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Optimierung der Anwendung von 7 Tesla Ultrahochfeld Magnetresonanztomographie HF-Spulen durch EM-Feldsimulation

Mallow, Johannes

Die Magnetresonanztomographie (MRT) erfordert ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Kom­ponenten, deren Optimierung sich gegenseitig beeinflusst. Dabei spielen traditionelle Konzepte, wie Ober­flächenspulen und Volumenspulen, als auch neuere Ansätze, wie Phased-Array-Spulen, mit 8-32 Elementen eine wichtige Rolle. Zu Beginn des vorgestellten Promotionsprojektes waren nur wenige kommerzielle MRT-Spulen für den Ultrahochfeld (UHF) Bereich verfügbar, sodass ein wichtiges Gesamtziel innerhalb der Arbeitsgruppe in der Entwicklung von UHF Multielemente-Spulen bestand. Es zeigte sich schnell, dass die Vorgehensweise bei der Optimierung der MRT-Spulen über Versuch und Irrtum mühsam, langwierig und fehlerbehaftet war. Daher sollte der Aspekt der computergestützten elektromagnetischen Feldsimulation (EM-Feldsimulation) von MRT-Spulen realisiert werden. Mithilfe von Simulationssoftware kann die Verteilung der elektromagnetischen Felder simuliert und als Grundlage zur Optimierung der Spulenarchitektur genutzt werden. Dabei ist der Einfluss verschiedener Simulationsparameter auf einige wichtige Performance-Kriterien von MRT-Spulen, wie eine möglichst homogene Feldverteilung, eine hohe Güte und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Bedeutung. Für die Simulation im UHF-Bereich ist außerdem die Integration von Körpermodellen als Last erforderlich, da die Verkürzung der Wellenlänge innerhalb des Objektes zu inhomogenen Feldverteilungen führt. Die Körpermodelle ermöglichen zudem die Berechnung der spezifischen Absorptionsrate (SAR). Für einen gezielten Einsatz von EM-Feldsimulationssoftware ist ein grundlegendes Verständnis der Feldtheorie und der numerischen Feldsimulation von Bedeutung. Diese Grundlagen werden zu Beginn der vorliegenden Arbeit dargestellt. Die Genauigkeit der EM-Feldsimulation hängt von verschiedenen Parametern ab, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer untersucht und optimiert werden. Entscheidend sind u. a. die Auflösung des zu simulierenden Bereiches, die Modellierung der MRT-Spulen und ihrer Umgebung sowie die Auflösung der Körpermodelle und die zugehörigen Materialparameter. Außerdem sollte eine EM-Feldsimulation in einem angemessenen Zeitrahmen durchgeführt werden können. Daher wurde untersucht, wie diese möglichst zeiteffizient umgesetzt werden kann und welche Restriktionen bei der Genauigkeit der Ergebnisse hingenommen werden müssen. Weiterhin ist eine Prozedur erforderlich, wie die Simulation experimentell validiert werden kann. Dies ergibt eine komplexe Vorgehensweise bei der Erstellung und Durchführung einer EM-Simulation im UHF-MRT-Bereich. Auf Basis der durchgeführten Arbeiten wird ein Workflow vorgestellt. Dieser wird als adaptiver 3D Co-Simulationsprozess bezeichnet und beschreibt die systematische Entwicklung und Evaluierung von MRT-Spulen mithilfe von EM-Feldsimulations-software sowie deren Einsatz für umfangreiche Simulationsstudien. Im Anschluss wird der entwickelte Workflow für die Durchführung einer komplexen SAR-Studie eingesetzt. Der vorgestellte optimierte Workflow soll zur Entwicklung zukünftiger Standards bei der Anwendung von EM-Feldsimulation im Bereich der UHF-MRT beitragen.

Magnetic resonance imaging (MRI) requires a complex interaction of various components, their optimization influences each other. Therefore traditional concepts, such as surface coils and volume coils, as well as more recent approaches such as phased array coils with 8-32 elements play an important role. At the beginning of the presented project only few commercial MRI radio frequency (RF) coils were available at ultra-high field (UHF). An important overall objective within the working group was the development of UHF multi element coils. It quickly became apparent that the process to the MRI RF coil optimization through trial and error was laborious, protracted and error prone. Therefore, the aspect of the computer-assisted electromagnetic field simulation (EM field simulation) of MRI RF coils should be realized. By using simulation software the distribution of the electromagnetic fields can be simulated, which serves as a basis for optimization of the RF coil architecture. The influence of different simulation parameters on some important performance criteria of MRI coils is of importance, such as a homogeneous field distribution, a high quality and a high signal-to-noise ratio (SNR). The integration of human body models as load is required for simulation at UHF MRI, since the shortening of the wavelength leads to inhomogeneous field distributions within the object. The body models enable the calculation of the specific absorption rate (SAR). A basic understanding of field theory and numerical simulation is significant for a focused application of EM field simulation software. These principles will be presented at the beginning of the present work. The accuracy of the EM field simulation depends on various parameters, which are precisely examined and optimized in the progress of the work. Crucial are the resolution of the simulated area, the modeling of MRI RF coils and their surroundings as well as the resolution of the body models and related material parameters. Furthermore, an EM field simulation should be performed in a reasonable time frame. Thus, it was examined how this can be realized time-efficiently and what restrictions in accuracy of results have to be accepted. Furthermore a procedure is needed that validates the simulation experimentally. This leads into a complex procedure for the preparation and implementation of an EM simulation at UHF MRI. Based on the results of this work a workflow will be presented. It will be designated as adaptive 3D co-simulation process and describes the systematic development and evaluation of MRI RF coils using EM field simulation software and its use for extensive simulation studies. Following the developed workflow is used for performing a complex SAR study. The presented optimized workflow should contribute to the development of future standards for the application of EM field simulation at UHF MRI.

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Mallow, Johannes: Optimierung der Anwendung von 7 Tesla Ultrahochfeld Magnetresonanztomographie HF-Spulen durch EM-Feldsimulation. 2016.

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