A carregar...
Publicação
Massively parallel transmit arrays at 7T: innovative array elements and geometries
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 10.73 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
O trabalho desenvolvido com ressonância magnética de campo ultra elevado, nomeadamente campos magnéticos de 7 Tesla e superiores, tem demonstrado melhorias no desempenho de imagem quando comparado com intensidades de campo menores (1.5/3 Tesla) devido ao incremento intrínseco da razão sinal-ruído (SNR). Embora seja esta a tendência geral, este aumento no desempenho não é linearmente aplicável a todas as estruturas do corpo humano, tanto que, não tinha sido atingido até recentemente para estruturas localizadas em profundidade no corpo humano (e.g. próstata, coração). Contudo, melhorias significativas no SNR intrínseco em imagiologia da próstata foram também recentemente atingidas e demonstradas. Uma das principais razões pela qual esta demonstração não foi facilmente alcançada prende-se com o facto de que com o aumento de intensidade do campo magnético, o comprimento de onda dos campos de radiofrequência (RF) diminui para valores comparáveis às dimensões das pequenas estruturas localizadas no interior do corpo humano que se pretende visualizar, o que causa padrões de interferência nas imagens adquiridas devido à heterogeneidade do campo B+1 (campo RF). Para combater este efeito, é normalmente utilizada uma técnica denominada de Parallel Transmit cujo efeito é mais relevante quando a excitação RF é efetuada por um número elevado de canais e consiste em manipular a fase e a amplitude de cada canal para que se consigam diminuir os padrões de interferência na zona que se pretende visualizar. Esta técnica é já comummente utilizada em várias situações, não só em campos ultra elevados como também em intensidades de campo inferiores. Para além desta questão, a exposição aos campos RF que necessariamente se encontra associada a exames de ressonância magnética (MR), causa aquecimento dos tecidos tal e qual um forno micro-ondas e quanto mais alto o campo magnético de trabalho, mais pronunciado se torna este fenómeno. Trabalhando a uma intensidade de campo de 7 Tesla, este aquecimento torna-se uma questão ainda mais preocupante do que quando se trabalha a campos de intensidade mais reduzida. Associado a este aquecimento aquando da utilização de campos ultra elevados, agrava-se o desafio de minimizar os níveis de Specific Absorption Rate (SAR). O aquecimento é
regulado pela limitação deste parâmetro, que representa a potência RF depositada por unidade de massa de tecido irradiado. Atualmente, as restrições de potência aplicadas a imagem em campos ultra elevados são muito mais estritas do que a campos magnéticos mais baixos. Quando limitando os valores de SAR é importante ter em conta não só a potência dissipada no corpo inteiro como também a potência dissipada localmente em certas porções de massa de tecido, nomeadamente a cada 10g. As imagens a 7T são maioritariamente efetuadas utilizando arrays de superfície que funcionam como transmissor e recetor. Níveis altos de SAR ocorrem predominantemente diretamente abaixo dos elementos usados nestes arrays. O número de elementos na maioria dos sistemas de multi-transmissão, atualmente, é normalmente oito, número que já permite uma boa utilização das técnicas de Parallel Transmit. Contudo, um aumento drástico no número de elementos utilizados pode resultar num controlo mais eficaz das interações do campo B+1 e numa diminuição considerável dos níveis de SAR devido à energia fornecida ao sistema ser distribuída por mais canais. Esta abordagem que consistente no aumento do número de canais foi então apelidada de de 'massively parallel transmit'. Tendo identificado os 'massively parallel transmit' como uma potencial solução para alguns dos problemas encontrados para ressonância magnética de campo elevado é necessário analisar morfologicamente e eletricamente possíveis soluções para a criação de um sistema deste género. Em primeira instância, é importante referir que trabalhando a 7 Tesla de intensidade de campo com a finalidade de visualizar estruturas localizadas no interior do corpo humano, é necessário trabalhar com sistemas de excitação RF que trabalhem em far-field, nomeadamente antenas RF não ressonantes, ao contrário do que acontece com as estruturas ressonantes normalmente utilizadas a campos magnéticos mais reduzidos (e.g. birdcage coil). Posto isto, é necessário, em primeira instância, identi_car os tipos de antenas a testar como elemento de um 'massively parallel transmit array'. Um outro grande problema de utilizar vários canais no sistema de excitação RF é o facto de a potência fornecida num certo canal poder ser refletida de volta
