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L'uniformité du champ magnétique par les techniques de shimming est une exigence fondamentale pour les systèmes d'imagerie par résonance magnétique (IRM), la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et diverses applications scientifiques. L'homogénéité du champ magnétique est essentielle pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), l'IRM fonctionnelle et la spectroscopie par résonance magnétique (MRS).

Comprendre les fondements du shimming magnétique

Le shimming magnétique représente un processus sophistiqué conçu pour corriger les inhomogénéités dans les champs magnétiques qui proviennent de diverses sources. Le shimming est une procédure pour maximiser l'homogénéité B0. Ces distorsions de champ peuvent provenir de la fabrication d'imperfections dans la construction d'aimants, de facteurs environnementaux sur le site d'installation, et de la présence de sujets ou de matériaux dans le champ magnétique.

L'inhomogénéité B0 pendant les balayages MR est un problème de longue date résultant d'imperfections magnétiques et de conditions de site, le principal problème étant l'inhomogénéité dans le corps humain causée par des différences de sensibilité magnétique entre les tissus, entraînant une perte de signal, une distorsion d'image et une mauvaise résolution spectrale.

L'impact de l'inhomogénéité sur le terrain sur la qualité de l'imagerie

La présence d'inhomogénéités dans le champ magnétique B0 peut entraîner des images déformées, une perte de signal, un flou et une résolution spatiale limitée, ce qui pourrait compromettre la précision et la fiabilité des examens cliniques et de recherche fondés sur l'IRM, en particulier lorsqu'on utilise des séquences d'imagerie avancées comme l'imagerie plane d'écho (IPE) pour les applications d'imagerie par tenseur de diffusion (DTI) et d'IRM fonctionnelle (IRMf).

Pour les applications de spectroscopie par résonance magnétique, les conséquences d'une faible homogénéité du champ sont encore plus graves. Plus précisément, une faible homogénéité B0 dans le SRM peut entraîner une largeur de ligne plus large, un rapport signal-bruit plus faible (RSN) et des pics de métabolites chevauchés, ce qui entraîne un degré de précision plus faible dans la quantification de la concentration.

Un champ magnétique statique homogène B0 est essentiel pour l'acquisition de données de spectroscopie de haute qualité, car la résolution spectrale et la forme symétrique de la ligne sont essentielles pour une quantification fiable des métabolites.

Le shimming comme solution d'homogénisation physique

La meilleure solution pour atténuer ces problèmes est la procédure d'homogénéisation physique, appelée «shimming B0», qui vise directement les variations de champ à leur source plutôt que de tenter de les compenser par des techniques de post-traitement ou d'acquisition.

Le shimming est le processus d'optimisation de l'homogénéité du champ magnétique et est une procédure en deux étapes. Dans un premier temps, l'homogénéité du champ magnétique primaire est optimisée en l'absence d'échantillon. Cette optimisation initiale établit un niveau d'uniformité du champ de base qui peut ensuite être affiné en fonction des exigences spécifiques d'imagerie et des distorsions induites par le sujet.

Techniques passives de shimming: Matériaux et mise en œuvre

Le shimming passif représente l'une des deux approches principales pour atteindre l'uniformité du champ magnétique. Le shimming passif utilise généralement des pièces de fer comme shims. Cette méthode repose sur le placement stratégique de matériaux ferromagnétiques qui répondent au champ magnétique principal pour créer des motifs de champ correctif.

Principes de l'encrassement passif

Les méthodes passives de shimming utilisent des matériaux qui peuvent supporter un certain niveau d'aimantation (y compris les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques), et par la conception stratégique et le placement sculptent la distribution du champ magnétique vers un état plus uniforme par leur réponse passive au champ primaire B0. L'efficacité de cette approche dépend du calcul soigneux des positions de placement optimales et des quantités de matériel.

Dans le shimming passif de petits morceaux de tôle ou de granulés ferromagnétiques sont fixés à différents endroits dans l'alésage du scanner. Ces matériaux deviennent magnétisés par le champ magnétique principal fort, et leurs moments magnétiques induits génèrent des champs secondaires qui contrebalancent les inhomogènes du champ original.

Les pièces de fer sont magnétisées passivement en raison du champ magnétique fort et les pièces de fer magnétisées ont des moments magnétiques (MMs) qui génèrent un champ magnétique pour corriger les champs d'erreur. Cette réponse passive élimine le besoin d'alimentations externes ou de systèmes de contrôle pour les matériaux de gréement eux-mêmes.

Matériaux utilisés dans le shimming passif

La sélection de matériaux appropriés pour le shimming passif est essentielle pour obtenir des résultats optimaux. Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer et l'acier sont le plus souvent utilisés en raison de leur forte réponse magnétique.

Dans les applications pratiques, on utilise diverses configurations de pièces de fer. Dans la procédure expérimentale, on utilise diverses pièces de fer d'une épaisseur minimale de 1 mm dans le système PS. Les dimensions de la pièce de fer sont de 40 mm × 50 mm, avec une épaisseur maximale de 12 mm. Ces dimensions standardisées permettent des calculs systématiques de placement et d'optimisation.

L'arrangement physique comprend généralement des structures de montage conçues pour tenir les matériaux de shim. L'implémentation de shim consiste à monter 24 plateaux de shim le long de la circonférence de l'alésage magnétique chaud, chaque plateau de shim contenant 24 poches de shim. Cette configuration fournit de nombreux endroits discrets où les matériaux de shim peuvent être positionnés pour créer les corrections de champ souhaitées.

