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Enabling RF technology for ultrahigh field MRI: development and application of self-grounded bow-tie dipole antenna

Eigentler, Thomas Wilhelm

Magnetic resonance imaging (MRI) is an important diagnostic imaging modality free of ionizing radiation. Sensitivity gain, signal-to-noise ratio (SNR) considerations, and changes in the tissue dependent MRI properties. Together with technical and scientific developments further research into increasing the magnetic field strength is justified, culminating in human applications at ultrahigh magnetic field (UHF, B0 ≥ 7.0 T) MRI. Elevating the field strength results in an increased radiofrequency (RF) for signal transmission and reception in MRI (= Larmor frequency, f ≈ 298 MHz at B0 = 7.0 T). The wavelength of this RF signal becomes sufficiently short when passing through tissue relative to the size of the target anatomy of the brain, upper torso, or abdomen. This phenomenon leads to constructive and deconstructive interference of the electromagnetic field (EMF) distribution, which results in a high susceptibility for non-uniformities in the magnetic RF transmission field (B1+). This detrimental excitation field distribution can cause shading, massive signal drop-off or even signal voids, and potentially offset the benefits of UHF-MRI due to compromised image quality. UHF cardiovascular MR (CMR) benefits from SNR gains and changes in the tissue dependent MRI properties, but the B1+ distribution – in addition to the wavelength dependent non-uniformities – is further compromised by a dielectrically heterogeneous tissue environment. Research on UHF-CMR focuses on the improvement of the cardiac chamber morphology quantification, myocardial T1- and T2*-mapping, fat-water imaging, and vascular imaging (4D-flow). These applications benefit from a homogenous B1+ within the heart and the vascular structure. Several published reports on the development of RF antenna array technology tailored for UHF-CMR address this challenge with ideas and achievements to enable broad clinical UHF-CMR applications in the future. The primary objective of advancing this RF technology is to achieve a uniform B1+ distribution in the heart and the vascular structure with optimizing the magnetic field pattern. The second objective is the improvement of the RF antenna’s efficiency with the reduction of the specific absorption rate (SAR), which is achieved by an optimization of the electric field pattern. The control of the electric field is furthermore conceptually appealing beyond conventional MR imaging modalities and useful for localized and targeted RF induced thermal intervention. Combining MRI with a thermal intervention modality in an integrated Thermal MR system permits direct supervision of the treatment via MR-thermometry, as well as adapting and improving the focal point quality of the RF power deposition. The Thermal MR system is a platform for comprehensive investigation of the effects of temperature on molecular, biochemical, and physiological processes, ultimately yielding insights into temperature utilization for diagnosis and therapy in vivo. EMF control of an RF antenna array depends on the radiation pattern of the antenna elements. Electrical dipoles are promising for UHF-MRI due to a linear polarized current pattern and an energy deposition perpendicular to the antenna. However, the channel count and therefore the degree of freedom for EMF shaping of previously reported antenna concepts is limited by the geometric extent and the coupling between the elements. The first section of this work addresses the design, implementation, and validation of a novel small-sized Self-Grounded Bow-Tie (SGBT) antenna, in combination with a dielectrically filled housing. The narrowband SGBT antenna variant is used in a 32-channel transmit/receive array configuration for UHF-CMR at 7.0 T. The second section focuses on the development of a modified broadband SGBT concept for the Thermal MR system. The broadband antenna increases the degree of freedom with an adaptation of the intervention frequency to improve the focal point quality (size, homogeneity, and specificity). The third section presents the implementation and validation of a signal generator in conjunction with the broadband SGBT variant introduced in section two. The device allows the generation of the intervention signal with a time dependent, channel-wise adaptation of amplitude, phase, and frequency. The work of this thesis offers a technical and conceptual framework for an increased degree of freedom for EMF shaping for a multitude of applications ranging from UHF-MRI to interventional MRI.
