Multiple-mouse MRI (MMMRI) accelerates biomedical research by imaging multiple mice simultaneously. To date, MMMRI has been explored in three ways: shielded transmit-receive coils, shielded transmits coil with separate unshielded receive coils; and finally shielded transmit-receive coils with independent gradient coils. However alternative transmit coil configurations and possible benefits of eliminating shielding have not yet been explored. The goal of this thesis is to test possible radiofrequency configurations with and without shielding for the purpose of improving image quality for MMMRI. Results demonstrate that using an unshielded transmit-receive coil array provided a 20% improvement over an identical shielded coil. A new unshielded 7-coil MMMRI array is presented, minimizing the ghosting between image overlap using mutual inductance minimization and a sensitivity encoding (SENSE) reconstruction. The final array provided high resolution images (90µm) of up to seven live mice simultaneously with appropriate signal-to-noise for automated analysis.

Multiple-mouse MRI (MMMRI) accelerates biomedical research by imaging multiple mice simultaneously. To date, MMMRI has been explored in three ways: shielded transmit-receive coils, shielded transmits coil with separate unshielded receive coils; and finally shielded transmit-receive coils with independent gradient coils. However alternative transmit coil configurations and possible benefits of eliminating shielding have not yet been explored. The goal of this thesis is to test possible radiofrequency configurations with and without shielding for the purpose of improving image quality for MMMRI. Results demonstrate that using an unshielded transmit-receive coil array provided a 20% improvement over an identical shielded coil. A new unshielded 7-coil MMMRI array is presented, minimizing the ghosting between image overlap using mutual inductance minimization and a sensitivity encoding (SENSE) reconstruction. The final array provided high resolution images (90µm) of up to seven live mice simultaneously with appropriate signal-to-noise for automated analysis.

Deep brain stimulation (DBS) improves the quality of life for patients suffering from neurological disorders such as Parkinson’s disease and, more recently, psychiatric/cognitive disorders such as depression and addiction. This treatment option involves the implantation of an implantable pulse generator (or neurostimulator) and leads (or electrodes) implanted deep within the human brain. Magnetic resonance imaging (MRI) is a powerful diagnostic tool that offers superior soft tissue contrast and is routinely used in clinics for neuroimaging applications. MRI is advantageous in DBS pre-surgical planning as precise lead placement within the brain is essential for optimal treatment outcomes. DBS patients can also benefit from post-surgery MRI, and studies have shown that DBS patients are more likely to require MRI within 5-10 years post-surgery. However, imaging DBS patients is restricted by substantial safety concerns that arise from localized electric charge accumulation along the implanted device during resonant radiofrequency (RF) excitation, which can potentially lead to tissue heating and bodily damage. With the technological advancement of ultra-high field (UHF) MRI systems and a growing DBS patient population, DBS MRI safety will become increasingly problematic in the future and needs to be addressed. Parallel RF transmission (pTx) is a promising technology that utilizes multiple transmit channels to generate a desired electromagnetic profile during MRI RF excitation. Several proof-of-concept studies successfully demonstrated its efficacy in creating a "safe mode" of imaging that minimizes the localized RF heating effects. However, pTx MRI systems are not easily accessible and are often custom-built and integrated onto existing MRI systems. Consequently, it adds system characterization and verification complexity to the DBS MRI safety problem. System channel count is also an important consideration as implementation costs can be very high, and the impact of system transmit channel count remains unexplored. Furthermore, in practice, DBS patients with motor-related disorders will impact the pTx MRI system’s ability to precisely generate these safe mode electromagnetic profiles. Commercial DBS devices (i.e., the neurostimulator and leads) are manufactured with fixed dimensions, and the caring surgeon typically manages the surgical orientation of the implanted DBS device and leads. Therefore, lead trajectories can vary hospital-to-hospital. As a result, standard phantoms, i.e., the ASTM International Standard, used in safety verification experiments may not be suitable for DBS MRI applications. To advance DBS patient safety in MRI, this thesis studied the implant heating effects of pTx system uncertainty, system channel count, patient motion on a novel pTx MRI research platform and its associated safe mode of imaging. It developed a new anthropomorphic heterogeneous phantom to improve safety verification experiments. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Le présent mémoire porte sur la conception et le développement de deux antennes RF utilisées en imagerie par résonance magnétique. Ces antennes ont pour but de guider le futur développement d’une plateforme d’imagerie multi-animal qui servira les chercheurs du nouveau CRCHUM. Plus spécifiquement, ces antennes ont été conçues pour l’imagerie du proton à 1.5T. La première utilise une birdcage de type lowpass pour la partie émettrice et utilise 8 éléments de surface pour la partie réceptrice. La seconde antenne est une birdcage de type lowpass polarisée circulairement qui est utilisée à la fois pour l’émission et pour la réception. Cette dernière a présenté de bonnes performances, générant des images avec un SNR élevé et avec une bonne homogénéité, la rendant une bonne candidate pour la future plateforme. La première a présenté quelques problèmes au niveau de la désyntonisation de la birdcage et du couplage entre les éléments. Dans le cas où ces problèmes venaient à être surmontés, cette antenne aurait l’avantage de pouvoir utiliser des techniques d’imagerie parallèle et possiblement d’avoir un SNR plus élevé. / This master thesis focuses on the design and development of two RF coils used in magnetic resonance imaging. These coils are designed to guide the future development of a multi-animal imaging platform that will serve researchers of the new CRCHUM. More specifically, these coils were designed for proton imaging at 1.5T. The first uses a lowpass birdcage as transmitter and uses 8 surface elements for the receiving part. The second coil is a circularly polarized lowpass birdcage which is used both for transmission and for reception. The latter presented good performances, generating images with high SNR and good homogeneity, making it a good candidate for the future platform. The first one presented a few problems at the detuning of the birdcage and the coupling between the elements. In the case where these problems would be overcome, this coil would have the advantage of being able to use parallel imaging techniques and possibly to have a higher SNR.