Avantages et limites du shimming passif

Une bonne homogénéité statique du champ magnétique principal peut être obtenue par une shimming passive. Lorsqu'elle est correctement mise en œuvre, le shimming passif peut apporter des améliorations substantielles à l'uniformité du champ, en particulier pour corriger les erreurs statiques de champ qui restent constantes au fil du temps.

Cependant, le shim passif présente également plusieurs limites importantes qui doivent être prises en compte. Un inconvénient de cette technique est que le matériau de shim est sensible à la température et que lorsque les chaleurs de forage (comme c'est généralement le cas avec des séquences à forte intensité de gradient), des changements de champ peuvent se produire.

La mise en œuvre de shims passifs ne doit donc se faire que si l'on sait que leur bon fonctionnement dépend de conditions de température stables.

Une autre contrainte importante est liée à la nature statique des solutions de shimming passif. Une limitation encore plus importante de shimming passif réside dans le fait qu'il s'agit d'une solution statique créée pour un aimant vide. Lorsqu'un patient est placé dans le scanner, des distorsions de champ supplémentaires résultent des effets de susceptibilité diamagnétique. Chaque patient crée donc un modèle unique d'inhomogénéité qui ne peut être corrigé que par un processus dynamique.

En raison de l'exigence selon laquelle les matériaux nécessaires doivent être physiquement placés dans l'unité pendant le processus de shimming, la pratique clinique a généralement exclu cette méthode d'être utilisée au patient par patient. Au lieu de cela, son utilisation principale a été l'élimination des sources matérielles et environnementales d'imperfection sur le terrain.

Méthodes avancées d'optimisation du shimming passif

Les recherches récentes ont porté sur le développement d'algorithmes d'optimisation plus sophistiqués pour le shimming passif. Le champ magnétique s'est amélioré de 462 ppm à 6,7 ppm, utilisant seulement 0,8 kg de fer dans un diamètre de 400 mm de volume sphérique (DSV) d'un aimant IRM 7T. Par rapport aux techniques d'optimisation LP traditionnelles, cette méthode a notamment amélioré l'uniformité du champ magnétique de 98,5% et réduit le poids requis en fer de 91,7%, montrant des performances impressionnantes.

Ces méthodes avancées utilisent des algorithmes d'optimisation hybrides qui équilibrent simultanément plusieurs objectifs.Cette étude propose un nouvel algorithme d'optimisation hybride combinant l'algorithme de recherche de motifs et la programmation quadratique séquentiel (PSA-SQP). De telles approches peuvent atteindre une uniformité de champ supérieure tout en minimisant la quantité de matériel ferromagnétique nécessaire, réduisant à la fois les coûts de matériel et les forces magnétiques supplémentaires sur la structure magnétique.

Pour résoudre ces problèmes, cet article propose une méthode de shimming dynamique basée sur le champ magnétique cible (DTMF) pour les systèmes d'IRM permanents à aimants. En ajustant dynamiquement les valeurs du champ magnétique cible, cette méthode permet de relâcher les contraintes de faisabilité et d'améliorer l'efficacité de l'obtention de solutions viables dans l'espace de solution. Cette approche offre une plus grande flexibilité pour trouver des solutions de shimming optimales, en particulier sous des exigences d'homogénéité strictes.

Systèmes actifs de shimming : Correction dynamique du champ

Le shimming actif fournit une approche complémentaire du shimming passif en utilisant des bobines électromagnétiques pour générer des champs magnétiques correctifs. Inversement, le shimming actif utilise des courants dirigés par des bobines spécialisées pour générer un champ magnétique « correctif ».

Types de bobines de shim actif

Les systèmes de shimming actifs peuvent être mis en œuvre à l'aide de différentes technologies de bobines, chacune ayant des caractéristiques et des applications distinctes.Les bobines de shim actives peuvent être : 1) supraconductrices, situées dans le cryostat liquide contenant de l'hélium; ou 2) résistives, montées sur la même structure de support que les bobines de gradient à l'intérieur des parois intérieures à température ambiante du scanner.

Coils de shim supraconducteurs

Les bobines de shim supraconducteurs sont fréquemment rencontrées dans des aimants avec des champs de 3T ou plus. À l'exception de GE Healthcare, cependant, peu de fabricants les ont utilisées dans des scanners de faible résistance au champ.

Lorsque présent, les bobines de shim supraconducteur (5-20 en nombre) sont intégrées dans le cryostat juste au-delà des bobinages principaux et peuvent corriger pour plusieurs ordres d'inhomogénéité. Chaque bobine peut être alimentée individuellement pendant le processus de shimming et dispose d'un interrupteur lui permettant d'être placée en mode supraconducteur persistant une fois que la correction de champ souhaitée a été obtenue.

Contrairement aux shims résistifs, le courant des shims supraconducteurs et des champs magnétiques qu'ils génèrent ne peut être facilement modifié une fois réglé. Cette caractéristique rend les shims supraconducteurs adaptés pour corriger les erreurs de champ statiques mais limite leur flexibilité pour les ajustements spécifiques au patient.

Coils en chim résistifs

Le shimming résistif repose sur le passage du courant par des bobines situées près de l'alésage intérieur à température ambiante du scanner. Ces bobines fournissent la capacité d'ajustement dynamique essentielle pour les applications cliniques modernes de l'IRM.

Il s'agit d'une série d'enroulements individuels ou de motifs conducteurs gravés en feuilles de cuivre et formés sur une surface cylindrique. Habituellement, ils occupent l'espace entre les bobines de gradient primaire et secondaire utilisées pour l'imagerie et peuvent être fabriqués avec les gradients en une seule unité.

