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High Impedance Surface – Electromagnetic Band Gap (HIS-EBG) Structures for Magnetic Resonance Imaging (MRI) Applications

Saleh, Gameel

High Impedance Surface – Electromagnetic Band Gap (HIS-EBG) structures are one class of Metamaterials with unique and useful electromagnetic properties. This thesis proposes the first application of EBG structures for Magnetic Resonance Imaging (MRI) applications, with the aim of improving effectiveness of coils in creating RF magnetic flux density inside the patient or a phantom. The anti-phase currents in the metallic ground planes placed underneath transmit RF coils for ultrahigh field MRI represent the main reason for the reduction in RF magnetic flux density above these coils (inside the load). In addition, they support the propagation of surface waves which radiate from edges and corners wasting power in the back hemisphere.
The objective of this thesis is to investigate the potential of improving the efficiency of a well-established RF coil for 7 Tesla MRI by replacing the standard ground planes with specially designed EBG structures which exhibit novel electromagnetic properties: The reflection of such structures exhibits a frequency range over which an incident electromagnetic wave does not experience a phase reversal, and the image currents appear in-phase rather than out of phase as they do on the standard ground planes. Due to this, the EBG structure is termed an artificial magnetic conductor. Furthermore, it suppresses the propagation of surface waves..
In this thesis, novel EBG structures are proposed and fabricated, and their electromagnetic properties are characterized analytically, numerically, and are validated by measurements. The RF coil backed by our proposed EBG ground planes exhibits improvement in the magnetic flux density inside phantoms compared to the case when it is backed by conventional ground planes of the same dimensions..
A novel multilayer offset stacked polarization dependent EBG structure is designed to work as a soft surface with anisotropic surface impedance. The designed structure solves the problem of the limited space available in MRI magnet bores. The RF coil backed by the proposed soft surface exhibits stronger magnetic field inside the phantom, while the electric field and the specific energy absorption rate values are reduced.

High Impedance Surface – Electronic Band Gap (HIS-EBG) Strukturen bilden eine Klasse von Metamaterialien mit einzigartigen elektromagnetischen Eigenschaften, welche nicht ohne weiteres in der Natur vorkommen. In dieser Arbeit werden zum ersten Mal EBG Strukturen für den Einsatz in Ultra-Hochfeld Magnetresonanz-Tomographie Anwendungen vorgeschlagen, mit dem Ziel die Effektivität von Spulen, welche für die Erzeugung von hochfrequenten magnetischen Flussdichten in Patienten oder Phantomen verwendet werden, zu erhöhen. Gegenphasige Ströme in den metallischen Masseflächen unterhalb der HF Sende-Spulen sind der Hauptgrund für die Reduzierung der hochfrequenten magnetischen Flussdichten oberhalb dieser Spulen. Ferner kommt es zur Anregung von Oberflächenwellen auf den metallischen Masseflächen und zur Abstrahlung an den Kanten und Ecken, wodurch Leistung in eine unerwünschte Richtung abgestrahlt wird..
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten zur Verbesserung des Wirkungsgrads von gängigen HF Spulen für 7 Tesla MRT, bei welchen die Standard- Massefläche durch speziell entworfene EBG Strukturen ersetzt wurde. Bei der Reflektion an solchen Strukturen erfährt die einfallende elektromagnetische Welle in einem bestimmten Frequenzbereich keine Umkehrung der Phase. Im Gegensatz zur Standard-Massefläche, in welcher gegenphasige Ströme entstehen, sind die Ströme in der EBG Struktur gleichphasig. Auf Grund dessen werden die EBG Strukturen als künstliche magnetische Leiter bezeichnet. Des Weiteren wird die Ausbreitung von Oberflächenwellen in EBG Strukturen unterdrückt..
In dieser Arbeit, werden einige neuartige EBG Strukturen vorgestellt. Die elektromagnetischen Eigenschaften dieser Strukturen werden sowohl analytisch als auch nummerisch beschrieben und messtechnisch validiert. Die HF Spulen über der EBG Struktur weisen, im Vergleich zum Aufbau über einer herkömmlichen Massefläche, eine deutlich erhöhte magnetische Flussdichte im inneren des Phantoms auf..
Des Weiteren wurde eine neuartige, versetzt aufgebaute und polarisationsabhängige Multilagen-EBG Struktur entworfen mit reduzierten Abmessungen um als anisotrope „Soft“-Oberflächenimpedanz fungieren zu können. Die HF Spule über dieser vorgeschlagenen „Soft“ Oberflächenimpedanz führt im inneren des Phantoms zu einer Erhöhung der magnetischen Feldstärke, wobei die Elektrische Feldstärke und die Spezifische Absorptionsrate reduziert werden.

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Saleh, Gameel: High Impedance Surface – Electromagnetic Band Gap (HIS-EBG) Structures for Magnetic Resonance Imaging (MRI) Applications. 2013.

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