Simulation of the magnetic induction vector of a magnetic core to be used in FFC NMR relaxometry

This paper is a contribution for the assessment and comparison of magnet properties based on magnetic field characteristics particularly concerning the magnetic induction uniformity in the air gaps. For this aim, a solver was developed and implemented to determine the magnetic field of a magnetic core to be used in Fast Field Cycling (FFC) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry. The electromagnetic field computation is based on a 2D finite-element method (FEM) using both the scalar and the vector potential formulation. Results for the magnetic field lines and the magnetic induction vector in the air gap are presented. The target magnetic induction is 0.2 T, which is a typical requirement of the FFC NMR technique, which can be achieved with a magnetic core based on permanent magnets or coils. In addition, this application requires high magnetic induction uniformity. To achieve this goal, a solution including superconducting pieces is analyzed. Results are compared with a different FEM program.

Prostate Cancer: The Role of Multiparametric Magnetic Resonance Imaging

Multiparametric Magnetic Resonance Imaging has been increasingly used for detection, localization and staging of prostate cancer over the last years. It combines high-resolution T2 Weighted-Imaging and at least two functional techniques, which include Dynamic Contrast–Enhanced Magnetic Resonance Imaging, Diffusion-Weighted Imaging, and Magnetic Resonance Imaging Spectroscopy. Although the combined use of a pelvic phased-array and an Endorectal Coil is considered the state-of-the-art for Magnetic Resonance Imaging evaluation of prostate cancer, Endorectal Coil is only absolute mandatory for Magnetic Resonance Imaging Spectroscopy at 1.5 T. Sensitivity and specificity levels in cancer detection and localization have been improving with functional technique implementation, compared to T2 Weighted-Imaging alone. It has been particularly useful to evaluate patients with abnormal PSA and negative biopsy. Moreover, the information added by the functional techniques may correlate to cancer aggressiveness and therefore be useful to select patients for focal radiotherapy, prostate sparing surgery, focal ablative therapy and active surveillance. However, more studies are needed to compare the functional techniques and understand the advantages and disadvantages of each one. This article reviews the basic principles of prostatic mp-Magnetic Resonance Imaging, emphasizing its role on detection, staging and active surveillance of prostate cancer.

High-resolution magnetic resonance imaging quantitatively detects individual pancreatic islets.

OBJECTIVE-We studied whether manganese-enhanced high-field magnetic resonance (MR) imaging (MEHFMRI) could quantitatively detect individual islets in situ and in vivo and evaluate changes in a model of experimental diabetes.RESEARCH DESIGN AND METHODS-Whole pancreata from untreated (n = 3), MnCl(2) and glucose-injected mice (n = 6), and mice injected with either streptozotocin (STZ; n = 4) or citrate buffer (n = 4) were imaged ex vivo for unambiguous evaluation of islets. Exteriorized pancreata of MnCl(2) and glucose-injected mice (n = 6) were imaged in vivo to directly visualize the gland and minimize movements. In all cases, MR images were acquired in a 14.1 Testa scanner and correlated with the corresponding (immuno)histological sections.RESULTS-In ex vivo experiments, MEHFMRI distinguished different pancreatic tissues and evaluated the relative abundance of islets in the pancreata of normoglycemic mice. MEHFMRI also detected a significant decrease in the numerical and volume density of islets in STZ-injected mice. However, in the latter measurements the loss of beta-cells was undervalued under the conditions tested. The experiments on the externalized pancreata confirmed that MEHFMRI could visualize native individual islets in living, anesthetized mice.CONCLUSIONS-Data show that MEHFMRI quantitatively visualizes individual islets in the intact mouse pancreas, both ex vivo and in vivo. Diabetes 60:2853-2860, 2011

Reproducibility of free-breathing cardiovascular magnetic resonance coronary angiography.

OBJECTIVE: Contemporary free-breathing non contrast enhanced cardiovascular magnetic resonance angiography (CMRA) was qualitatively and quantitatively evaluated to ascertain the reproducibility of the method for coronary artery luminal dimension measurements. SUBJECTS AND METHODS: Twenty-two healthy volunteers (mean age 32 +/- 7 years, 12 males) without coronary artery disease were imaged at 2 centers (1 each in Europe and North America) using navigator-gated and corrected SSFP CMRA on a commercial whole body 1.5T System. Repeat images of right (RCA, n = 21), left anterior descending (LAD, n = 14) and left circumflex (LCX, n = 14) coronary arteries were obtained in separate sessions using identical scan protocol and imaging parameters. True visible vessel length, signal-to-noise (SNR), contrast-to-noise ratios (CNR) and the average luminal diameter over the first 4 cm of the vessel were measured. Intra-observer, inter-observer and inter-scan reproducibility of coronary artery luminal diameter were determined using Pearson's correlation, Bland-Altman analysis and intraclass correlation coefficients (ICC). RESULTS: CNR, SNR and the mean length of the RCA, LAD and LCX imaged for original and repeat scans were not significantly different (all p > 0.30). There was a high degree of intra-observer, inter-observer and inter-scan agreements for RCA, LAD and LCX luminal diameter respectively on Bland-Altman and ICC analysis (ICC's for RCA: 0.98. 0.98 and 0.86; LAD: 0.89, 0.89 and 0.63; LCX: 0.95, 0.94 and 0.79). CONCLUSION: In a 2-center study, we demonstrate that free-breathing 3D SSFP CMRA can visualize long continuous segments of coronary vessels with highly reproducible measurements of luminal diameter.

Quantification of aortic flow by phase-contrast magnetic resonance in patients with bicuspid aortic valve.

AIMS: Bicuspid aortic valve (BAV) causes complex flow patterns in the ascending aorta (AAo), which may compromise the accuracy of flow measurement by phase-contrast magnetic resonance (PC-MR). Therefore, we aimed to assess and compare the accuracy of forward flow measurement in the AAo, where complex flow is more dominant in BAV patients, with flow quantification in the left ventricular outflow tract (LVOT) and the aortic valve orifice (AV), where complex flow is less important, in BAV patients and controls. METHODS AND RESULTS: Flow was measured by PC-MR in 22 BAV patients and 20 controls at the following positions: (i) LVOT, (ii) AV, and (iii) AAo, and compared with the left ventricular stroke volume (LVSV). The correlation between the LVSV and the forward flow in the LVOT, the AV, and the AAo was good in BAV patients (r = 0.97/0.96/0.93; P < 0.01) and controls (r = 0.96/0.93/0.93; P < 0.01). However, in relation with the LVSV, the forward flow in the AAo was mildly underestimated in controls and much more in BAV patients [median (inter-quartile range): 9% (4%/15%) vs. 22% (8%/30%); P < 0.01]. This was not the case in the LVOT and the AV. The severity of flow underestimation in the AAo was associated with flow eccentricity. CONCLUSION: Flow measurement in the AAo leads to an underestimation of the forward flow in BAV patients. Measurement in the LVOT or the AV, where complex flow is less prominent, is an alternative means for quantifying the systolic forward flow in BAV patients.

An introduction to model-independent diffusion magnetic resonance imaging.

ABSTRACT: q-Space-based techniques such as diffusion spectrum imaging, q-ball imaging, and their variations have been used extensively in research for their desired capability to delineate complex neuronal architectures such as multiple fiber crossings in each of the image voxels. The purpose of this article was to provide an introduction to the q-space formalism and the principles of basic q-space techniques together with the discussion on the advantages as well as challenges in translating these techniques into the clinical environment. A review of the currently used q-space-based protocols in clinical research is also provided.

Spatially selective implementation of the adiabatic T2 prep sequence for magnetic resonance angiography of the coronary arteries.

In coronary magnetic resonance angiography, a magnetization-preparation scheme for T2 -weighting (T2 Prep) is widely used to enhance contrast between the coronary blood-pool and the myocardium. This prepulse is commonly applied without spatial selection to minimize flow sensitivity, but the nonselective implementation results in a reduced magnetization of the in-flowing blood and a related penalty in signal-to-noise ratio. It is hypothesized that a spatially selective T2 Prep would leave the magnetization of blood outside the T2 Prep volume unaffected and thereby lower the signal-to-noise ratio penalty. To test this hypothesis, a spatially selective T2 Prep was implemented where the user could freely adjust angulation and position of the T2 Prep slab to avoid covering the ventricular blood-pool and saturating the in-flowing spins. A time gap of 150 ms was further added between the T2 Prep and other prepulses to allow for in-flow of a larger volume of unsaturated spins. Consistent with numerical simulation, the spatially selective T2 Prep increased in vivo human coronary artery signal-to-noise ratio (42.3 ± 2.9 vs. 31.4 ± 2.2, n = 22, P < 0.0001) and contrast-to-noise-ratio (18.6 ± 1.5 vs. 13.9 ± 1.2, P = 0.009) as compared to those of the nonselective T2 Prep. Additionally, a segmental analysis demonstrated that the spatially selective T2 Prep was most beneficial in proximal and mid segments where the in-flowing blood volume was largest compared to the distal segments. Magn Reson Med, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance imaging (OS-CMR) : potential confounding factors in use of OS-CMR

La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR.

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.

A simple linear magnetic field sweep generator for magnetic resonance experiments

A simple and inexpensive linear magnetic field sweep generating system suitable for magnetic resonance experiments is described. The circuit, utilising a modified IC bootstrap configuration, generates field sweep over a wide range of sweep durations with excellent sweep linearity.

“Improved Feature Extraction and Classification Techniques for Multispectral Brain Magnetic Resonance Images”

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a multi sequence medical imaging technique in which stacks of images are acquired with different tissue contrasts. Simultaneous observation and quantitative analysis of normal brain tissues and small abnormalities from these large numbers of different sequences is a great challenge in clinical applications. Multispectral MRI analysis can simplify the job considerably by combining unlimited number of available co-registered sequences in a single suite. However, poor performance of the multispectral system with conventional image classification and segmentation methods makes it inappropriate for clinical analysis. Recent works in multispectral brain MRI analysis attempted to resolve this issue by improved feature extraction approaches, such as transform based methods, fuzzy approaches, algebraic techniques and so forth. Transform based feature extraction methods like Independent Component Analysis (ICA) and its extensions have been effectively used in recent studies to improve the performance of multispectral brain MRI analysis. However, these global transforms were found to be inefficient and inconsistent in identifying less frequently occurred features like small lesions, from large amount of MR data. The present thesis focuses on the improvement in ICA based feature extraction techniques to enhance the performance of multispectral brain MRI analysis. Methods using spectral clustering and wavelet transforms are proposed to resolve the inefficiency of ICA in identifying small abnormalities, and problems due to ICA over-completeness. Effectiveness of the new methods in brain tissue classification and segmentation is confirmed by a detailed quantitative and qualitative analysis with synthetic and clinical, normal and abnormal, data. In comparison to conventional classification techniques, proposed algorithms provide better performance in classification of normal brain tissues and significant small abnormalities.