Au moins 5 bobines séparées sont habituellement utilisées pour obtenir un second shimming de commande; encore plus sont nécessaires pour des ordres plus élevés de correction de champ. Le nombre de canaux de shim indépendants détermine la complexité des modèles de champ qui peuvent être corrigés.

Sciage harmonique sphérique

Dans l'arrangement classique de la bobine de shim, une bobine est conçue pour corriger chaque harmonique sphérique. Ce cadre mathématique fournit une approche systématique pour caractériser et corriger les inhomogénéités de champ de différents modèles spatiaux.

Les bobines axiales (généralement en forme de cercle) corrigent les harmoniques dans la direction z (Z, Z2, Z3, etc.). Les bobines transversales (souvent en forme de selle) corrigent les harmoniques plus complexes (XY, YZ, X2-Y2, ZXY, etc.). Chaque géométrie de la bobine est optimisée pour générer un motif de champ spatial spécifique correspondant à un terme harmonique sphérique particulier.

Les conceptions modernes de bobines de shim ont évolué pour améliorer l'efficacité. Cette disposition n'est pas optimale dans le fait que les bobinages voisins portent souvent des courants de courant opposés. Les conceptions de bobines de shim de matrice plus récente prennent en compte et sont plus efficaces pour réduire le nombre d'enroulements nécessaires.

Déviation de la partie inférieure de la couche de graduation

Une approche efficace du shimage de premier ordre utilise les bobines de gradient existantes pour des buts doubles. le shimming offset de gradients de gradients de shimmings porteurs d'un petit courant (appelé le biais offset), calculé pour réduire les inhomogénéités linéaires résiduelles dans le champ magnétique principal. Cette méthode est utilisée dans pratiquement tous les scanners.

Bien que de nombreux ordres spatiaux soient pris en compte lors de la réalisation d'une usine ou d'un site pour corriger l'inhomogénéité de la construction d'aimants et de son environnement, les ordres pris en considération dans de nombreux scans cliniques aujourd'hui sont limités à N=1, ce qui, comme le montre la figure 1, se traduit par une variation linéaire en X, Y et Z. Cette variation linéaire de Bz sur chacun des axes cartésiens peut clairement être générée par l'application d'un courant aux bobines de gradient, que toutes les unités d'IRM possèdent par défaut pour l'encodage spatial.

Cependant, pour compenser toute distorsion plus élevée de la B0 qui peut varier d'un patient à l'autre en raison des arrangements spatiaux de susceptibilité magnétique tissulaire, il faudra du matériel supplémentaire, ce qui a conduit au développement de systèmes de shim de haut niveau pour des applications avancées.

Avantages du shimming actif

Le grand avantage des cales résistives sur les cales passives et supraconductrices est que les courants à travers les cales résistives peuvent être changés dynamiquement. Cela permet de réaliser des cales patient par patient. Cette flexibilité est essentielle pour tenir compte des distorsions de champ uniques créées par différentes structures anatomiques et positionnement patient.

Au cours de la phase préparatoire avant le début de la numérisation MR, le shimming automatisé rapide est maintenant effectué régulièrement sur de nombreux scanners. Cette automatisation a rendu le shimming de haute qualité accessible pour les flux de travail cliniques courants sans nécessiter une intervention manuelle étendue.

Il faut des techniques automatisées et manuelles pour effectuer des opérations de spectroscopie et de suppression des graisses spectrales, qui exigent une homogénéité de champ particulièrement stricte, exigeant souvent des procédures d'optimisation itératives.

Techniques avancées de shimming actif

Au-delà du shimming volumétrique standard, plusieurs approches de shimming actif avancées ont été développées pour des applications spécifiques, notamment le shimming dynamique, le shimming local et les méthodes d'acquisition.

Méthodes locales de sciage

De ces techniques supplémentaires, le shimming local est le plus couramment utilisé, en particulier pour l'imagerie des nourrissons, des petites parties (mains et pieds) et des structures qui changent rapidement de forme (face et cou). La méthode habituelle est de ranger des sacs salins autour de l'objet d'intérêt, améliorant la géométrie et réduisant les distorsions de susceptibilité avant le shimming.

Sciage dynamique à base de tranches

Les travaux précédents ont montré que le shim à base de tranches peut augmenter significativement la performance de shimming par rapport au shim volumétrique. Cette approche optimise les courants de shim indépendamment pour chaque tranche d'imagerie, permettant une meilleure correction des inhomogénéités de champ variant spatialement.

Pour le shimming dynamique optimisé par tranche, les impulsions TTL fournies par le scanner déclenchent le microcontrôleur pour envoyer les commandes de bus SPL aux cartes d'amplificateurs avant le début de chaque TR. Cette capacité de mise à jour en temps réel permet une optimisation précise du champ tout au long du volume d'imagerie.

Approches hybrides de shimming: combiner les méthodes passives et actives

Les stratégies de shimisation les plus efficaces combinent souvent des techniques passives et actives pour tirer parti des forces de chaque approche. Grâce à une combinaison de techniques passives et actives de shim, ainsi que des progrès technologiques utilisant des techniques multi-coils, une conception optimale de bobines, un suivi des mouvements et des modifications en temps réel, on a amélioré l'homogénéité des champs et la qualité de l'image dans l'IRM/MRS.

Rôles complémentaires de l'encrassement passif et actif

Un PS localisé est utilisé d'abord pour étendre les FOV utilisables dans les sous-régions de l'alésage en grimpant le champ B0 de fond jusqu'à un ordre spatial élevé, en négligeant toute détérioration concomitante de l'homogénéité qui se produira en dehors de ces sous-régions car elles ne sont pas d'intérêt pour cette application. Le AS est ensuite utilisé pour homogénéiser les fréquences centrales de deux régions qui peuvent être déplacées différemment après avoir optimisé PS dans deux domaines. De plus, AS traitera des inhomogènes résiduelles du champ et des inhomogènes spécifiques au champ.

