Innovative designs of RF transmit array coils and RF heating analysis of patients with implanted DBS
RF verici dizisi sargılarının yenilikçi tasarımları ve implante edilmiş DBS'li hastaların RF ısınma analizi
- Tez No: 649398
- Danışmanlar: PROF. DR. ERGİN ATALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), Radyo-frekansı (RF) sargı, Verici dizisi sargısı, Özmod analiz, Eşdeğer devre modeli, Kuplaj, MRG güvenliği, Derin beyin stimülasyonu (DBS), Özgül soğurma oranı (ÖSO), Magnetic resonance imaging (MRI), Radiofrequency (RF) coil, Transmit array coil, Eigenmode analysis, Equivalent circuit model, Coupling, MRI safety, Deep brain stimulation (DBS), Specific absorption rate (SAR)
- Yıl: 2020
- 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: 146
Özet
Güvenilir ve verimli bir manyetik rezonans görüntüleme (MRG) testi, uygun şekilde seçilmiş RF sargıların tanımlama, tasarım, değerlendirme ve uygulanmasına dayanmaktadır. Bu amaçlar doğrultusunda, bu tez savunması özgün RF verici dizisi (TxArray) sargı tasarım tekniklerine üç katkıdan ve RF verici sargılarındaki derin beyin stimülasyonu (DBS) implantlarının RF ısınma azaltımına iki katkıdan oluşmaktadır. Çoklu verici elementlerinden oluşan TxArray sargıları, alan tekdüzeliğini arttırabilmek, toplama süresini hızlandırabilmek, özgül soğurma oranı (ÖSO) noktalarını azaltmak amacıyla RF şim ayarlamasını mümkün kılabilmek ve güç verimliliğini arttırabilmek için ek serbestlik dereceleri sağlar. Bir TxArray sargısının nasıl tasarlandığı, paralel iletim teknolojisinden edinilen kazanç üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Böylece, bu tezin ilk katkısı, TxArray sargılarının tasarımı için verimli çalışma modlarını elde etmek ve güç tüketimi açısından verimli bir RF şimlemesi elde etmek amacıyla saçılma matrisinin özmod analizi üzerinedir. Algoritma, 8-32 kanallı dört 3T TxArray sargılarının tasarımı için test edilmiş ve yaygın olarak kullanılan tasarım tekniklerine kıyasla yayılma alanının boyutunu %50'ye kadar genişletebildiği gösterilmektedir. Bir sonraki katkı, karşılık gelen eşdeğer devre modelini kullanarak kusurlu bir şekilde üretilmiş bir TxArray sargısını tam olarak tasarlamak için hızlı bir ince ayar prosedürü oluşturmaktır. Ölçülen saçılma parametreleri bir toplu devre modeline uydurularak, 8 kanallı bir 3T TxArray sargısının tüm endüktans/dirençleri tahmin edilir. Üretilen sargı daha sonra yalnız tek bir iterasyonda uygun bir şekilde ayarlanır. Diğer bir katkı olarak, bir TxArray sargısının bitişik olmayan verici kanalları arasındaki manyetik kuplajı en aza indirmek için teorik bir sargı boyutu optimizasyonu öne sürülmüştür. 12 kanallı bir 3T TxArray sargısının tüm öz/karşılıklı endüktansları hesaplanarak ve karşılıklı endüktansları en aza indirgenerek boyutları belirlenir. Bu yaklaşımın uygulanabilirliğini göstermek amacıyla sonlu eleman simülasyonları gerçekleştirilir. RF verici sargılarının güvenlik hususlarından biri, metalik implantların sargının elektrik alanları ile etkileşimi nedeniyle lokalize ÖSO amplifikasyonudur. Bu nedenle dördüncü katkı, mekanik olarak dönen doğrusal polarize bir kuş kafesi rezonatörü kullanan 3T ayarlanabilir verici bobini kullanılarak hastadan türetilen gerçekçi DBS implantlarının uçlarındaki ÖSO azaltma performansının değerlendirilmesi üzerinedir. Yeniden yapılandırılabilir sargı sistemi, ÖSO'ı geleneksel kuadratür kuş kafesi sargısına kıyasla, tek taraflı uçlar için ortalama %83 ve iki taraflı uçlar için %59 azaltmıştır. Son çalışmada, ticari olarak temin edilebilen dikey açık 1.2T sargısındaki ve standart yatay kapalı 1.5T kuş kafesi sargısındaki gerçekçi uç yörüngelerine sahip büyük bir DBS implant kohortunun uçları çevresindeki yerel ÖSO amplifikasyonu sunulur. Ortalama olarak ÖSO, 1.5T yatay sargıya kıyasla 1.2T dikey sargıda 31 kat azalmıştır. Genel olarak, bu tez, esasen RF verici sargılarının güç verimliliği ve hasta güvenliği açısından performansını iyileştiren, TxArray sargılarının tasarımı, ısınma değerlendirmesi ve DBS hastalarının ÖSO azaltımı için yenilikçi yaklaşımlar öne sürmektedir.
