Dual-frequente CRLH-Metaleitungs-Resonatoren für simultane ¹H/X-Kern MRT bei 7 Tesla

Svejda, Jan Taro LSF

Mit modernen Systemen für Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie (UHF-MRT) ist es möglich nicht invasive Schnittbilder des menschlichen Körpers zu erstellen unter Verwendung von nicht-ionisierender Strahlung. Durch das höhere Signal-zu-Rausch-Verhältniss (SNR) wird die Nutzung anderer Kerne als Wasserstoff (den X-Kernen) möglich, mit denen zusätzliche und komplementäre Informationen gewonnen werden können. Für die Anregung und Auswertung der X-Kerne ist eine maßgeschneiderte Hardware erforderlich, da die Kerne meist bei sehr unterschiedlichen Resonanz- bzw. Larmor-Frequenzen arbeiten. Für die Anwendung der Natriumatomkerne, welche die zweithöchste Häufigkeit im menschlichen Körper aufweisen, werden in dieser Arbeit spezielle dual-frequente Spulenelemente vorgestellt, die das außergewöhnliche Übertragungsverhalten von Composite Right/Left-Handed (CRLH) Metaleitungen nutzen, um gleichartige magnetische Feldverteilungen bei den Natrium- und Wasserstofffrequenzen für eine Hintergrundflussdichte von 7 Tesla zu erzeugen.
Diesem Funktionsprinzip entsprechend werden die Elemente als Congeneric Dual-Resonant Antennas (CDRAs) bezeichnet. Aufgrund des relativ großen spektralen Unterschieds zwischen den Resonanzfrequenzen von 1H (298 MHz) und 23Na (78,8 MHz) sind diverse dual-frequente Netzwerke wie die zur Leistungsanpassung sowie Speisung der CDRAs notwendig und werden in dieser Arbeit untersucht. Voll funktionsfähige CDRA-Prototypen zusammen mit diesen Netzwerken werden des Weiteren anhand von vollwellen EM-Simulationen und Nahfeldmessungen vergleichend betrachtet. Mit der daraus entstandenen Viertel-Wellen-CDRA war es schließlich möglich, gleichzeitig 23Na/1H MR-Aufnahmen eines mit Körpergewebe simulierender Flüssigkeit gefülltem Phantom zu erzeugen, in das verschiedene Einschlüsse mit kochsalzhaltigen Flüssigkeiten und Agar-Gels einbracht wurden. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse aus EM-Simulationen, HF-Messungen und MR-Bildern werden abschließend neue Ansätze zur Erhöhung des SNRs von CDRAs vorgestellt.

With modern systems for ultra-high field magnetic resonance imaging (UHF-MRT) it is possible to create non-invasive sectional images of the human body using non-ionizing radiation. Due to the higher signal-to-noise ratio (SNR), the utilization of nuclei other than hydrogen (X-nuclei) becomes feasible, with which additional and complementary information can be obtained. In this regard, a tailored hardware is required for the excitation and evaluation of the X-nuclei, since the nuclei usually operate at very different resonance respectively Larmor frequencies or the application of sodium nuclei, which have the second highest abundance in the human body, special dual-frequency coil elements are designed in this thesis, which use the extraordinary transmission behaviour of Composite Right/Left-Handed (CRLH) metamaterial transmission lines to generate virtually equal magnetic field excitation patterns at both, sodium and hydrogen frequency for the 7 Tesla background flux density.
According to this principle, the elements are called Congeneric Dual Resonant Antennas (CDRAs). Due to the relatively large difference between the resonance frequencies of 1H (298MHz) and 23Na (78,8 MHz), various dual-frequency networks such as those for power matching and feeding of the CDRAs are necessary and investigated in this dissertation. Fully operational CDRA prototypes together with these networks will also be compared using full-wave EM simulations and near-field measurements. With the resulting quarter-wave CDRA it was finally possible to successfully generate simultaneous 23Na/1H MR images of a phantom filled with body tissue simulating liquid where different inclusions containing saline fluids and agar gels are immersed. Based on the knowledge gained from EM simulations, RF measurements and MR images, novel approaches will be presented in this thesis for increasing the SNR of the CDRAs.

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Svejda, Jan Taro: Dual-frequente CRLH-Metaleitungs-Resonatoren für simultane ¹H/X-Kern MRT bei 7 Tesla. 2019.

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