Le shim passif se concentre davantage sur l'amélioration locale des inhomogénéités de champ à haut ordre qui sont une propriété intrinsèque du type scanner et généralement pas affectées par le shimage passif du fabricant, tandis que le shim actif se concentre principalement sur les termes résiduels à faible ordre et les effets de susceptibilité magnétique.Cette division des responsabilités permet à chaque technique de corriger les erreurs de champ qu'elle peut corriger le plus efficacement.

Le shim passif a généré des champs de shim très forts et éliminé les pires distorsions de champ, après quoi le champ a été optimisé par le shim actif flexible et très précis. Cette approche séquentielle maximise la performance globale de shimming réalisable avec le matériel disponible.

Applications du shimming hybride

Les approches hybrides de shimming sont particulièrement utiles pour des applications difficiles comme l'imagerie à deux régions. Cependant, elles ne parviennent souvent pas à la pointe de la technologie lorsqu'elles simulent deux ROI isolés simultanément, même si le shimming à deux zones peut être essentiel dans des scénarios de scan, comme les seins bilatéraux ou les cerveaux dyades.

L'intégration de shims passifs et actifs profite également aux systèmes d'IRM à champ élevé où les inhomogénéités de champ sont plus sévères. Les aimants supraconducteurs utilisent souvent des bobines de shim supraconducteurs actives qui ne doivent être réglées qu'une seule fois pendant l'installation. Ces bobines sont utilisées pour améliorer l'homogénéité B0 de façon à dépendre moins de shim passifs en fer, dont la réponse, comme indiqué précédemment, est sensible à la température et peut conduire à l'instabilité.

Étapes pratiques de mise en œuvre du shimming

La mise en oeuvre d'un système de shimming efficace exige une approche systématique qui englobe la mesure, l'analyse, l'optimisation et la vérification sur le terrain.

Cartographie et mesure initiales sur le terrain

Le processus de shimming commence par la caractérisation précise de la distribution du champ magnétique existant.Des techniques de cartographie de terrain spécialisées sont utilisées pour mesurer le profil de champ tridimensionnel dans toute la région d'intérêt. Ces mesures fournissent les données de base nécessaires pour calculer les corrections optimales de shim.

La cartographie sur le terrain peut être effectuée à l'aide de diverses méthodes, notamment des mesures par sonde RMN pour l'échantillonnage point par point sur le terrain ou des techniques de cartographie sur le terrain basées sur l'IRM qui permettent une caractérisation rapide du champ volumétrique.

Pour les systèmes d'IRM, les séquences de cartographie automatique de terrain sont devenues des outils standard. Sur la plupart des scanners commerciaux, les routines de shimming sont facilement disponibles et sont généralement effectuées en générant une carte de champ B0. Ces séquences acquièrent des images à plusieurs temps d'écho pour calculer la distribution de champ en fonction de l'évolution de phase.

Analyse et décomposition des champs

Une fois les mesures sur le terrain obtenues, les données doivent être analysées pour identifier les modèles spatiaux spécifiques d'inhomogénie présents. La décomposition harmonique sphérique fournit un cadre mathématique puissant pour cette analyse, exprimant la distribution sur le terrain comme une somme de fonctions de base avec des modèles spatiaux connus.

Cette décomposition révèle quels ordres et types d'erreurs de champ sont présents et leur magnitude relative. Les termes de l'ordre inférieur (premier et deuxième ordre) représentent généralement des variations de champ progressives dans le volume d'imagerie, tandis que les termes de l'ordre supérieur correspondent à des modèles spatiaux plus complexes.

L'analyse harmonique sphérique permet également de déterminer si les erreurs de champ se situent dans la plage de correction du matériel de shimage disponible. Si certains termes de haute-commande dépassent les capacités du système de shim, d'autres approches, comme l'imagerie restreinte en champ de vision ou le matériel de shimage spécialisé, peuvent être nécessaires.

Optimisation des paramètres de shim

Avec le champ caractérisé et décomposé, les algorithmes d'optimisation calculent les courants de shim ou les placements passifs de shim qui corrigeront au mieux les inhomogénéités mesurées. Pour le shimming actif, cela implique généralement la résolution d'un système linéaire d'équations qui relient les courants de shim à leurs effets de champ.

Différents objectifs d'optimisation peuvent être utilisés selon les exigences de l'application. Les approches communes comprennent la réduction de l'écart type du champ sur la région d'intérêt, la réduction de la variation de champ de pointe à pointe ou l'optimisation de mesures spécifiques pertinentes pour des séquences d'impulsion particulières telles que la largeur de ligne spectrale pour les applications MRS.

Pour le shimming passif, l'optimisation devient plus complexe car elle implique la détermination de placements discrets de matériaux de shimming. Le travail de shimming rend l'homogénéité de plusieurs centaines de ppm à la valeur conçue qui est de l'ordre de 10 ppm par rapport à FOV. Des algorithmes d'optimisation avancés sont nécessaires pour trouver des solutions qui atteignent la qualité de champ cible tout en minimisant l'utilisation matérielle et les contraintes pratiques.

Mise en œuvre et vérification

Après avoir calculé les réglages optimaux de shim, ils doivent être mis en œuvre dans le système. Pour le shimming actif, cela implique la mise à jour des courants dans les bobines de shim à travers le logiciel de contrôle du scanner.