Özet (Çeviri)
A safe and efficient magnetic resonance imaging (MRI) test would rely on informed specification, design, implementation, assessment, and application of appropriately selected radiofrequency (RF) coils. Towards these goals, this dissertation comprises three contributions to novel RF transmit array (TxArray) coil design techniques and two contributions to RF heating reduction of deep brain stimulation (DBS) implants in RF transmit coils. TxArray coils with multiple transmit elements provide the additional degrees of freedom that can be used to enhance field uniformity, accelerate acquisition time, enable RF shimming while intending to mitigate specific absorption rate (SAR) hotspots, and increase power efficiency. How a TxArray coil is designed can have a significant impact on its gain from parallel transmission technology. Thus, the first contribution of this dissertation is on the eigenmode analysis of the scattering matrix for the design of TxArray coils to obtain their efficient operation modes and achieve an efficient RF shimming in terms of power consumption. The algorithm is tested for the design of four 3T TxArray coils with 8 to 32 channels, and it is shown that it can enlarge the dimension of the excitation space by up to 50% compared with the commonly used design techniques. The next contribution is to establish a fast finetuning procedure to precisely design an imperfectly manufactured TxArray coil using its corresponding equivalent circuit model. By fitting the measured scattering parameters to a lumped circuit model, all inductances/resistances of an 8-channel 3T TxArray coil are estimated. The manufactured coil is then appropriately tuned only in a single iteration. As another contribution, a theoretical coil size optimization is introduced to minimize the magnetic coupling between non-adjacent transmit channels of a TxArray coil. By calculating all self/mutual-inductances of a 12-channel 3T TxArray coil and minimizing mutual-inductances, its sizes are determined. The finite element simulations are performed to demonstrate the feasibility of this approach. One of the safety considerations of RF transmit coils is the localized SAR amplification due to the interaction of metallic implants with the coil's electric fields. Therefore, the fourth contribution is on evaluating SAR mitigation performance at tips of patient-derived realistic DBS implants using a 3T patient-adjustable transmit coil, which uses a mechanically rotating linearly polarized birdcage resonator. The reconfigurable coil system decreases the SAR on average by 83% for unilateral leads and by 59% for bilateral leads in comparison to a conventional quadrature birdcage coil. In the final study, the local SAR amplification surrounding the tips of a large cohort of DBS implants with realistic lead trajectories in a commercially available vertical open-bore 1.2T coil and a standard horizontal closed-bore 1.5T birdcage coil is presented. On average, SAR is decreased by 31-fold in the 1.2T vertical coil compared to the 1.5T horizontal coil. Overall, this dissertation proposes innovative approaches for designing TxArray coils and heating assessment and SAR reduction of DBS patients, which mainly contribute to improving the performance of RF transmit coils in terms of power efficiency and patient safety.
Benzer Tezler
- Novel techniques and innovative designs for the RF chain of magnetic resonance imaging scanners
Manyetik resonans görüntüleme cihazlarının RF tarafı için yeni teknikler ve yaratıcı tasarımlar
ALIREZA SADEGHI TARAKAMEH
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGİN ATALAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ YİĞİTCAN ERYAMAN
- Next-generation MIMO systems: From index modulation to deep learning
Yeni nesil çok-girişli çok-çıkışlı sistemler: İndis modülasyonundan derin öğrenmeye
BURAK ÖZPOYRAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Otomotiv sistemleri için elektronik kontrol kartı (body controller) ve entegre yazılımlarının geliştirilmesi
Development of electronic control card (body controller) and integrated softwarefor automotive systems
KEREM SEFA AOK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FURKAN KAMANLI
- Hiperlan PPA design and realization
Hiperlan PPA tasarım ve gerçeklenimi
BURAK KELLECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞLU
- Fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle katı hal lityum iyon pil bileşenlerinin geliştirilmesi
Development of solid state lithium-ion battery components by physical vapor deposition method
ENGİN ALKAN
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER