Optimierung von Schaltmatrizen mit hoher Kanalzahl für mehrkernige Hochfeld-MRT

Jörg Felder, Chang-Hoon Choi, Yunkyoung Ko and N. Jon Shah

19. August 2020

Die Magnetresonanztomographie (MRT) mit einer Feldstärke zwischen 0,5 und 3 T gehört heute zur klinischen Standardpraxis und ermöglicht es Ärzten, den menschlichen Körper nicht-invasiv und mit hoher Detailgenauigkeit abzubilden. Die MRT ist jedoch eine sich weiterentwickelnde Technologie, und ein großer Teil der aktuellen Forschung befasst sich mit Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualität der erzielten Bilder durch Erhöhung der Magnetfeldstärke auf 7 T und darüber hinaus (hohe und ultrahohe Feldstärke). Ein weiterer bedeutender Bereich der Forschung und Entwicklung betrifft die Aufnahme von Bildern unter Verwendung des Signals sowohl von Protonen- als auch von Nichtprotonenkernen (Mehrkern-MRT), um Informationen über Stoffwechselvorgänge im Körper zu erhalten.

Im Krankenhausbereich wird die MRT häufig bei schwerkranken Patienten mit einer reduzierten Toleranz gegenüber langen Untersuchungen eingesetzt, so dass es darauf ankommt, ein Maximum an Informationen in möglichst kurzer Zeit zu erhalten. Bei modernen MRT-Systemen mit Feldstärken unter 3 T wird dies teilweise durch parallele Bildgebungsverfahren mit hochkanaligen Phased-Array-Spulen erreicht. Phased-Array-Spulen verwenden eine Anzahl kleinerer Spulen, die über auf dem Patiententisch befindliche Anschlüsse in separate Empfängerketten eingespeist werden. Die Informationen von jeder Spule werden digital zu einem einzigen Bild kombiniert, das ein großes Sichtfeld abdeckt.

Aus mehreren praktischen, wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Gründen ist es besser, eine Schaltmatrix zu verwenden, um nur eine Teilmenge der Anschlüsse an eine kleine Anzahl von Signalempfängern zu leiten. Die Verwendung von Schaltmatrizen ist jedoch in den neuen, hochmodernen Ultrahochfeld-MRT-Systemen nicht üblich, und darüber hinaus hat sich die Forschung bisher auf Einzelfrequenz-Designs konzentriert, die nur für das Routing des Signals des überwiegend verwendeten Protonenkerns verwendet werden können. Mit dem zunehmenden Interesse an der Entwicklung mehrkerniger, mehrkanaliger Spulenanordnungen sind Schaltmatrizen, die mehrere Frequenzen verarbeiten können, wünschenswert.

Als Antwort auf diese Herausforderung werden in dieser Arbeit metaheuristische Ansätze zur Optimierung des Schaltungsentwurfs dieser Matrizen und für eine Matrix mit 128 Eingängen und 64 Ausgängen vorgestellt. Es wird eine Lösung vorgeschlagen, die im ungünstigsten Fall eine Einfügungsdämpfung von 3,8 dB aufweist. Das bedeutet, dass die Qualität der mit dem vorgestellten Ansatz aufgenommenen Bilder durch die vergleichsweise geringe Abnahme des SNR, die durch das Routing des Empfangssignals verursacht wird, nicht nachteilig beeinflusst wird.

Durch den Nachweis, dass eine Schaltungsoptimierung einer großen, mehrkernigen Schaltmatrix durchführbar ist, wird erwartet, dass der Ansatz nach experimenteller Validierung in Zukunft die klinische Praxis unterstützen könnte, indem er die Qualität der MRT-Bilder von Ultrahochfeld-(UHF-)Systemen verbessert und gleichzeitig eine Verlängerung der Scanzeit vermeidet.

Originalpublikation:

Optimization of high-channel count, switch matrices for multinuclear, high-field MRI