Pour le shimming passif, le placement physique des matériaux de shimming doit être effectué avec soin en fonction des positions et quantités calculées. Avec cette méthode, les travaux de shimming sont généralement effectués en une journée. Cette efficacité est importante pour minimiser les temps d'arrêt du système pendant les procédures d'installation ou de maintenance.

Les mesures de vérification doivent être effectuées après la mise en œuvre de corrections de shim pour confirmer que l'amélioration souhaitée sur le terrain a été réalisée, ce qui peut impliquer la répétition de mesures de cartographie sur le terrain et la comparaison des résultats avec les spécifications cibles.

Procédures de shimming spécifiques au patient

Cependant, les sujets IRM introduitnt également leurs propres inhomogènes dans le champ magnétique, car les tissus ont une sensibilité magnétique différente à celle de l'air. Ces perturbations de champ induites par l'échantillon peuvent être partiellement éliminées par les shims actifs.

Pour maximiser l'homogénéité B0, il faut utiliser une procédure appelée « sorbage » au début de chaque acquisition. Le sorbage est essentiel pour les études MRS afin d'obtenir des signaux étroits. Les routines automatisées de sorbage intégrées dans les protocoles cliniques garantissent que cette optimisation se produit de façon constante sans intervention manuelle.

Le flux de travail de shimming spécifique au patient comprend généralement le positionnement du patient, l'acquisition d'une carte de champ rapide sur l'anatomie d'intérêt, le calcul des courants de shim optimaux basés sur le champ mesuré, et la mise à jour des paramètres de shim avant le début des séquences d'imagerie diagnostique.

Exigences de shimming pour des applications spécifiques

Différentes applications d'IRM imposent des exigences variables sur l'homogénéité du champ magnétique, nécessitant des approches de shimming sur mesure. La compréhension de ces besoins spécifiques à l'application est essentielle pour mettre en œuvre des stratégies de shimming appropriées.

Techniques de répression des graisses et de l'eau

Les techniques de suppression des graisses spectrales reposent sur la différence de déplacement chimique entre les protons de graisse et d'eau pour exciter ou saturer sélectivement une espèce tout en préservant le signal de l'autre. Pour une suppression optimale des graisses ou de l'eau, l'homogénéité devrait être supérieure à 3,4 ppm (différence de fréquence eau et de graisse) sur le volume d'intérêt.

Cette exigence stricte se produit parce que le déplacement chimique entre les graisses et l'eau n'est que de 3,5 ppm aux concentrations typiques du champ. Si l'inhomogénéité sur le terrain approche ou dépasse cette valeur, les fréquences de résonance des graisses et de l'eau se chevaucheront dans certaines régions, empêchant ainsi une séparation spectrale efficace.

Le champ magnétique principal B0 est généré par un aimant, qui est généralement chimulé pour créer un volume d'imagerie approximativement homogène d'environ une partie par million (ppm) de pic à pic pour la suppression acceptable des graisses dans les applications cliniques.

Spectroscopie de résonance magnétique

Les applications de SRM exigent les plus hauts niveaux d'homogénéité sur le terrain parmi les techniques d'IRM clinique. La capacité de résoudre et de quantifier les pics de métabolites individuels dépend de façon critique de la réalisation de la largeur de ligne spectrale étroite, qui exige à son tour une uniformité de champ exceptionnelle sur le voxel de spectroscopie.

Les protocoles MRS typiques exigent une homogénéité de champ supérieure à 0,1 ppm par rapport au voxel d'intérêt pour obtenir une résolution spectrale acceptable. Cela nécessite souvent des capacités de shimming de plus haut ordre au-delà des corrections de premier ordre utilisées pour l'imagerie de routine.

Le processus de shimming pour le SRM implique généralement une optimisation itérative, où les paramètres de shim initial sont affinés en fonction de la largeur de la ligne spectrale mesurée ou de la qualité de la carte de champ.

Imagerie Echo Planar et IRM fonctionnelle

Les séquences d'imagerie plane Echo, largement utilisées pour l'imagerie pondérée par diffusion et l'IRM fonctionnelle, sont particulièrement sensibles aux inhomogénéités sur le terrain en raison de leur longue durée de lecture et de leurs exigences élevées en codage spatial.

En plus de la structure anatomique propre aux participants, les champs locaux sont les plus graves et présentent des défis critiques dans les domaines où la différence de sensibilité est élevée, comme les régions proches des interfaces tissulaire et aérienne, entraînant une perte de signal et des distorsions géométriques.

Des techniques de shimisation avancées, y compris des shims à ordre supérieur et des shims à tranche par tranche, ont été développées spécifiquement pour relever ces défis dans les applications EPI. Certains systèmes utilisent également la surveillance et la correction sur le terrain en temps réel pour compenser les changements dynamiques sur le terrain pendant l'acquisition.

Systèmes d'IRM à champ élevé

Les systèmes d'IRM se déplaçant vers des forces de champ supérieures (3T, 7T et au-delà), les défis de la taille deviennent plus graves. Les forces d'aimants plus élevées pour les unités d'imagerie par résonance magnétique (IRM) deviennent plus courantes, tant pour les systèmes d'imagerie animale que pour les systèmes in vivo du corps entier, les distorsions de champ magnétique dues à des distributions inhomogènes de sensibilité magnétique et d'interfaces air-tissus deviendront plus intenses.

Dans les champs supérieurs, les variations de champ induites par la susceptibilité s'échellent linéairement avec la force du champ, ce qui rend les inhomogènes jusque-là mineures deviennent des problèmes importants, ce qui nécessite un matériel de shim plus sophistiqué, avec des capacités de correction de plus grande ordre et une plus grande portée dynamique.