Le présent mémoire porte sur la conception et le développement de deux antennes RF utilisées en imagerie par résonance magnétique. Ces antennes ont pour but de guider le futur développement d’une plateforme d’imagerie multi-animal qui servira les chercheurs du nouveau CRCHUM. Plus spécifiquement, ces antennes ont été conçues pour l’imagerie du proton à 1.5T. La première utilise une birdcage de type lowpass pour la partie émettrice et utilise 8 éléments de surface pour la partie réceptrice. La seconde antenne est une birdcage de type lowpass polarisée circulairement qui est utilisée à la fois pour l’émission et pour la réception. Cette dernière a présenté de bonnes performances, générant des images avec un SNR élevé et avec une bonne homogénéité, la rendant une bonne candidate pour la future plateforme. La première a présenté quelques problèmes au niveau de la désyntonisation de la birdcage et du couplage entre les éléments. Dans le cas où ces problèmes venaient à être surmontés, cette antenne aurait l’avantage de pouvoir utiliser des techniques d’imagerie parallèle et possiblement d’avoir un SNR plus élevé. / This master thesis focuses on the design and development of two RF coils used in magnetic resonance imaging. These coils are designed to guide the future development of a multi-animal imaging platform that will serve researchers of the new CRCHUM. More specifically, these coils were designed for proton imaging at 1.5T. The first uses a lowpass birdcage as transmitter and uses 8 surface elements for the receiving part. The second coil is a circularly polarized lowpass birdcage which is used both for transmission and for reception. The latter presented good performances, generating images with high SNR and good homogeneity, making it a good candidate for the future platform. The first one presented a few problems at the detuning of the birdcage and the coupling between the elements. In the case where these problems would be overcome, this coil would have the advantage of being able to use parallel imaging techniques and possibly to have a higher SNR.

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse. / Specific methods for an optimal use of specialized magnetic resonance radiofrequency coils are developed and validated. First, an improved combination of signals from the different channels of an array coil is shown to lead to a significant reduction of the noise bias in diffusion images, in comparison to the generally accepted sum-of-squares combination method. This reduction of the noise bias is demonstrated to greatly improve the accuracy of the estimated diffusion and diffusion tensor parameters, both for a standard non-accelerated acquisition and when parallel imaging is used. In a second scope, the benefits arising from the use of an intravascular imaging antenna are investigated. Using a phantom study, it is demonstrated that intravascular magnetic resonance imaging offers the potential to improve the geometrical accuracy of morphological vascular measurements in comparison to standard surface magnetic resonance imaging and that a geometrical accuracy comparable to the one obtained using intravascular ultrasound can be reached. Several protocols based on a balanced steady-state free-precession sequence are compared in order to highlight the relations between several acquisitions parameters and the achieved geometrical accuracy. In particular, important relations between the vessel size, the vessel wall signal-to-noise ratio, the in-plane resolution and the achieved accuracy are illustrated. In a similar manner, the use of an intravascular antenna is demonstrated to be highly beneficial for an improved in-stent lumen visualization. When used with a balanced steady-state free-precession acquisition with a carefully chosen flip angle, intravascular magnetic resonance imaging can effectively eliminate the hindering aspect of the radiofrequency shielding effect caused by the presence of the vascular stent.

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse. / Specific methods for an optimal use of specialized magnetic resonance radiofrequency coils are developed and validated. First, an improved combination of signals from the different channels of an array coil is shown to lead to a significant reduction of the noise bias in diffusion images, in comparison to the generally accepted sum-of-squares combination method. This reduction of the noise bias is demonstrated to greatly improve the accuracy of the estimated diffusion and diffusion tensor parameters, both for a standard non-accelerated acquisition and when parallel imaging is used. In a second scope, the benefits arising from the use of an intravascular imaging antenna are investigated. Using a phantom study, it is demonstrated that intravascular magnetic resonance imaging offers the potential to improve the geometrical accuracy of morphological vascular measurements in comparison to standard surface magnetic resonance imaging and that a geometrical accuracy comparable to the one obtained using intravascular ultrasound can be reached. Several protocols based on a balanced steady-state free-precession sequence are compared in order to highlight the relations between several acquisitions parameters and the achieved geometrical accuracy. In particular, important relations between the vessel size, the vessel wall signal-to-noise ratio, the in-plane resolution and the achieved accuracy are illustrated. In a similar manner, the use of an intravascular antenna is demonstrated to be highly beneficial for an improved in-stent lumen visualization. When used with a balanced steady-state free-precession acquisition with a carefully chosen flip angle, intravascular magnetic resonance imaging can effectively eliminate the hindering aspect of the radiofrequency shielding effect caused by the presence of the vascular stent.