The impact of respiratory motion on electromagnetic fields at ultra-high field cardiac magnetic resonance imaging

Abstract

While ultra high fields (UHF), field strength (B0) above 7 T, offer numerous benefits, they also present challenges regarding the safety of electromagnetic (EM) fields. The purpose of this thesis is to demonstrate and quantify the safety implications of respiratory motion for body MRI at UHF. First, a respiration-dependent simulation setup at 7 T is created, therefore, the XCAT body model is used. Previously measured respiration-induced changes in the transmitted RF field (B+1 ) are validated for static parallel transmission (pTx). Second, due to the coupling of the magnetic and electric fields via Maxwell’s equations, an impact of respiration on the electric field (E) is expected. The E-field within the human body cannot be measured directly and electromagnetic (EM) field simulations become relevant. As a risk-measure of RF induced temperature rise in human tissue, the specific absorption rate (SAR) is calculated. The impact of respiratory motion on local SAR is shown for the first time and is investigated for two different control modes: (i) The ’SAR-controlled mode’ (SCM) utilizes complex RF shim vectors and (ii) the ’power-controlled mode’ (PCM) limits the maximum amplitude of the shim vector per channel and is phase-independent. In the SCM, respiration may increase maximum local SAR values up to a factor of 2.5 for a ’Fixed’ coil setup where the coil position is independent of the respiratory state. This means that worst-case SAR limits will be exceeded for the inhale respiratory state, if the safety assessment was performed for the exhale respiratory state. The PCM is less affected by respiratory motion than the SCM. Power limits calculated with the PCM for the exhale respiratory state are also safe for the inhale respiratory state, using a setup moving with the respiratory motion at 7 T. Finally, higher field strengths (10.5 T) are examined for static and dynamic pTx, and stronger respiration-induced changes are observed for B+1 and local S AR10g at 10.5 T compared to 7 T, and for dynamic pTx compared to static pTx. For the first time, simulations confirmed the experimental findings of the respiratory impact on the B+1 distribution. Under certain conditions, respiration must be considered for safety assessment. Respiration could be considered by using multiple body models or by adding additional safety factors depending on the coil setup and field strength.

’Ultrahohe’ Magnetfelder (ultrahighfields, UHF), mit einem B0 ≥ 7 T eröffnen zahlreiche Vorteile in der Magnetresonanztomographie. Dennoch müssen Herausforderungen bezüglich starker elektromagnetischer (EM) Feldvariationen bewältigt werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Sicherheitsrelevanz der Atembewegungen bei der UHF Magnetresonanzbildgebung des Körperstamms zu untersuchen. Dafür wurde ein simulationsbasiertes Modell erstellt, das die atemabhängigen Änderungen des Hochfrequenzfeldes (B+1 ) beim statischen parallelen Senden (pTx) validiert. Durch die Kopplung von magnetischen und elektrischen Feldern in den Maxwell-Gleichungen wird eine Änderung des elektrischen Feldes (E) mit der Atmung erwartet. Da das E-Feld im menschlichen Körper nicht direkt gemessen werden kann, hat die EM Feldsimulationen eine wichtige Bedeutung. Die spezifische Absorptionsrate (SAR) wird als Gefährdungsmaß für die HF-induzierte Erwärmung des Körpers verwendet. Der Einfluss der Atembewegung auf die lokale SAR wird erstmalig gezeigt und für zwei verschiedene Kontrollmodi untersucht: Im SAR-kontrollierten Modus (SCM) wird die HF-Leistung so begrenzt, dass für einen spezifischen, komplexen Shim-Vektor die zulässigen SAR-Grenzwerte eingehalten werden. Im leistungskontrollierten Modus (PCM) hingegen wird die maximale HF-Leistung pro Spulenelement begrenzt, so dass alle Shim-Vektoren, welche dieses Leistungslimit für jedes Spulenelement einhalten, auch die zulässigen SAR-Grenzwerte einhalten. Im SCM kann die Atmung das maximale lokale SAR (psSAR) im Extremfall um den Faktor 2,5 erhöhen, wenn es sich um eine fest installierte, Atemzustand unabhängige Spulenanordnung bei 7 T handelt. Dies bedeutet, dass SAR-Grenzwerte für den eingeatmeten Zustand überschritten werden könnten, wenn SAR-Grenzwerte im ausgeatmeten Zustand berechnet wurden. Im PCM hat die Atembewegung im Vergleich zum SCM weniger Einfluss auf das psSAR. Es wurden Leistungsgrenzen für eine mit der Atmung mitbewegte Spule bei 7 T im ausgeatmeten Zustand berechnet, die auch im eingeatmeten Zustand sicher sind. Schlussendlich wurden bei 10.5 T im Vergleich zu 7 T und bei dynamischen pTx im Vergleich zu statischem pTx stärkere durch die Atmung bedingte Veränderungen in B+ 1 und lokalem SAR beobachtet . Zum ersten Mal bestätigen Simulationen das gemessene atemabhängige B+1. Unter bestimmten Bedingungen muss die Atmung bei der Sicherheitsbewertung im UHF-Bereich berücksichtigt werden. Die Atmung könnte durch die Verwendung mehrerer Körpermodelle oder das Hinzufügen von Sicherheitsfaktoren einbezogen werden.