Dreidimensionale Konfigurationen von NMR Phased-Array Spulen mit vielen Einzelelementen

191 Pages·2010·5.02 MB·German

Dreidimensionale Konfigurationen
von NMR Phased-Array Spulen
mit vielen Einzelelementen
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians-Universit¨at Wu¨rzburg
vorgelegt von
Matthias Mu¨ller
aus Wu¨rzburg
Wu¨rzburg 2010
Eingereicht am: 16. M¨arz 2010
bei der Fakult¨at fu¨r Physik und Astronomie
1. Gutachter: Prof. Dr. Peter M. Jakob
2. Gutachter: Prof. Dr. Axel Haase
der Dissertation
1. Pru¨fer: Prof. Dr. Peter M. Jakob
2. Pru¨fer: Prof. Dr. Axel Haase
3. Pru¨fer: Prof. Dr. Haye Hinrichsen
im Promotionskolloquium
Tag des Promotionskolloquiums: 11. Oktober 2010
Doktorurkunde ausgeh¨andigt am:
meinen Eltern

Face the voodoo magic!

Inhaltsverzeichnis
Einleitung 2
1. Magnetische Kernresonanz 7
1.1. Physikalischer Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Anregung und Detektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. Empfindlichkeit eines NMR-Experiments 13
2.1. Das NMR-Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Das Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3. Spulenempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4. Quadraturbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3. NMR-Spulentechnik 21
3.1. Anschluss der NMR-Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Der Vorverst¨arker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3. Klassifizierung von NMR-Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4. Maßnahmen zur Patientensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4. Phased-Array Spulen 33
4.1. Unabh¨angigkeit von NMR-Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.1. Geometrische Entkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.2. Kapazitive Entkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.3. Entkopplung durch Vorverst¨arker . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.4. Weitere M¨oglichkeiten der Entkopplung . . . . . . . . . . . . . 45
4.2. Optimale Dimensionen eines Phased-Arrays . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3. Rauschkorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5. NMR-Bildgebung 57
5.1. Konventionelle Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.1. Magnetfeld-Gradienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.2. Grundlegendes Bildgebungsexperiment . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.3. Der k-Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.4. Phasenkodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.5. Dauer einer NMR-Bildgebungsuntersuchung . . . . . . . . . . 60
5.1.6. 3D Volumen NMR-Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2. Parallele Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1. Parallele Bildgebung am Beispiel von SENSE . . . . . . . . . 62
i
Inhaltsverzeichnis
5.2.2. Forderungen an Spulenarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.3. 2D parallele Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6. Material und Methoden 67
6.1. NMR-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2. Charakterisierung auf der Messbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3. Charakterisierung mittels der NMR-Systeme . . . . . . . . . . . . . . 68
7. Doppel-Spiral Kopfspulenarray 71
7.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2. Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.1. Eignung fu¨r 2D parallele Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.2. Intrinsisches SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2.3. Intrinsische Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2.4. Volumenarrays mit 32 Kan¨alen . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3. Experimentelle Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.3.1. Untersuchung einzelner Spulenelemente . . . . . . . . . . . . . 104
7.3.2. Aufbau eines einfachen Doppel-Spiral Array Prototyps . . . . 106
7.3.3. Charakterisierung auf der Messbank . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3.4. Charakterisierung im NMR-System . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8. Quadratur-Element Wirbels¨aulenarray 121
8.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.2. Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2.1. Intrinsisches SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2.2. Eignung fu¨r parallele Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.3. Experimentelle Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.3.1. Aufbau und Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.3.2. Evaluierung im NMR-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9. Zusammenfassung 147
10.Summary 151
A. Anhang - Methodik zur Charakterisierung von Phased-Arrays 153
A.1. Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2. Phantome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
A.3. Messmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Literaturverzeichnis 163
Ver¨offentlichungen 177
ii
Inhaltsverzeichnis
Danksagung 181
Lebenslauf 183
1