Advances in spatially encoded single-scan magnetic resonance imaging

Although Nuclear Magnetic Resonance (NMR) has been discovered more than seventy years ago, it is still thriving and alive, covering a broad spectrum of applications in science, technology and industry. One of the most ubiquitous applications of Nuclear Magnetic Resonance is an imaging technique dubbed Magnetic Resonance Imaging (MRI), which has found many applications in science, technology, and particularly in medicine. Fourier or k-encoding techniques are MRI methods based on acquiring a magnetic resonance signal as a function of the parameter “k”, a subsequent Fourier transform then will convert the signal to an image. Although nowadays Fourier techniques are prominent in MRI, there are other alternatives, among which spatial encoding, the main subject of this dissertation, should be mentioned. In spatial encoding (also known as time- or spatiotemporal-encoding), signal acquisition is performed in such a way that the signal intensity itself resembles the object. Consequently, in spatial encoding there is no need for a Fourier transform for image reconstruction.Single-scan hybrid imaging techniques that use traditional k-encoding in one direction, and spatial (time-)encoding in the other have been shown to be superior to traditional full k-encoding methods (that use k-encoding in both directions) in suppressing the effects of frequency variations (caused by inhomogeneous magnetic fields, the presence of more than one chemical shift, or any other frequency variation) and lead to images that are much less distorted than traditional single-scan imaging methods. In this dissertation the main idea behind spatial encoding magnetic resonance imaging will be introduced. Image formation and image properties in different spatial encoding sequences will also be briefly investigated.Then, the effects of diffusion on an established hybrid sequence called “Rapid Acquisition by Sequential Excitation and Refocusing, RASER” are investigated. It will be shown that in spatial encoding sequences, the attenuation of the signal due to diffusion is often not uniform across the entire object, leading to misleading contrast in the image. In order to eliminate this misleading contrast, a double-chirp RASER (DC-RASER) pulse sequence is proposed in this work. The experimental results are in accordance with our theoretical investigations about the effects of diffusion in these sequences. They also confirm that the signal attenuation due to diffusion is uniform, as expected theoretically for DC-RASER.In order to develop applications of single-scan spatial encoding MRI we show how one can enhance the contrast in the original RASER sequence. By changing the timing of the pulse sequence, we achieved a variant of RASER called Echo-Shifted RASER (ES-RASER), which provides a tunable contrast level.Finally, we show how one can improve a few aspects of the available time-encoding sequences. By rearranging positive and negative gradients we show how one can reduce the switching rate of the gradients. This is important because fast gradient switching is not always technically feasible; in addition, it may unwittingly stimulate the patient’s nervous system. By using an additional gradient we can change the detection order in the original time-encoding sequence. This leads to an identical echo-time for all echoes, and hence a uniform signal attenuation due to relaxation. Furthermore, we show how one can implement time-encoding sequences in an interleaved fashion in order to reduce signal attenuation due to diffusion.; Il y a plus de soixante-dix ans que la résonance magnétique nucléaire (RMN) a été découverte, mais elle est toujours prospère et vivante, couvrant un large éventail d'applications dans les sciences, technologies et industries. Une application omniprésente de la résonance magnétique nucléaire est une technique d'imagerie appelée imagerie par résonance magnétique (IRM), qui a trouvé beaucoup d'applications en médecine, sciences, et technologie. Les techniques de transformation de Fourier dites par ''encodage dans l’espace k'' sont des méthodes d'IRM basées sur l'acquisition d'un signal de résonance magnétique en fonction d’un paramètre "k" qui sera ensuite transformé en une image par transformation de Fourier. Aujourd'hui, les techniques de Fourier sont les plus importantes en IRM, mais il existe des alternatives parmi lesquelles ''l'encodage spatial'', qui est le sujet principal de cette thèse. Dans l’encodage spatial (également connu sous le terme d’encodage temporel ou encodage spatiotemporel), l'acquisition du signal s'effectue de telle manière que l'intensité du signal ressemble à l'objet. Par conséquent, dans l'encodage spatial, la transformation de Fourier n'est pas nécessaire pour la reconstruction de l'image.Il a été montré que les techniques d'imagerie hybride à balayage unique, qui utilisent l'encodage k traditionnel dans une direction et l'encodage spatiotemporel dans l'autre, sont supérieures aux méthodes traditionnelles qui utilisent l'encodage k dans les deux directions, notamment pour supprimer les effets de variations de fréquence (causées par des champs magnétique inhomogènes, ou par la présence de plusieurs déplacements chimiques, ou toute autre source de variations de fréquence), et conduisent à des images beaucoup moins déformées que les méthodes d'imagerie traditionnelles. Dans cette thèse, l'idée de l'imagerie par résonance magnétique par encodage spatial sera discutée. La formation de l'image et les propriétés des images résultant de différentes séquences d'encodage spatial seront brièvement étudiées.Les effets de la diffusion sur une séquence hybride établie appelée "acquisition rapide par excitation séquentielle et refocalisation" (RASER) sont étudiés. On montrera que dans les séquences d'encodage spatial, l'atténuation du signal due à la diffusion n'est souvent pas uniforme sur l’ensemble de l'objet, provoquant un contraste trompeur dans l'image. Afin d'éliminer ce faux contraste, une séquence d'impulsion comprenant deux impulsions balayées en fréquence (DC-RASER) est proposée. Les résultats expérimentaux sont conformes à nos prévisions théoriques sur les effets de la diffusion dans ces séquences. Ils confirment que l'atténuation du signal due à la diffusion est uniforme sur l’ensemble de l’objet.Afin de développer les applications de l'encodage spatial à balayage unique, nous montrons comment on peut améliorer le contraste dans la séquence originale RASER. En changeant le déroulement de la séquence d'impulsions, nous avons réalisé une variante de RASER appelée RASER avec écho décalé (ES-RASER), qui fournit un niveau de contraste réglable.Enfin, nous montrons comment on peut améliorer quelques aspects des séquences à encodage temporel disponibles. En réarrangeant les gradients positifs et négatifs, nous montrons comment on peut réduire la vitesse de la commutation des gradients. Ceci est important, car une commutation rapide des gradients n'est pas toujours techniquement possible et peut en plus stimuler involontairement le système nerveux du patient. En utilisant un gradient supplémentaire, nous avons pu modifier l'ordre de détection dans la séquence originale d’encodage temporel. Cela conduit à un temps d'écho identique pour tous les échos, et à une atténuation uniforme du signal due à la relaxation. Finalement, nous montrons comment on peut répartir l’acquisition des séquences d'encodage temporel de façon entrelacée, afin de réduire l'atténuation du signal due à la diffusion.