Technologies émergentes et orientations futures

Le champ de la hiclage des champs magnétiques continue d'évoluer avec l'élaboration de nouvelles technologies et approches pour traiter les applications de plus en plus exigeantes et les scénarios d'imagerie difficiles.

Arrays à feuilles multiples

Les bobines traditionnelles de shim harmoniques sphériques sont complétées ou remplacées par des matrices multi-coules qui offrent une plus grande flexibilité dans la production de motifs de champ arbitraires. Ces matrices sont composées de nombreuses petites bobines réparties autour du volume d'imagerie, chacune contrôlée de façon indépendante pour créer des corrections de champ localisées.

Le shimming simultané et l'encodage d'images peuvent être réalisés en utilisant un tableau multi-coil, ce qui permet également le développement de nouvelles méthodes d'encodage utilisant un contrôle de champ magnétique avancé.

Les réseaux multi-coules peuvent fournir des performances de shimming supérieures à celles des bobines harmoniques sphériques traditionnelles, en particulier pour corriger les distorsions localisées du champ qui ne peuvent pas être bien représentées par des harmoniques sphériques de faible ordre. Le nombre accru de degrés de liberté permet une sculpture de champ plus précise adaptée aux régions anatomiques spécifiques et aux besoins d'imagerie.

Pièces de rechange intégrées RF et Shim

L'intégration des bobines RF et shim apporte une grande efficacité de shim grâce à la proximité des participants. Cette technique sera potentiellement appliquée aux bobines RF à haute densité avec un tableau de shim à haute densité pour une homogénéité B0 améliorée. La combinaison de ces fonctions dans un seul élément matériel optimise l'utilisation de l'espace et rapproche les éléments de shimming du sujet pour une efficacité accrue.

Les conceptions intégrées permettent également d'optimiser de façon coordonnée la transmission RF, la réception des signaux et le chargement sur le terrain, ce qui pourrait améliorer la performance globale du système.

Surveillance et correction en temps réel

La surveillance sur le terrain permet de capturer et de compenser en temps réel la perturbation dynamique du champ au-delà de l'inhomogénéité statique du fond. Cette capacité traite des variations de champ qui surviennent pendant la séance d'imagerie en raison de facteurs tels que le réchauffement par gradient, le mouvement du patient ou les processus physiologiques.

Les systèmes de surveillance en temps réel utilisent des sondes de champ RMN positionnées autour du volume d'imagerie pour mesurer en continu le champ magnétique pendant l'acquisition. Ces mesures peuvent être utilisées pour mettre à jour dynamiquement les courants de shim ou pour corriger les données acquises en post-traitement.

L'intégration de la surveillance sur le terrain à des algorithmes de reconstruction avancés permet de corriger les artefacts sur le terrain de façon prospective et rétrospective, améliorant ainsi la robustesse et la qualité de l'image dans un large éventail d'applications et de conditions d'exploitation.

Approches d'apprentissage automatique pour le shimming

L'intelligence artificielle et les techniques d'apprentissage automatique commencent à être appliquées à l'optimisation de la taille.Ces approches peuvent apprendre des stratégies optimales de la taille de grandes séries de données de cartes de terrain et de paramètres de la taille de la taille, permettant d'identifier des modèles et des relations qui ne sont pas apparents par les méthodes d'analyse traditionnelles.

Les modèles d'apprentissage automatique peuvent également prédire des paramètres optimaux de shim basés sur l'anatomie du patient visible dans les images de localisation, éliminant ou réduisant potentiellement le besoin de procédures de cartographie de terrain longues.

Des approches d'apprentissage approfondi sont également étudiées pour la prévision et la correction en temps réel sur le terrain, ce qui permet des stratégies de shimming dynamiques plus sophistiquées qui s'adaptent aux conditions changeantes tout au long de la séance d'imagerie.

Dépannage des défis communs de l'encrassement

Même si les procédures de chimisation sont mises en œuvre correctement, elles peuvent relever divers défis qui exigent des approches systématiques de dépannage à résoudre.

Performances de shimming insuffisantes

Lorsque le shimming ne parvient pas à atteindre l'homogénéité du champ cible, plusieurs causes potentielles doivent être étudiées. Les limites matérielles peuvent empêcher la correction d'erreurs de champ de grande ordre qui dépassent les capacités du système de shim disponible. Dans de tels cas, d'autres approches telles que l'imagerie restreinte du champ de vision, des bobines locales spécialisées de shim ou l'augmentation passive du shim peuvent être nécessaires.

Il est essentiel de pouvoir effectuer un étalonnage approprié des séquences de cartographie de terrain et un rapport signal-bruit adéquat dans les acquisitions de cartes de terrain. Le mouvement pendant la cartographie de terrain peut introduire des erreurs qui se propagent à travers des calculs de shim incorrects.

L'optimisation des échecs des algorithmes ou la convergence suboptimale peuvent empêcher de trouver la meilleure solution de shim. Régler les paramètres d'optimisation, essayer différents algorithmes ou affiner manuellement les paramètres de shim peut aider à obtenir de meilleurs résultats dans les cas difficiles.

Drift sur le terrain et instabilité

Les variations temporelles du champ peuvent dégrader les performances de la hiclation au fil du temps. Les variations de température dans l'environnement magnétique, particulièrement en ce qui concerne les matériaux de hic passifs, représentent une source commune de dérive sur le terrain.

Le chauffage progressif au cours de séquences d'imagerie intensive peut également provoquer des changements de champ. Les systèmes modernes utilisent des systèmes de refroidissement par gradient et peuvent mettre en œuvre une correction dynamique du champ pour compenser ces effets.

