Sendespulen erlauben lokale Sende-/Empfangsspulen eine höhere maximale B1-Amplitude, die breitbandigere HF-Pulse ermöglicht. Die reziproke Abhängigkeit der Suszeptibilitätsartefakte in Schichtrichtung zur HF-Bandbreite wird in vitro für eine Kniegelenkplastik evaluiert. An acht Patienten mit verschiedenen Knieimplantaten werden klinisch relevante Sequenzen (TSE und SEMAC) mit konventionellen und breitbandigen HF-Pulsen in verschiedenen Kontrasten getestet und die Verzerrungen werden von zwei Radiologen bewertet. Eine weitere Studie untersucht das Potenzial einer lokalen Sendespule für die Wirbelsäule. Darüberhinaus werden B1-Effekte nahe länglicher Metallstrukturen durch ein analytisches Modell beschrieben, das numerisch und experimentell überprüft wird. Des Weiteren wird die Abhängigkeit der optimalen Polarisation des B1-Feldes, die minimale Abschattung verursacht, von der Position des Metalls untersucht. Für zwei Patienten wird die optimale Polarisation bestimmt und deren Vorteil gegenüber der zirkularen Polarisation analysiert. Phantomversuche bestätigen die Abhängigkeit zwischen HF-Bandbreite und der Schichtverzerrung, die durch die Verwendung einer lokalen Kniespule mit Sende- und Empfangsfunktion bei 3T um 79% reduziert werden kann. Die Artefakte bei Patienten mit Vollimplantaten, bzw. Titanimplantaten, werden als "kaum sichtbar" bewertet, wenn SEMAC, bzw. TSE, mit breitbandigen HF-Pulsen kombiniert appliziert wird. Im Vergleich zur lokalen Kniespule fallen die Vorteile der lokalen Wirbelsäulen-Sendespule geringer aus; dennoch kann die 3,9-fache HF-Bandbreite der Ganzkörpersendespule erreicht werden. Die B1-Modulation aufgrund von Metall wird im dargestellten Modell gut wiedergegeben und die Position des Metalls im Objekt hat großen Einfluss auf den Effekt. Die Verwendung der optimalen Polarisation kann Abschattungen stark reduzieren. Zusammenfassend können Artefakte aufgrund von Schichtverzerrungen durch die Verwendung lokaler Sendespulen und breitbandiger HF-Pulse bei 3T stark abgeschwächt werden. Die individuelle Wahl der Polarisation des B1-Feldes bietet eine gute Möglichkeit, Abschattungen in der Nähe von länglichen Metallstrukturen zu reduzieren, soweit diese näherungsweise parallel zu B0 ausgerichtet sind. Somit werden in dieser Arbeit wirksame Methoden zur Metallbildgebung bei 3T eingeführt.…