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Koaxiale Wellenleiteranordnung für die multinukleare Hochfeld-Magnetresonanztomographie mit laufenden Wellen

Alt, Stefan

English Title: Coaxial Waveguide Setup for multinuclear Highfield-MRI with traveling waves

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Abstract

In der Hochfeld-MRT (B >= 7 Tesla) können aufgrund der höheren Larmorfrequenzen keine klassischen Volumenspulen zur Erzeugung eines homogenen hochfrequenten elektromagnetischen Feldes zur Spinanregung im Körperstamm verwendet werden. Als Alternative wird in dieser Arbeit eine koaxiale Wellenleiteranordnung vorgeschlagen, um laufende Wellen in einen definierten Messbereich zu senden und das induzierte MR-Signal daraus zu empfangen. Das Messobjekt wird im hohlen Innenleiter platziert, der in Längsrichtung unterbrochen ist um den Messbereich zu bilden. Die MR-relevanten Eigenschaften der koaxialen Wellenleiteranordnung wie Sendeeffizienz, Homogenität des Sendefeldes und die Belastung des Messobjektes durch die hochfrequente Strahlung wurden zunächst mit numerischen Simulationen (FDTD-Verfahren) charakterisiert. Außerdem wurde ein verkleinertes Modell des Wellenleiters konstruiert und Messungen mit Testobjekten und anatomischen Proben durchgeführt. Neben der koaxialen Grundmode TEM wurde auch die Verwendung höherer (TE-)Moden untersucht. Durch die Frequenzunabhänigkeit der TEM-Mode konnten MR-Messungen bei fünf verschiedenen Larmor-Frequenzen zwischen 29 und 297 MHz mit den Nukliden 1H, 23Na und 35Cl durchgeführt werden. Die Verwendung eines Frequenzdiplexers ermöglichte dabei die gleichzeitige MRT von 1H und 23Na bei B = 7 T. Die Ergebnisse zeigten, dass ein koaxialer Wellenleiter als HF-Antenne in der Hochfeld-MRT verwendet werden kann und sich aufgrund seiner Frequenzunabhängigkeit für multinukleare Studien eignet. Die erreichte Sendeeffizienz von 0,5-6 µT/sqrt(kW) und die Schwankungen in der Feldhomogenität um etwa eine Größenordnung entsprechen denen anderer Laufwellenverfahren, sind jedoch für die klinische MRT nur bedingt ausreichend.

Translation of abstract (English)

Due to the increased Larmor frequencies in high-field MR imaging (B >= 7 Tesla), resonant volume coils can no longer be used to generate the homogenous spin excitation field within the human torso. As an alternative approach a coaxial waveguide setup to transmit traveling electromagnetic waves to a defined imaging area is proposed in this work. The object of interest is placed in the hollow inner conductor of the setup and the imaging area is formed by a gap in that conductor. The proposed method is characterized with respect to its transmission efficiency, field homogeneity and the resulting radiofrequency exposure of the patient. In this work numerical simulations (FDTD method) were used for evaluation. Furthermore, a prototype setup with reduced scale was constructed and MRI experiments with multiple test objects and anatomical samples were performed. Higher modes of propagation (TE) were also tested besides the basic coaxial mode (TEM). Due to the frequency independence of the TEM mode, the coaxial waveguide setup could be operated at five different Larmor frequencies from 29 to 297 MHz and MRI experiments with various nuclei (1H, 23Na and 35Cl) were performed. Using a frequency diplexer, combined MRI of 1H and 23Na was possible. The results of this work showed that the proposed method can be used for MRI at multiple frequencies and is therefore suitable for multinuclear MR studies. The achieved transmission efficiency of 0.5-6 µTsqrt(kW) and the variation in field homogeneity (one order of magnitude) were found to be similar to those of other traveling wave approaches, but are still not generally appropriate for clinical MRI at high fields.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 20 June 2012
Date Deposited: 04 Jul 2012 08:28
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Tomographie, Kernspin, TE-Welle, Geschirmter Wellenleiter, Wellenleiter, TEM-Welle, Bildgebendes Verfahren, Wasserstoffkern, Natriumkern
Uncontrolled Keywords: Highfield-MRI , MRI , Waveguide , NMR , Spin
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