para o sistema de alimentação ou até dissipada nos restantes canais, perdendo-se assim energia que deveria ser utilizada para excitação. A questão da dissipação de potência entre canais pode ser contornada colocando os diferentes elementos em posições cuja interferência com os restantes seja mínima e a potência dissipada seja reduzida para valores aceitáveis. Além disso, alguns elementos são intrinsecamente menos propícios a interações inter-elemento tal como é o caso dos dipolos, elemento este, sob cujo projeto incidirá fortemente. Já a minimização da reflexão de potência de volta para o sistema de alimentação é conseguida igualando a impedância de entrada de cada elemento com a impedância da fonte. Não só com o tipo de antena a usar se prende a complexidade do problema, também o seu posicionamento dentro do array é de extrema importância, principalmente quando se trata antenas loop. Posto isto, de modo a correta e eficazmente avaliar o desempenho de cada um dos potenciais candidatos a um bom 'massively parallel transmit array' é necessário recorrer a ambientes de simulação eletromagnética de modo a ter uma fiel estimativa do desempenho de qualquer configuração testada. Recorrendo a simulações electromagnéticas para a análise de desempenho é possível analisar um grande número de diferentes elementos e configurações espaciais num relativamente curto espaço de tempo. Sendo assim, será possível cobrir um grande numero de diferentes arrays e consequentemente ter um melhor conhecimento da influência dos fatores não constantes na performance dos mesmos. No decorrer deste projeto, desenvolvido nas instalações do University Medical Centre of Utrecht (UMCU), todas as simulações foram efetuadas com o intuito de explorar potenciais designs de antenas para imagem usando esta abordagem, analisando o campo de transmissão (B+1), as distribuições de SAR e o rácio entre as duas quantidades, assim como os níveis de SNR. O SNR é também um fator importante na análise do desempenho de um dado array, pois embora seja de extrema importância minimizar o aquecimento devido à potência dissipada nos tecidos é também importante assegurar que o sinal recebido pelo sistema de receção não perca intensidade, garantindo que se mantém a qualidade das imagens obtidas quando se utilizar este sistema. Tendo simulado várias configurações possíveis para um `massively parallel trans-
mit array', foi necessário proceder a uma cuidadosa análise de todos os fatores que tornam um sistema de excitação fidedigno, nomeadamente a intensidade do campo B+1 , os níveis de SAR local e o SNR. Resultante desta análise, foi identificada uma configuração que obtenha um desempenho superior a todas as outras. Esta configura ção possuí como elementos uma variante da 'fractionated dipole antenna' e o seu desempenho, tendo em conta tanto a sua eficiência de transmissão como de receção, é claramente superior à configuração atualmente considerada o estado da arte que consiste num array de oito 'fractionated dipole antennas'. Não só de simulações é composto este projeto, em última instância, a configura ção que obteve o melhor desempenho entre todas as simuladas, foi construída e montada (cada elemento terá de ter a sua impedância natural alterada de modo a minimizar a potência refletida de volta para o sistema de alimentação) num array real. Estando o array pronto, foi ligado ao sistema de parallel transmit do scanner presente nas instalações do UMCU de modo a efetuar alguns testes de prova de conceito para que se pudesse comprovar a viabilidade de um `massively parallel transmit array' enquanto sistema de transmissão e receção RF.
