Finite element method based simulation, design, and resonant mode analysis of radio frequency birdcage coils used in magnetic resonance imaging
Manyetik rezonans görüntülemede kullanılan radyo frekansı kuşkafesi sargıların sonlu elemanlar yöntemine dayalı benzetimi, dizaynı, ve rezonans mod analizi
- Tez No: 313496
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ZİYA İDER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Radyoloji ve Nükleer Tıp, Electrical and Electronics Engineering, Radiology and Nuclear Medicine
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Radyo Frekansı (RF) kuşkafesi sargıları, sargı içerisinde oluşturdukları homojen RF manyetik alan ve sahip oldukları yüksek işaret gürültü oranı (İGO) sebebiyle Manyetik Rezonans Görüntülemede (MRG) oldukça sık kullanılır. Pratikte, kuşkafesi sargılarının tasarımı zor ve zaman alan bir iştir. Sargının istenilen frekansta rezonansa girmesi için gerekli kapasitans değerinin hesaplanması, tasarım işleminin ilk aşamasıdır. Ayrıca, kuşkafesi sargıların tüm rezonans modlarının bilinmesi de önemlidir. Bu sayede, sargı tasarımcıları sargının çalışma frekansının diğer rezonans modlarından uzakta olduğundan emin olur ve sargının frekansının ayarlanması ve empedans eşlenmesi diğer rezonans modlarına karışmadan yapılabilir. Bu amaçla, kapasitans değerini ve rezonans modlarını hesaplamak için litaratürde bir çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar arasında, toplu öğeli devre modeli kapasitans ve rezonans modu hesaplamaları için en çok kullanılan tekniktir. Ancak bu yöntem, yarı-statik varsayımıyla yapılan endüktans hesaplarına aşırı derecede bağlıdır. Bu varsayımın bir sonucu olarak, dalgaboyunun sargı boyutlarına yaklaştığı frekanslara doğru gidildikçe hesaplamalardaki hatalar artmaktadır. Ayrıca, kuşkafesi sargıların üç boyutlu bir simülasyon ortamında modellenmesi ve istenilen bölgede elektromanyetik analizlerin yapılması, sargı içerisindeki elektromanyetik alan dağılımlarının gözlemlenebilmesi açısından önemlidir. Bu tezde, COMSOL Multiphysics'de oluşturulan alçak-geçirgen ve yüksek-geçirgen kuşkafesi sargı modelleri kullanılarak yapılan Sonlu Elemanlar Yöntemine (SEY) dayalı üç farklı simülasyon yöntemi önermekteyiz. Bu yöntemlerden biri, içerisinde port empedansının genliğinin veya H+ varyansının amaç fonksiyonu olarak; kapasitans değerinin ise kontrol değişkeni olarak kullanıldığı SEY bazlı optimizasyon yöntemidir. Bu yöntem, kuşkafesi sargıların kapasitans değerinin hesaplanması için önerilen yeni bir yöntemdir. Diğer yöntem, kuşkafesi sargıların sadece rezonans modlarının belirlenmesinde değil bu rezonans modlarındaki sargı içerisinde oluşan elektromanyetik alan dağılımlarının bulunmasında da kullanılan özfrekans analizidir. Bilgimiz dahilinde, kuşkafesi sargıların SEY bazlı özfrekans analizi de MRG alanındaki yeni bir çalışmadır. Son yöntem ise, bir kuşkafesi sargısının elektromanyetik alanlarının belirtilen bir (ve ya daha çok) frekansta çözümü için kullanılan frekans bölgesi analizidir. Bu yöntem, sargı içerisindeki herhangi bir cismin özgül soğurma hızı (ÖSH) dağılımının bulunması için de kullanılabilir. Bu üç simülasyon yöntemininin kolayca ve kullanıcı tarafından girilen parametrelere göre uygulanabilmesi için, MATLAB kullanılarak grafiksel kullanıcı arayüzü de olan iki yazılım aracı geliştirdik. Önerilen yöntemlerin sonuçları ve toplu öğeli devre modeli kullanan yöntemlerin sonuçlarını, deneysel sonuçlar ile karşılaştırmak için iki adet kuşkafesi sargısı yaptık ve farklı kapasitans değerleri için ölçümler aldık. Daha sonra ölçülen rezonans modları ile hesaplanan rezonans modlarını; kullanılan kapasitans değerleri ile hesaplanan kapasitans değerlerini karşılaştırdık. En kötü durum için (frekansın en yüksek olduğu durum), önerilen SEY bazlı özfrekans analizi yöntemi rezonans frekanslarını en çok %10 hata ile; önerilen SEY bazlı optimizasyon yöntemi ise kapasitans değerlerini %20-25 hata ile hesaplamaktadır. Toplu öğeli devre modelini kullanan yöntemler ise rezonans modları ve kapasitans değerlerini, en kötü durum için %50-55 hata ile hesaplamaktadır.
