German Title: Doppelt diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie: Kompensation von Artefakten durch Begleitfelder mittels zusätzlicher oszillierender Gradienten

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Abstract

Concomitant or Maxwell fields imprint additional phases on the transverse magnetization. This concomitant phase can cause severe image artifacts due to the induced intravoxel dephasing. In particular, double diffusion encoding (DDE) schemes consisting of two pairs of bipolar diffusion-weighting gradients separated by a refocusing radiofrequency pulse are prone to concomitant field artifacts that may distort determination of quantitative parameters such as microscopic tissue anisotropy. In this work, different compensation methods were developed using additional oscillating gradients that reduce the concomitant phase before signal readout without additional refocusing pulses in the context of DDE. It is shown that adding oscillating gradients to the bipolar gradient pairs is an efficient method to reduce the self-squared concomitant phase. In simulations, it is demonstrated that a pulse-width modulation of the diffusion-weighting waveforms enables a compensation of both the self-squared terms and cross terms of the concomitant field. Oscillating gradient pulses obtained by constrained optimization, added to the original gradient waveforms, reduce the overall accumulated concomitant phase without significant changes in the original sequence characteristics. In vivo measurements in the brain of a healthy volunteer exhibited an increase in the signal-to-noise ratio of up to 35 % for b = 750 s/mm2 for each weighting for a transversal slice that had an isocenter distance of 5 cm.

Translation of abstract (German)

Maxwell- oder Begleitfelder prägen der transversalen Magnetisierung zusätzliche Phasen auf. Diese Begleitphasen können schwere Bildartefakte durch die entstehende Intravoxel-Dephasierung verursachen. Insbesondere doppelte Diffusionskodierungsverfahren (DDE), die aus zwei Paaren bipolarer Diffusionswichtungsgradienten bestehen, die durch einen refokussierenden Hochfrequenzpuls getrennt sind, sind anfällig für Artefakte durch Begleitfelder, die die Bestimmung quantitativer Parameter wie beispielsweise der mikroskopischen Gewebeanisotropie verfälschen können. In dieser Arbeit wurden verschiedene Kompensationsmethoden entwickelt, bei denen zusätzliche oszillierende Gradienten verwendet werden, die die Begleitphase vor der Signalauslese ohne zusätzliche Refokussierungspulse im Rahmen der DDE reduzieren. Es wird gezeigt, dass das Hinzufügen von oszillierenden Gradienten zu bipolaren Gradientenpaaren eine effiziente Methode zur Reduzierung der selbstquadrierten Begleitphase ist. In Simulationen wird dargelegt, dass eine Pulsweitenmodulation der diffusionswichtenden Gradientenprofile eine Kompensation sowohl der selbstquadrierten Terme als auch der Kreuzterme des Begleitfeldes ermöglicht. Oszillierende Gradientenpulse, die durch eine Optimierung mit Nebenbedingungen erhalten werden und die ursprünglichen Gradientenprofile überlagern, reduzieren die gesamte akkumulierte Begleitphase ohne signifikante Änderungen der ursprünglichen Sequenzcharakteristika. In vivo Messungen im Gehirn eines gesunden Probanden ergaben einen Anstieg bezüglich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von bis zu 35 % für b = 750 s/mm2 für jede Wichtung in einer transversalen Schicht mit einem Abstand von 5 cm vom Isozentrum.