Entwicklung und Charakterisierung von mikrostrukturierten Planarspulen für Kernspinresonanz-Anwendungen

Ellersiek, Dennis; Mokwa, Wilfried

doi:910018550

Entwicklung und Charakterisierung von mikrostrukturierten Planarspulen für Kernspinresonanz-Anwendungen = Development and characterisation of micro structured planar coils for nuclear magnetic resonance applications

Ellersiek, Dennis (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dennis Ellersiek

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangIX, 166 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-01-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31256
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51600/files/Ellersiek_Dennis.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Spulensystem (Genormte SW) ; Planartechnik (Genormte SW) ; Mikrosystemtechnik (Genormte SW) ; Magnetfeldsensor (Genormte SW) ; LCR-Netzwerk (Genormte SW) ; Magnetische Kernresonanz (Genormte SW) ; NMR-Bildgebung (Genormte SW) ; Katheter (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Radiofrequenzspule (frei) ; Gradientenspule (frei) ; Resonanzkreis (frei) ; Niederfeld-Kernspinresonanz (frei) ; radio frequency coil (frei) ; gradient coil (frei) ; resonant circuit (frei) ; low field nuclear magnetic resonance (frei) ; catheter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Für die zerstörungsfreie Untersuchung nichtmetallischer Proben sind heutzutage Geräte, die auf der Kernspinresonanz beruhen, aus dem Repertoire der Analysemöglichkeiten nicht mehr wegzudenken. Die bildgebende Kernspinresonanz erlaubt die Darstellung der Probenstruktur mit Auflösungen bis in den Mikrometerbereich. Ein Großteil der heutigen Systeme verwendet extrem starke Magnetfelder von mehreren Tesla. Sie eignen sich zwar für die Untersuchung kleiner Objekte, sind aber sehr kostenintensiv und definitiv ortsgebunden. Transportable Niederfeld-Geräte wurden entwickelt, um Objekte im Zentimeterbereich zu analysieren und verwenden im Allgemeinen gewickelte Messspulen aus herkömmlichem Kupferdraht. Wünschenswert wäre eine Kombination aus einem transportablen Gerät und der Möglichkeit, Strukturen im Millimeterbereich untersuchen zu können, insbesondere für die Bildgebung kleiner oberflächennaher Bereiche von großen Proben. Ein solches System könnte beispielsweise dazu dienen, Muttermale bei niedergelassenen Ärzten auf Hautkrebs zu überprüfen. Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines derartigen Systems. Zu diesem Zweck wurde ein transportables System mit den dafür notwendigen Radiofrequenz-und Gradientenspulen, einem Anpassnetzwerk für den Betrieb an herkömmlichen Spektrometern, und einem 0,4-T-Permanentmagneten entwickelt, das beliebig nahe auch an große Proben herangeführt werden kann. Die weniger als 50 µm dicken Planarspulen bestehen aus zwei Polyimid- und zwei Goldschichten. Mithilfe von Berechnungen der elektrischen Parameter, Simulationen der Magnetfelder, sowie der Überprüfung durch Messungen, konnten diese für den gewünschten Anwendungszweck optimiert werden. Es wurden Systeme hergestellt und charakterisiert, mit denen gezielt Analysebereiche von 2 mm² beziehungsweise 5 mm² Fläche von großen Proben mit einer Auflösung von bis zu 50 µm optimal untersucht werden können. Die kleinen Abmessungen der Radiofrequenz- und Gradientenspulen gestatten zudem den Einsatz mehrerer unabhängiger Systeme in wenigen Zentimetern Abstand. Dies ist mit makroskopischen Spulen nicht möglich. Bei einem ersten Systemtest an einem herkömmlichen Spektrometer konnte innerhalb von 20 Stunden eine Aufnahme eines 5 mm² großen Bereichs eines Mikrofluidiksystems mit einem Raster von 150 µm generiert werden. Eine angepasste Elektronik mit optimierter Auswertsoftware wird künftig die Messzeit deutlich reduzieren. Mit der gleichen Technologie und ähnlichen Optimierungsprozessen konnten zusätzlich Resonanzkreise entwickelt werden, die dazu dienen, Katheter auf klinischen Aufnahmen von Kernspintomografen eindeutig zu lokalisieren. Dies erlaubt die Überwachung minimal invasiver Operationen mithilfe der Kernspinresonanz, wo bisher die Katheter nur schwer von der Umgebung zu unterscheiden waren. Bisher erhältliche Systeme verfügen entweder über einen zu geringen Kontrast oder erfordern eine aufwendige Aufbau- und Verbindungstechnik. Vielfach verändern sie mit ihren Abmessungen wesentlich die Eigenschaften der Katheter. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vollintegrierte biokompatible Resonanzkreise hergestellt, die sich vollständig in 3-F-Katheter (Ø 1 mm) oder 5-F-Katheter (Ø 1,67 mm) integrieren lassen und dabei die Kathetereigenschaften nicht negativ beeinflussen. Sie eignen sich für Untersuchungen mit 1,5-T- und 3-T-Tomografen und wurden erfolgreich in Umgebung von Wasser und isotonischer Salzlösung getestet.

Systems based on nuclear magnetic resonance have become indispensable to analyse non-metallic specimen. Magnetic resonance imaging methods can resolve a specimen structure with a micrometer-scale resolution. A major part of the current systems uses magnetic fields of several Teslas. This allows the analysis of small objects, with the disadvantage of high costs and immobility. Portable low field devices, commonly based on solenoid coils of conventional copper wire, have already been developed to analyse centimetre-sized objects. However, the demand for a portable device, which enables a millimetre-sized structure analysis, was not fulfilled, especially to image small near-surface areas of large specimen. For instance, such system should be capable to verify if birthmarks are cancerous or not. The object of this work is the realisation of such system. For this purpose, a portable system was developed consisting of the necessary radio frequency coil, gradient coils, a matching circuit for the use with conventional spectrometers and a 0.4-T permanent magnet. This device can be approached indefinitely close to the specimen. The less than 50 µm thin planar coils consist of two polyimide layers and two gold layers. The coils were optimised for this special purpose with the help of electrical parameter calculations, magnet field simulations and measurements. The systems fabricated and characterised are dedicated to analyse optimally areas of 2 mm² and 5 mm² of large specimen with a resolution down to 50 µm. Due to the small coil size, a combination of several independent systems is possible at a distance of a few centimetres, which is not the case for large coils. To test the system, a 20-hour measurement with a conventional spectrometer was performed in order to image a 5-mm² area with a resolution of 150 µm from a microfludic system. Adapted electronics and optimised analysis software should decrease the measuring time considerably. The same technology and a similar optimisation were applied to develop additional resonant circuits, which, when used on a catheter, enable its localisation with magnetic resonance imaging and allow the monitoring of minimally invasive medical procedures with magnetic resonance imaging. This has been difficult until now due to a poor contrast between the catheter and the surrounding tissue. Existing systems increase the contrast insufficiently or require complicated assembly technologies. Often their dimensions result in a considerable change of the catheter properties. Within this work, monolithically integrated biocompatible resonant circuits, which can be fully integrated in catheters of 3-French (1 mm) and 5-French (1.67 mm) diameter without decreasing their qualities, were developed. Different devices for 1.5-T and 3.0-T magnetic resonance scanners were fabricated and tested successfully in water and isotonic saline solution.

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