Die Magnetresonanztomographie (MRI) ist ein wichtiges bildgebendes Diagnoseverfahren mit der Anwendung in vielen medizinischen Disziplinen. Die Forschung zu ultrahohen Magnetfeldern (UHF, B0 ≥ 7.0 T) im humanen Bereich wird durch technische und wissenschaftliche Errungenschaften getrieben und basiert auf einer höheren Sensitivität, einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) sowie eine Veränderung der gewebsspezifischen MR Eigenschaften. Die höhere Feldstärke resultiert auch in einer erhöhten Radiofrequenz (RF) für die MRI Signalübertragung (= Larmorfrequenz, f ≈ 298 MHz bei B0 = 7.0 T). Die Wellenlänge des RF Signals im Gewebe ist dabei bezogen zur Zielanatomie (e.g. Schädel, Oberkörper und Abdomen) verkürzt was zu konstruktiven und destruktiven Interferenzen des elektromagnetischen Feldes (EMF) führt. Diese Interferenzen ergeben ein heterogenes RF Transmissionsfeld (B1+) mit Abschattungen, massiven Signalabfällen oder Signalausfällen welche die Vorteile der UHF-MRI durch eine beeinträchtigte Bildqualität schmälert. Die UHF Herz MR (CMR) profitiert von einem SNR-Gewinn sowie von veränderten gewebsspezifischen MR Eigenschaften bei höheren Feldstärken. Jedoch wird die B1+ Verteilung, neben der gegebenen RF wellenlängenabhängigen Heterogenität, durch dielektrische Gradienten im Bereich des Thorax zusätzlich beeinträchtigt. Die anwendungsbezogene Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der UHF-CMR konzentriert sich auf die Verbesserung der Quantifizierung der Herzkammermorphologie, des myokardialen T1- und T2*-Mappings, der Fett-Wasser-Bildgebung und der Gefäßbildgebung inklusive der Flussbildgebung (4D-Flow). Die Weiterentwicklung dieser Methoden streben eine breite klinische Anwendung an und profitieren von einer homogenen B1+ Verteilung im Herzen und in der Gefäßstruktur. Das primäre Ziel der der Forschung und Entwicklung von RF Antennenarraytechnologie ist eine Optimierung der B1+ Verteilung. Das sekundäre Ziel ist die Verbesserung der Effizienz durch die Verringerung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) mittels einer elektrischen Feldoptimierung. Die Kontrolle des elektrischen Feldes kann aber auch über die konventionelle MR Bildgebung hinaus genutzt werden und ermöglicht konzeptionell eine lokalisierte und gezielte RF induzierte thermische Intervention. Die Kombination von MRI und thermischen Interventionen in einem integrierten Thermal MR System ermöglicht die Anpassung und Verbesserung der lokalen Intervention durch eine Supervision der Behandlung mittels MR-Thermometrie. Das Thermal MR System stellt damit eine technologische Plattform dar, welche eine umfassende Untersuchung der Auswirkungen der Temperatur auf molekulare, biochemische und physiologische Prozesse erlaubt. Letztlich kann die Plattform Erkenntnisse darüber liefern, wie die Temperatur für Diagnosen und Therapien in vivo genutzt werden kann. Die Kontrolle der EMF Verteilung durch ein RF Antennen Array ist abhängig von den Abstrahlungseigenschaften der einzelnen Antennenelemente. Elektrische Dipole stellen durch eine linear polarisierte Stromverteilung und eine Abstrahlungsrichtung orthogonal zur Antenne eine vielversprechende Option dar. Allerdings ist die Kanalzahl und damit der Freiheitsgrad für die EMF Optimierung bei bisher vorgestellten Antennenkonzepten durch die Größe und die Kopplung zwischen den Elementen begrenzt. Der erste Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit dem Entwurf, der Implementierung und der Validierung einer Self-Grounded Bow-Tie (SGBT) Antenne in Kombination mit einem dielektrisch gefüllten Gehäuse. Eine schmalbandige Antennenvariante wird in einer 32-Kanal Sende-/Empfangs-Array Konfiguration für UHF-CMR bei 7,0 T vorgestellt. Der zweite Abschnitt befasst sich mit der Entwicklung eines modifizierten breitbandigen SGBT-Konzepts für das Thermal MR System. Diese Antennenvariante erhöht die Freiheitsgrade für die Optimierung der elektrischen Feldverteilung um die Interventionsfrequenz und erlaubt eine Verbesserung der lokalen Erwärmung (Größe, Homogenität und Spezifität). Im dritten Abschnitt dieser Arbeit wird die Implementierung und Validierung eines Signalgenerators in Verbindung mit der im zweiten Abschnitt vorgestellten Breitbandantennenvariante vorgestellt. Der Signalgenerator erzeugt einen Interventionssignal mit der zeitabhängigen Anpassung von Amplitude, Phase und Frequenz für jeden Kanal. Die Entwicklungen und Erkenntnisse dieser Arbeit bieten einen konzeptionellen Rahmen für eine Vielzahl von realen Anwendungen, welche von der konventionellen MRI bis zu einem integrierten interventionellen Thermal MR System reichen.