La surveillance et le maintien réguliers des niveaux de cryogène, ainsi que le remaniement périodique, au besoin, contribuent à maintenir une qualité optimale du champ.

Défis spécifiques à l'anatomie

Certaines régions anatomiques présentent des difficultés particulières de sciage dues à des distributions de sensibilité complexes. La région de la tête et du cou, avec des sinus remplis d'air et la cavité buccale, crée de graves distorsions locales qui peuvent être difficiles à corriger avec des approches de sciage global.

La région tête/cou est particulièrement critique en ce qui concerne les inhomogènes de champ magnétique. La forme du corps humain – la courbure du cou postérieur, la région du menton, l'extension latérale des épaules et les changements de sensibilité dus à la trachée et à l'oesophage – induit des variations significatives de champ qui nécessitent des stratégies de scission spécialisées.

Les techniques de shimage locales, les capacités de shim de plus haut ordre et l'optimisation du positionnement des patients peuvent aider à relever ces défis. Dans certains cas, l'utilisation de matériaux rembourrés ou assortis de sensibilité pour remplir les espaces d'air peut réduire les distorsions de champ et améliorer l'efficacité de shimage.

Assurance de la qualité et surveillance du rendement

Le maintien d'un rendement optimal de l'imagerie de base exige des procédures d'assurance de la qualité et une surveillance continue du rendement pour détecter la dégradation ou les problèmes avant qu'ils n'aient une incidence significative sur l'imagerie clinique.

Évaluation régulière des performances en matière de shimming

L'évaluation périodique des performances du système de shimming devrait être intégrée aux protocoles d'assurance de la qualité de routine, notamment la mesure de l'homogénéité des champs dans les fantômes standards dans des conditions contrôlées pour établir les performances de base et détecter toute dégradation au fil du temps.

Les mesures automatisées de la performance de la shimming peuvent être suivies à travers les examens des patients pour identifier les tendances ou les changements soudains qui pourraient indiquer des problèmes matériels ou une dérive d'étalonnage.

La documentation des paramètres de shim et des mesures de qualité sur le terrain crée un dossier historique qui peut être utile pour résoudre les problèmes et optimiser les protocoles.

Procédures d'étalonnage et d'entretien

L'étalonnage régulier du matériel de shimming assure une performance précise et reproductible, notamment la vérification des étalonnages du courant de bobine de shim, la vérification de la précision de la sonde de terrain pour les systèmes ayant des capacités de surveillance sur le terrain et la validation des performances de la séquence de cartographie de terrain.

Les aimants auront plusieurs bobines de cryoshim avec des enroulements de différents modèles à l'intérieur du cryostat ou une série de tiges de fer placées autour de la température ambiante alésage de l'aimant pour équilibrer les imperfections dans le champ. Généralement, les courants de cryoshim ou les cales de fer passives doivent être ajustés seulement sur l'installation et peuvent ensuite être laissés à moins que l'environnement magnétique change, par exemple, par le travail de construction.

Cependant, des changements importants dans l'environnement magnétique, comme l'installation de nouveaux équipements près du scanner ou des modifications structurelles du bâtiment, peuvent nécessiter un remaniement.

L'entretien préventif du matériel de shimming, y compris l'inspection des connexions électriques, la vérification des performances de l'alimentation électrique et la vérification des problèmes mécaniques avec les emplacements passifs de shim, aide à prévenir les défaillances inattendues et maintient une performance optimale.

Shimming dans les applications spécialisées de l'IRM

Au-delà de l'imagerie clinique classique, diverses applications d'IRM spécialisées présentent des exigences et des défis uniques qui ont motivé le développement d'approches adaptées.

IRM interventionnelle et intraopératoire

Les procédures d'IRM interventionnelles comprennent la présence d'instruments chirurgicaux, d'équipement de surveillance et d'autres objets métalliques dans le scanner percés pendant l'imagerie.

Les approches dynamiques de shimming qui peuvent être mises à jour pendant la procédure à mesure que les instruments sont déplacés ou repositionnés sont essentielles pour maintenir la qualité de l'image.

Une sélection minutieuse d'instruments et d'équipements compatibles avec l'IRM avec une sensibilité magnétique minimale permet de réduire l'ampleur des distorsions de champ qui doivent être corrigées.

Imagerie cardiaque et abdominale

L'imagerie cardiaque et abdominale présente des défis de shimming en raison du mouvement respiratoire, qui modifie continuellement la distribution de la susceptibilité à mesure que les poumons se remplissent et se vident.

Pour les acquisitions de respiration libre, il peut être nécessaire de calculer la moyenne sur le cycle respiratoire ou d'utiliser des séquences d'impulsions mouvement-robuste.

Le mouvement cardiaque crée également des variations temporelles de champ, bien que généralement de plus petite ampleur que les effets respiratoires. Des approches avancées de shimming qui expliquent les mouvements respiratoires et cardiaques sont en cours de développement pour des applications exigeantes comme le SRM cardiaque.

Systèmes d'IRM portatifs et à faible champ

Le champ émergent des systèmes d'IRM portables et à faible champ présente des défis et des possibilités uniques. Ces systèmes utilisent souvent des aimants permanents ou des électroaimants compacts qui peuvent avoir moins d'homogénéité de champ inhérente que les grands aimants supraconducteurs.

Le shimming passif joue un rôle particulièrement important dans ces systèmes, car le coût et la complexité d'un matériel de shimming actif étendu peuvent être prohibitifs. Les algorithmes d'optimisation avancés qui réduisent au minimum la quantité de matériel de shimming requis tout en obtenant une qualité de champ acceptable sont essentiels pour les implémentations pratiques.