Özet (Çeviri)
Radio Frequency (RF) birdcage coils are widely used in Magnetic Resonance Imaging (MRI) since they can generate very homogeneous RF magnetic field inside the coil and have high signal-to-noise ratio (SNR). In practice, designing a birdcage coil is a time-consuming and difficult task. Calculating the capacitance value, which is necessary for the coil to resonate at the desired frequency, is the starting point of the design process. Additionally, it is also important to know the complete resonance frequency spectrum (or resonant modes) of the birdcage coil that helps the coil designers to be sure that working mode is far away from the other modes and so that tuning and matching procedures of the coil can be done without interfering with the other modes. For this purpose, several studies have been presented in the literature to calculate the capacitance value and the resonant modes of the birdcage coil. Among these studies, lumped circuit element model is the most used technique in capacitance and resonant modes calculations. However, this method heavily depends on the inductance calculations which are made under quasi-static assumptions. As a consequence of this assumption, error in the calculations increases as the frequency increases to a point at which the wavelengths are comparable with the coil dimensions. Additionally, modeling the birdcage coil in a 3D simulation environment and making electromagnetic analysis in the volume of interest is also important in terms of observing the electromagnetic field distributions inside the coil. In this thesis, we have proposed three different Finite Element Method (FEM) based simulation methods which are performed using the developed low-pass and high-pass birdcage coil models in COMSOL Multiphysics. One of these methods is the FEM based optimization method in which magnitude of the port impedance or variance of H+ is used as the objective function and the capacitance value is used as the control variable. This is a new method proposed for calculating the capacitance value of the birdcage coils. The other method is the eigenfrequency analysis which is used to determine not only the resonant modes of the birdcage coil but also the electromagnetic fields distributions inside the coil at these resonant modes. To the best of our knowledge, FEM based eigenfrequency analysis of a birdcage coil is also a new study in the field of MRI. The last method is the frequency domain analysis which is used solve for the electromagnetic fields of a birdcage coil for the specified frequency (or frequencies). One can also use this method to estimate Specific Absorption Rate (SAR) at any object inside the coil. To make these three simulation methods easily and according to the user-specified parameters, we have developed two software tools using MATLAB which have also graphical user interface (GUI). In order to compare the results of the proposed methods and the results of the methods that use lumped circuit element model with the experimental results, we have constructed two handmade birdcage coils and made measurements for different capacitance values. Then, we have compared the measured resonant modes with the calculated resonant modes; used capacitance values with the calculated capacitance values. For the worst case (in which the frequency is the highest), proposed FEM based eigenfrequency analysis method calculates the resonant modes with a maximum of 10% error; proposed FEM based optimization method calculates the necessary capacitance values with 20-25% error. Methods which use lumped circuit element model, on the other hand, calculate the resonant modes and capacitance values with 50-55% error for the worst case.
Benzer Tezler
- Thin film based semi-active RF marker design for interventional MRI devices
Girişimsel radyolojide kullanılan cihazlar için ince film tabanlı yarı aktif RF işaretleyici tasarımı
ENGİN BAYSOY
Doktora
İngilizce
2018
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR KOCATÜRK
- Design, analysis and production of temperature sensor using microstereolithography technique
Mikrostreolitografi tekniği kullanılarak sıcaklık sensörünün tasarımı, analizi ve üretimi
TAYYAB WAQAR
Doktora
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEZGİN ERSOY
- Electromechanical analysis of linear compressor for household refrigerators
Ev tipi buzdolabı için lineer kompressörün elektromekanik analizi
ADNAN HASSAN
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Young's modulus characterization of polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chips for viscosity measurements
Viskozite ölçümleri için tasarlanmış polidimetilsiloksan (PDMS) mikroakışkan çiplerinin young modülü karakterizasyonu
CEYDA KÖKSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
DOÇ. ONUR FERHANOĞLU
- Numerical analysis, design and two port equivalent circuit models for split ring resonator arrays
Yarıklı halka rezonatör dizilerinin sayısal analizi, tasarımı ve iki kapılı eşdeğer devre modellemesi
PINAR YAŞAR ÖRTEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL TURHAN SAYAN