MASTERARBEIT Investigation of the Influence of the RF Shield on the Impedance of Meander Dipole Coils in 7 Tesla MR Imaging System

Transkript

1 MASTERARBEIT Investigation of the Influence of the RF Shield on the Impedance of Meander Dipole Coils in 7 Tesla MR Imaging System angefertigt von Youssef Saidi bei Prof. Dr.-Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik Universität Duisburg-Essen

2 Inhalt Einführung Grundlagen Validierung des Simulationsmodells Ergebnisse Resümee und Ausblick 2

3 Einführung Zielsetzung Sendeverhalten eines HF-Dipols als Funktion vom Abstand zu einer zylinderförmigen RF-Abschirmung Abstand zu einem Phantom Figures of merit Antennenstrahlungswiderstand R Gütemaß Q-Faktor Kopplung zwischen zwei benachbarten Elementen ebenfalls als Funktion vom Abstand zu einer zylinderförmigen RF-Abschirmung Abstand zu einem Phantom 3

4 Einführung Motivation Herausforderungen der 7-Tesla MRT Wellenlänge in der Größenordnung einiger Organe Inhomogenes Sendefeld Eindringtiefe ändert sich (andere Flipwinkel α) Lösung Bildartefakte HF-Shimming Verwendung mehrerer Sendeund Empfangsspulen Individuelles Ansteuern 4

5 Einführung Mäanderelement HF-Einheit eines 7-Tesla MRT-Systems besteht aus mehreren RF-Spulen Mäanderelement hohe magnetische Feldstärken hohes FOV geringe Bandbreite hohe Güte 5

6 Einführung Mäanderelement 60 % der Länge verkürzt und in einem Mäander gewunden Dielektrisches Substrat auf die Mäander-Arme montiert Höhere B 1 -Werte bei gleichzeitiger Reduktion der E-Feldstärken und der Kopplung zwischen den Antennen Groundplane: Länge von 25 cm und Breite von 10 cm 6

7 Grundlagen RF-Abschirmung reflektierende Fläche E tan = 0 Spiegelquelle 7

8 Grundlagen RF-Abschirmung Strahlungswiderstand eines vertikal ausgerichteten Dipols über einer leitenden Fläche 8

9 Grundlagen Patient Permittivität und Leitfähigkeit im menschlichen Körper zusätzliche resistive Belastung kapazitive Belastung Verstimmung: Verschiebung der Resonanzfrequenz der HF-Spulen f 0 = 1 2π LC v(f) = f 0 fr f r f 0 9

10 Validierung des Simulationsmodells Charakterisierung der HF-Spule Eingangsreflexionsfaktor S MHz 10

11 Validierung des Simulationsmodells Charakterisierung der HF-Spule Frequenzverlauf der Antennenimpedanz IZI IZI [ ] kapazitiv 40 induktiv Frequenz [MHz] 11

12 Validierung des Simulationsmodells Charakterisierung der HF-Spule Frequenzverlauf der Antennenimpedanz Z R(f 0 ) = 8,889 f 2 = 304,74 MHz Z [ ] f 1 = 297,99 MHz R f 0 = 301,21 MHz X -X Δf = f 2 f 1 = 6,75 MHz Q-Faktor = f 0 /Δf = 44, Frequenz [MHz] 12

13 Validierung des Simulationsmodells Charakterisierung der HF-Spule Strahlungscharakteristik: IEI als Funktion von Θ RF-Shield Phantom - ϕ = 0 - ϕ = 90 13

14 Validierung des Simulationsmodells Vergleich von Simulation und Messreihe Messergebnisse entsprechen den theoretischen Vorgaben > 298 MHz 14

15 Validierung des Simulationsmodells Vergleich von Simulation und Messreihe Simulationsaufbau ε r = 43,4 σ = 0,8 S/m 15

16 Validierung des Simulationsmodells Vergleich von Simulation und Messreihe Simulationsergebnisse für einen Abstand d = 50 mm zum Phantom 16

17 Validierung des Simulationsmodells Vergleich von Simulation und Messreihe Prinzipiell gleicher Verlauf von simulationsbasierten und messtechnisch erfassten Werten 17

18 MRT Gesamtsystem Simulationsaufbau mit nichtplanaren Elementen r = 30 cm 18

19 MRT Gesamtsystem S 11 für d = 100 mm zum Phantom 0,52 db 19

20 MRT Gesamtsystem S 11 bei Variation der Distanz d zum Phantom -0,91 db -2,31 db -4,42 db -6,99 db -13,04 db 20

21 MRT Gesamtsystem Antennenstrahlungswiderstand R 21

22 MRT Gesamtsystem Antennenstrahlungswiderstand R [Ω] v 22

23 MRT Gesamtsystem Güte Q = 1 R L C steigt mit Nähe zur Abschirmung, da R sinkt 23

24 MRT Gesamtsystem Güte Q = 1 R L C sinkt mit Nähe zum Phantom, da R und C steigen 24

25 MRT Gesamtsystem Resonanzfrequenz f MHz 25

26 MRT Gesamtsystem Resonanzverschiebung geringe Leistung bei der Arbeitsfrequenz (Larmorfrequenz) wird durch hohe Güte verstärkt 26

