Untersuchung von Spulenkonzepten auf der Basis von flachen Electronic Band Gap (EBG)-Strukturen für den Einsatz in der Magnetresonanz-Tomographie (MRT)
Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Spulen/Antennen untersucht, welche bei der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt werden, um die notwendigen Hochfrequenzfelder für die Kernspinanregung zu erzeugen. Insbesondere ging es um die Abschirmungen, welche hinter den Spulen angebracht werden, um eine gerichtete Anregung des HF-Magnetfeldes zu erzielen. Konkret sollten sog. Hoch- Impedanz-Oberflächen (engl. high impedance surfaces, kurz HIS) erforscht werden, die zumindest theoretisch erfolgversprechend sind. Derartige Oberflächen mit hohem elektrischen Widerstand müssen künstlich durch sog. metasurfaces hergestellt werden. Hierbei kommen periodische Strukturen mit Einheitszellen zum Einsatz, die verglichen mit der Wellenlänge des HF-Feldes sehr klein sind, so dass sich quasihomogene Oberflächen-Eigenschaften ergeben. Initial wurden HIS-Strukturen erforscht, die bei einer Betriebsfrequenz von 300 MHz (der Magnetresonanzfrequenz eines 7-Tesla-MRT-Systems) ihr hochohmiges Verhalten zeigen. Die größte Herausforderung ist hierbei die Miniaturisierung der Einheitszelle, welche unter Verwendung von mehrlagigen Platinen erzielt wurde. Zunächst wurden magnetische Dipole bzgl. unterschiedlicher Grundplatten (niedervs. hochohmig) untersucht. Der magnetische Dipol wird dabei durch einen Metallring gebildet, der äquidistant mit Kondensatoren versehen ist. In der MRT-Anwendung sind diese sog. Oberflächen-Spulen weit verbreitet. Hierfür konnte eine verbesserte Eindringtiefe des Magnetfeldes bei der HIS-Abschirmung, verglichen mit der gut leitenden Grundplatte nachgewiesen werden. Die Orientierung des erzeugten Magnetfeldes passt organisch zur idealen magnetischen Wand, die durch die HIS nachgebildet wird. Anschließend wurden elektrische Dipole als Einzel-Element und später auch in Mehrkanal-Anordnung untersucht. Hierfür konnte gezeigt werden, dass sowohl die Effizienz (im Körper erzeugte Flussdichte pro aufgenommene Leistung) als auch die Homogenität des Hochfrequenz-Magnetfeldes (sog. B1+ Amplitude) für eine HIS Abschirmung besser ausfallen, als bei einer üblichen niederohmigen Metallplatte. Mit der HIS-Grundplatte ist die Magnetfeldverteilung aufgrund des gleichphasigen Spiegelstroms breiter ausgeprägt, als bei der metallischen Abschirmung. Dies resultiert einerseits in einer homogeneren Ausleuchtung des menschlichen Körpers im MRT, andererseits tritt ein Nachteil im Mehrkanalbetrieb auf – die stärkere Verkopplung von direkt benachbarten Elementen. Die Verbesserung der B1-Effizienz ist umso größer je näher der Dipol an die HIS herangebracht wird. Quantitativ ergab sich beim Einzel- Element, welches einen Abstand von 5 mm zur Grundplatte hatte, eine Verbesserung um 25%. Die Dicke der HIS Platine beträgt hierbei ca. 3 mm, so dass sich eine Aufbauhöhe von ca. 1 cm ergab. Somit haben wir ein Projektziel – die Realisierung von extrem flachen Spulen – voll erreicht. Parallel zu den Arbeiten an den HIS Dipolen (ATE) wurden Simulationen, weitere Optimierungen und 7T MRT-Messungen zu den konventionellen Mäander-Dipolelementen vorgenommen (ELH), die im Rahmen des Projekts als Referenz dienten. Aus den gemeinsam (ATE und ELH) gewonnenen Erkenntnissen dieser DFG- Projektförderung sollen nun weitere Schritte in Richtung von relativ dünnen Mehrkanal-Sende/Empfangsarrays für die 7T MRT erfolgen, die eine Platzierung zwischen Gradientenspule und der inneren Verkleidung des MRT-Systems ermöglichen. Ferner soll unter Verwendung einer inhomogenen Abschirmung (HIS direkt hinter den Dipolen und Streifen mit Stoppband/EBG-Funktion dazwischen) das verbliebene Problem der zu starken Verkopplung der HIS Dipole gelöst werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Dipole RF Element for 7 Tesla magnetic resonance imaging with minimized SAR," 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2013), April 8-12, Gothenburg, Sweden, Session CM1a.1, pp. 1716-1719, 2013
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
- "A 4-channel RF coil based on novel dipole-element with eigen-resonant shielding plate for 7-Tesla magnetic resonance imaging," 44th European Microwave Conference (EuMC 2014) / European Microwave Week (EuMW 2014), Oct. 6-9, Rome, Italy, pp. 476-479, 2014
Z. Chen, O. Kraft, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/EuMC.2014.6986474) - "A compact electromagnetic bandgap structure based on multi-layer technology for 7-Tesla magnetic resonance imaging applications," 44th European Microwave Conference (EuMC 2014) / European Microwave Week (EuMW 2014), Oct. 6-9, Rome, Italy, pp. 1576-1579, 2014
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/EuMIC.2014.6997936) - "Coupling investigation of different RF coil elements for 7-Tesla magnetic resonance imaging based on characteristic mode analysis," IEEE Int. Microwave Symposium (IMS 2014), June 1-6, Tampa Bay, FL, USA, Session 'Recent Advances in Biomedical Imaging', paper TH2E-3, pp. 1050, 2014
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/MWSYM.2014.6848473) - “Impact of different meander sizes on the RF transmit performance and coupling of microstrip line elements at 7 T,” Med Phys. 2015 Aug;42(8):4542-52
S. H. Rietsch, H. H. Quick, S. Orzada
(Siehe online unter https://doi.org/10.1118/1.4923177) - "Electromagnetic field analysis of a dipole coil element with surface impedance characterized shielding plate for 7-Tesla MRI," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 64, no. 3, pp. 972-981, March 2016
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TMTT.2016.2518168) - "Field distribution and coupling investigation of an eight-channel RF coil consisting of different dipole elements for 7-T MRI," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 64, no. 6, pp. 1297-1304, June 2017
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TBME.2016.2602441) - "Improving B1 efficiency and signal-to-noise ratio of surface coils by a high-impedance-surface RF shield for 7-T magnetic resonance imaging," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 65, no. 3, pp. 988-997, March 2017
Z. Chen, K. Solbach, D. Erni, and A. Rennings
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TMTT.2016.2631169) - “Parallel transmit capability of various RF transmit elements and arrays at 7T MRI,” Magn Reson Med. 2018 Feb;79(2):1116-1126
S. H. Rietsch, S. Orzada, A. K. Bitz, M. Gratz, M. E. Ladd, H. H. Quick
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mrm.26704)