Les forces de champ inférieures utilisées dans ces systèmes réduisent l'ampleur absolue des distorsions de champ induites par la susceptibilité, ce qui pourrait simplifier les exigences de la shimming à certains égards.

Meilleures pratiques pour la mise en œuvre de la Shimming

La mise en oeuvre réussie de la stratégie de contrôle exige de nombreuses précisions pratiques et le respect des pratiques exemplaires établies, qui ont été élaborées grâce à une vaste expérience dans diverses applications.

Positionnement et préparation des patients

Le positionnement approprié du patient a des répercussions importantes sur l'efficacité de la scission. Le fait de centrer l'anatomie d'intérêt dans l'alésage du scanner et le volume de scission garantit que la région nécessitant une homogénéité optimale du champ reçoit la meilleure correction.

La réduction des interfaces air-tissus près de la région d'imagerie par rembourrage ou positionnement approprié peut réduire les distorsions de champ induites par la susceptibilité.

En éliminant des objets métalliques inutiles tels que des bijoux, des appareils auditifs et des travaux dentaires amovibles, on élimine les sources de distorsion du champ.

Optimisation du protocole

Les protocoles d'imagerie devraient être conçus en tenant compte des considérations de taille. La sélection de tailles de champ de vision appropriées qui correspondent aux capacités de volume de la taille de la taille de champ garantit une homogénéité optimale du champ sur la région imaged.

Pour les applications nécessitant une homogénéité de champ exceptionnelle, comme l'imagerie MRS ou haute résolution, allouer suffisamment de temps pour l'optimisation itérative de la shimming améliore les résultats. Les routines automatisées de shimming peuvent devoir être complétées par des ajustements manuels pour obtenir une performance optimale dans les cas difficiles.

La sélection des paramètres de séquence devrait tenir compte des limites d'homogénéité des champs. En utilisant des temps d'écho plus courts, des paramètres de bande passante appropriés et des séquences d'impulsions de champ-inhomogène-robuste peuvent améliorer la qualité de l'image lorsque le shimming parfait n'est pas réalisable.

Documentation et partage des connaissances

La tenue de documents détaillés sur les procédures, les paramètres et les performances de la fabrication de pièces de rechange aide à développer les connaissances institutionnelles et facilite le dépannage.

La formation régulière sur les principes et les techniques de la cime assure que tous les membres du personnel comprennent l'importance de la cime et peuvent reconnaître et résoudre les problèmes.

La collaboration avec les fabricants d'équipement et la participation aux communautés d'utilisateurs permettent d'accéder aux dernières technologies de gréement et aux stratégies d'optimisation.

Considérations économiques et pratiques

La sélection et la mise en oeuvre des systèmes de shimming supposent d'équilibrer les exigences de performance par rapport aux contraintes pratiques, y compris les coûts, la complexité et les considérations opérationnelles.

Analyse coûts-avantages des technologies de shimming

Les capacités de shimming à commande plus élevée et les technologies de shimming avancées offrent une meilleure performance, mais à un coût accru pour le matériel, l'installation et la maintenance.

Pour les installations axées sur l'imagerie clinique de routine, le shimming standard de premier et deuxième ordre peut être adéquat pour la plupart des applications. Les établissements de recherche ou les centres spécialisés qui effectuent des applications exigeantes comme le SRM, l'imagerie à haut champ ou l'IRM fonctionnelle peuvent bénéficier de capacités de shimming avancées.

Il faut également tenir compte du coût de la mauvaise tenue des examens, de la capacité de diagnostic limitée et de la réduction du débit des patients.

Efficacité opérationnelle

Les procédures automatisées de shimming qui nécessitent une intervention minimale de l'opérateur améliorent l'efficacité du workflow et réduisent les temps d'examen.

La formation du personnel pour reconnaître les avantages d'une intervention manuelle et la façon d'effectuer un shimming manuel efficace optimise l'équilibre entre l'automatisation et le contrôle par des experts.

Les besoins en matière de maintenance du matériel de chargement devraient être pris en compte dans la planification opérationnelle. Les systèmes nécessitant un étalonnage ou un ajustement fréquent peuvent avoir des coûts opérationnels permanents plus élevés que les implémentations plus stables.

Conclusion

La mise en oeuvre de techniques de shimming efficaces est essentielle pour assurer une uniformité optimale des champs magnétiques dans les systèmes d'IRM et dans d'autres applications de résonance magnétique. Ces progrès peuvent permettre de mieux utiliser les performances du scanner pour améliorer les capacités de diagnostic et élargir les applications de l'IRM/MRS dans divers contextes cliniques et de recherche.

Pour réussir à réaliser la mise en oeuvre de l'IRM, il faut comprendre les principes fondamentaux, choisir les méthodes appropriées pour des applications spécifiques, suivre des procédures systématiques de mesure et d'optimisation sur le terrain et maintenir l'assurance de la qualité continue.

Les étapes pratiques décrites dans cet article fournissent un cadre complet pour la mise en œuvre de techniques de shimming dans diverses applications. En combinant la compréhension théorique avec l'expérience pratique et l'attention aux détails, l'uniformité optimale du champ magnétique peut être obtenue, permettant une imagerie et une spectroscopie de haute qualité qui soutient un diagnostic précis et des recherches avancées.

Pour plus d'informations sur les techniques d'imagerie par résonance magnétique et l'optimisation, visitez le site de la Société internationale pour la résonance magnétique en médecine. Des détails techniques sur le matériel et les méthodes de la simulation peuvent être trouvés par le biais PubMed Central. Le site Information en radiologie fournit des informations axées sur le patient sur les procédures d'IRM.