27 MRT Gesamtsystem Widerstand bei der Larmorfrequenz 298 MHz 27

28 MRT Gesamtsystem Reaktanz bei der Larmorfrequenz 298 MHz 28

29 Kopplung - planar Anordnung der HF-Spulen 29

30 Kopplung - planar Simulationsaufbau mit zwei HF-Spulen und planaren Strukturen 30

31 Kopplung - planar Ersatzschaltbild 31

32 Kopplung - planar S 21 im Freiraum fällt sehr niedrig aus -13,1 db keine Anpassung! 32

33 Kopplung - planar S 21 ist bei Anpassung deutlich höher -4,65 db 8,45 db -13,1 db Maximum ist nicht verschoben! 33

34 Kopplung - planar S 21 bei Variation der Distanz zum Phantom (ohne Abschirmung) 23,6 db 34

35 Kopplung - planar S 21 mit Phantom und Abschirmung S 21 [db] Frequenz [MHz] S 21 [db] Frequenz [MHz] S 21 [db] Frequenz [MHz] 0 0 h = 0 mm h = 10 mm h = 20 mm h = 40 mm h = 60 mm h = 80 mm h = 100 mm S 21 [db] S 21 [db] h = 0 mm h = 10 mm h = 20 mm h = 40 mm h = 60 mm h = 80 mm h = 100 mm Frequenz [MHz] Frequenz [MHz] 35

36 Kopplung - planar S 21 [db] mit Phantom und Abschirmung sehr gering 36

37 Kopplung - nichtplanar Simulationsaufbau mit zwei HF-Spulen und zylinderförmiger Abschirmung Referenzwert: h = 20 mm 37

38 Kopplung - nichtplanar Vergleich S 21 für geschlossenen (l.) und offenen (r.) Zylinder weiterhin sehr gering 38

39 Impedanztransformation Ersatzschaltbild mit zwei HF-Spulen und Leitungsanpassung Z a = Z c Z 1 + jz c tan(2π l λ ) Z c + jz 1 tan(2π l λ ) 39

40 Impedanztransformation λ/4- Leitungstransformation im Smithchart Z c = R 1 50Ω 40

41 Impedanztransformation Transformation bei f 0 Antennenwiderstand R = 1,351 Ω bei d = 100 mm & h = 20 mm Z c = 8,22 Ω +j0.5 +j1.0 +j2.0 +j0.2 Z c = j f 0 = 299,099 MHz -j0.2 Z a Z 1 -j5.0 -j0.5 -j1.0 -j2.0 41

42 Impedanztransformation Transformation bei f 0 Antennenwiderstand R = 1,351 Ω bei d = 100 mm & h = 20 mm Z c = 8,22 Ω da f 0 > f larmor 42

43 Impedanztransformation Transformation des Antennenwiderstands bei f 0 mit Z c = 8,22 Ω R = 1,35 Ω < 0,001 Ω R 50 Ω X = -1,67 Ω 43

44 Impedanztransformation Transformation des Antennenwiderstands bei f = 298 MHz mit Z c = 8,22 Ω R = 1,3 Ω X = -2,82 Ω X = 19,73 Ω R = 9,13 Ω 50 Ω 44

45 Blindwiderstandskompensation Kompensation des Blindwiderstands mit einer Kapazität C S in Reihe Für h = 20 mm & d = 100 mm Z c = 19,2 Ω R a = 49,80 Ω & X a = 107,71 Ω 45

46 Blindwiderstandskompensation Kompensation des Blindwiderstands mit einer Induktivität L S in Reihe 46

47 Resümee HF-Spulen besitzen hohe Güte, geringe Bandbreite und geringen Antennenwiderstand hohe Sensitivität Reproduzierbarkeit gewünschter Betriebseigenschaften in der Praxis kaum realisierbar Verstimmung der Antenne durch menschlichen Körper Leistungsverlust & Verlust der Anpassung der Antenne Reduzierung des Antennenwiderstands durch Abschirmung hoher Q-Faktor Kopplung in der gewählten Anordnung unproblematisch 47

48 Ausblick Bestimmung geeigneter Referenzwerte für die jeweiligen Distanzen Änderung der Länge des Dipols Kompensation des Blindanteils Untersuchung: E- und H-Feld Verteilung bei Variation der Distanz im Phantom SAR-Werte Verluste durch Anpassung quantifizieren 48

49 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!