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Zurich Open Repository and Archive

Nordmeyer-Massner, J A. Adaptive receiver arrays for magnetic resonance imaging. 2009, ETH Zuerich.

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Abstract

In den letzten zwanzig Jahren hat sich die Magnetresonanztomographie
(MRT) zu einer der wichtigsten und vielseitigsten klinischen
Untersuchungsmethoden entwickelt, da sich mit ihrer Hilfe nichtinvasiv
unterschiedliche Arten von Informationen aus dem Inneren des
menschlichen Körpers mit hoher räumlicher Auflösung und
ausgezeichnetem Weichteilkontrast gewinnen lassen.
Das zugrunde liegende Prinzip ist die elektromagnetische Anregung von
Atomkernen. Die so entstehende oszillierende Magnetisierung erzeugt
Signale im Bereich von Radiofrequenzen (RF), die beispielweise mit
Hilfe von elektrisch leitenden Schleifen, sogenannten Spulen,
empfangen werden können. Seit den 90er Jahren werden Arrays solcher
Empfangsspulen für die MRT benutzt. Ursprünglich wurden sie
eingeführt, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des empfangenen
Signals zu steigern. Später wurden die Vorteile der Mehrkanal-
Detektion durch Entwicklung der parallelen Bildgebung dazu genutzt,
die Untersuchungszeit zu verkürzen. Neuere theoretische und
experimentelle Arbeiten zeigen, dass zur optimalen Nutzung der Array-
Detektion das Objekt von einer großen Zahl von kleinen
Oberflächenspulen abgedeckt werden sollte. Ein optimales Ergebnis in
Hinblick auf SNR mit einfacher Handhabung des Spulenarrays zu kombinieren wird jedoch umso schwieriger je grösser die Anzahl der
Empfangsspulen ist.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Möglichkeiten zu untersuchen,
diesen Herausforderungen zu begegnen. Dabei steht die Idee im
Mittelpunkt, Empfangsspulenarrays für die MRT so zu konstruieren,
dass sie sich durch Änderung der Grösse und Form der Spulenelemente
und der Position der Spulenelemente relativ zueinander geometrisch an
das Objekt anpassen können. Dadurch können die Spulen unabhängig
von Form und Grösse des Objektes so nah wie möglich an der
Oberfläche platziert und damit die Sensitivität gesteigert werden. Der
zugrunde liegende Mechanismus muss sich einfach bedienen lassen und
bequem für den Patienten sein. Geometrische Anpassungsfähigkeit führt
aber auch im Zusammenhang mit der Elektronik, insbesondere in Bezug
auf die Abstimmung der einzelnen Spulen, die Impedanzanpassung
sowie die Rauscheigenschaften der Signalverstärkung zu einer Reihe
von Herausforderungen.
Zunächst wird eine neue Methode zur Charakterisierung der RFVorverstärker
insbesondere im Hinblick auf deren Rauscheigenschaften
vorgestellt. Die Impedanz am Eingang des Vorverstärkers kann sich
bedingt durch unterschiedliche Beladung des Spulenarrays, Kopplung
zwischen den Spulenelementen und verstärkte Wechselwirkungen
zwischen Spulen und Objekt signifikant ändern. Da die Rauschzahl
geeigneter Vorverstärker stark von der Impedanz am Eingang und der
Messfrequenz abhängt, muss sie für verschiedene komplexe
Impedanzen gemessen werden. Der Frequenzbereich reicht dabei von 42 MHz für klinische Niederfeldgeräte (1.0 T) bis zu 298 MHz für Forschungssysteme mit einer Feldstärke von 7.0 T. Dieser Frequenzbereich stellt eine der größten Herausforderungen dar, da Geräte für die Messung von Rauschzahlen wie beispielsweise Impedanz-Tuner für Frequenzen unterhalb von 500 MHz kommerziell
nicht erhältlich sind. Dies liegt daran, dass solche Tuner in der Regel auf Transmission-Line-Technologie beruhen und damit nur schwer bei niedrigeren Frequenzen zu realisieren sind. Daher wurde eine andere Lösung entwickelt, die eine Halbleiterrauschquelle mit Netzwerken aus Widerständen, Kondensatoren und Spulen kombiniert. Dadurch entstehen Schaltungen variabler Impedanz und verstellbarer effektiver