Working on ultrahigh-field Magnetic Resonance Imaging (MRI), namely with magnetic fields of 7 Tesla and higher, has increasingly demonstrated improvement in imaging performance when compared to lower magnetic field strengths, of 1.5 or 3 Tesla, due to an increase in obtained Signal to Noise Ratio (SNR). However, this improved performance was not applicable to all imaging modalities and it was until recently not achieved for objects located deep inside the human body (e.g. prostate, cardiac). Nonetheless, a significant improvement of intrinsic SNR for prostate imaging has recently been demonstrated. One of the main reasons why this demonstration was not easily achieved is that with higher magnetic field strengths, the wavelength of the radiofrequency (RF) fields decreases to numbers comparable to the dimensions of small body structures located deeply inside the human body, causing interference patterns in the MR images due to B+1 field (RF field) inhomogeneity. Additionally, RF exposure that comes hand to hand with MR imaging causes tissues to heat like in a microwave oven and at ultrahigh field strengths, this phenomenon becomes more pronounced when in comparison to lower fields. Associated with this heating at ultrahigh field strengths, a challenge that remains is the higher Specific Absorption Rate (SAR) levels which need to be kept under very strict thresholds. Heating is generally regulated by limitation of the SAR values, i.e. the RF power deposited per unit tissue mass. Currently, the power restrictions for ultrahigh field body imaging are much more stringent than at lower field strengths. Body imaging at 7 Tesla is mostly performed using surface arrays with both receive and transmit capabilities (transceiver arrays). High SAR levels usually occur predominantly directly below the elements of the array. Currently, the maximum number of array elements is eight on most multi-transmit systems. It is possible that a drastic increase in the number of elements may reduce the SAR levels considerably due to the energy being distributed over more channels. This approach is called 'massively parallel transmit'. Throughout this project, undertaken at the University Medical Centre of Utrecht (UMCU) facilities, numerical simulations were used to explore potential antenna designs for body imaging using massively parallel transmit technology by analyzing the simulated transmit field (B+1) field and mass averaged SAR distributions and its ratio, as well as SNR levels. As a finishing step, the best performing geometry simulation-wise was built and tested as a transceive array. A suitable candidate for a 'massively parallel transmit array' was identified during the course of the simulation step of this project by using an altered version of the fractionated dipole antenna as an array element. The array's performance, taking into account both transmit and receive efficiency, was noticeably better than the state of the art surface array consisting of an 8-channel fractionated dipole array. This array was built and submitted to some initial proof of concept tests in the scanner.
Working on ultrahigh-field Magnetic Resonance Imaging (MRI), namely with magnetic fields of 7 Tesla and higher, has increasingly demonstrated improvement in imaging performance when compared to lower magnetic field strengths, of 1.5 or 3 Tesla, due to an increase in obtained Signal to Noise Ratio (SNR). However, this improved performance was not applicable to all imaging modalities and it was until recently not achieved for objects located deep inside the human body (e.g. prostate, cardiac). Nonetheless, a significant improvement of intrinsic SNR for prostate imaging has recently been demonstrated. One of the main reasons why this demonstration was not easily achieved is that with higher magnetic field strengths, the wavelength of the radiofrequency (RF) fields decreases to numbers comparable to the dimensions of small body structures located deeply inside the human body, causing interference patterns in the MR images due to B+1 field (RF field) inhomogeneity. Additionally, RF exposure that comes hand to hand with MR imaging causes tissues to heat like in a microwave oven and at ultrahigh field strengths, this phenomenon becomes more pronounced when in comparison to lower fields. Associated with this heating at ultrahigh field strengths, a challenge that remains is the higher Specific Absorption Rate (SAR) levels which need to be kept under very strict thresholds. Heating is generally regulated by limitation of the SAR values, i.e. the RF power deposited per unit tissue mass. Currently, the power restrictions for ultrahigh field body imaging are much more stringent than at lower field strengths. Body imaging at 7 Tesla is mostly performed using surface arrays with both receive and transmit capabilities (transceiver arrays). High SAR levels usually occur predominantly directly below the elements of the array. Currently, the maximum number of array elements is eight on most multi-transmit systems. It is possible that a drastic increase in the number of elements may reduce the SAR levels considerably due to the energy being distributed over more channels. This approach is called 'massively parallel transmit'. Throughout this project, undertaken at the University Medical Centre of Utrecht (UMCU) facilities, numerical simulations were used to explore potential antenna designs for body imaging using massively parallel transmit technology by analyzing the simulated transmit field (B+1) field and mass averaged SAR distributions and its ratio, as well as SNR levels. As a finishing step, the best performing geometry simulation-wise was built and tested as a transceive array. A suitable candidate for a 'massively parallel transmit array' was identified during the course of the simulation step of this project by using an altered version of the fractionated dipole antenna as an array element. The array's performance, taking into account both transmit and receive efficiency, was noticeably better than the state of the art surface array consisting of an 8-channel fractionated dipole array. This array was built and submitted to some initial proof of concept tests in the scanner.
Descrição
Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016
Palavras-chave
Engenharia Biomédica e Biofísica Teses de mestrado - 2016