Rauschtemperatur. Die daraus resultierende Methode der
Rauschzahlmessung wird sowohl durch die Übereinstimmung mit
einem theoretischen Modell als auch durch MRT-basierte SNRMessungen überprüft.
Als erster Schritt auf dem Weg zu anpassungsfähigen
Empfangsspulenarrays wird der Bau eines mechanisch verstellbaren Arrays für MRT des Handgelenks bei 3.0 T beschrieben. Es kann sich Handgelenken unterschiedlicher Größe anpassen, indem der Abstand zwischen dem Handgelenk und den konisch angeordneten Elementen des Arrays verändert werden kann. Verschiedene Maßnahmen im Bereich des elektronischen Designs dieser Detektoren stellen sicher,
dass trotz Veränderungen in der Beladung der Spulenelemente und der Kopplung untereinander, die sich aus der geometrischen Variabilität ergeben, gute Ergebnisse in robuster Art und Weise erzielt werden können.
Mit Hilfe von SNR-Messungen in Abhängigkeit von der
Impedanzanpassung, Messung unterschiedlich grosser Phantome sowie in-vivo Messungen von unterschiedlich großen Handgelenken werden die Vorteile dieses Ansatzes aufgezeigt.
Das SNR von MRT-Experimenten skaliert etwa proportional zur Stärke des Hauptmagnetfeldes. Daher verspricht der Übergang von 3.0 T zu 7.0 T einen erheblichen Gewinn an Sensitivität, insbesondere für die Bildgebung des Handgelenks, das eine große Anzahl von kleinen, aber
klinisch relevante Strukturen in einem kleinen Volumen vereint. Allerdings ist diese Vorhersage ist nicht einfach zu überprüfen. Eine der häufigsten Schwierigkeiten beim Vergleich von MRT bei verschiedenen Feldstärken ist die Tatsache, dass selten vergleichbare Spulenarrays auf
beiden Systemen vorhanden sind. Um diesem Problem zu begegnen und die Vorteile der klinischen 7.0 T-Bildgebung des Handgelenkes im Vergleich zu 3.0 T zu untersuchen, wurde ein mechanisch verstellbares Spulenarray für MRT bei 7.0 T gebaut. Es ist geometrisch identisch mit
der zuvor erwähnten Version für 3.0 T, jedoch im Bereich der
Elektronik auf die grössere Resonanzfrequenz von 298 MHz bei 7.0 T angepasst. Die Handgelenke von 10 gesunden Probanden wurden nacheinander mit beiden Systemen gemessen und qualitativ von zwei unabhängigen Radiologen beurteilt. Die quantitative SNR-Analyse ergab ein bis zu 2-fach erhöhtes SNR bei 7.0 T im Vergleich zu 3.0 T.
Allerdings hängt der SNR-Gewinn stark von der untersuchten Struktur und der Art des Gewebes ab. Die ultimative Lösung in Bezug auf die Anpassungsfähigkeit ist ein Spulenarray, dessen Elemente ihre Größe, Form und Anordnung durch
Dehnung ändern und somit automatisch so nahe wie möglich an der Oberfläche des Objektes platziert werden. Das grundlegende Problem dieses Ansatzes, dehnbare elektrische Leiter mit genügend hoher Leitfähigkeit zu finden, wird durch die Verwendung metallischer Geflechte gelöst. Für einzelne Spulenelemente sowie für ein Spulenarray aus vier Elementen werden verschiedene Leitermaterialien sowie der Einfluss der Dehnung auf das SNR untersucht. Schliesslich
wird die erfolgreiche Implementierung eines aus acht Spulenelementen bestehenden dehnbaren Arrays gezeigt. Dabei wurden zum ersten Mal Bilder bei verschiedenen Beugungswinkeln des Knies aufgenommen.
Hierbei handelt es sich um eine vielversprechende orthopädische
Anwendung, die sich mit den derzeitigen, starren Spulenarrays nicht
realisieren lässt.

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Other titles:Diss., Eidgenössische Technische Hochschule ETH Zürich, Nr. 18408, 2009
Item Type:Dissertation
Referees:Pruessmann K P, Hodler J
Communities & Collections:04 Faculty of Medicine > Institute of Biomedical Engineering
DDC:170 Ethics
610 Medicine & health
Date:2009
Deposited On:27 Jan 2010 09:56
Last Modified:04 Apr 2012 13:06
Number of Pages:163
Free access at:Publisher DOI. An embargo period may apply.
Publisher DOI:10.3929/ethz-a-005905797
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