Advances in superconducting sensors for medical imaging and metrology

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Hassel, Juha, Dr., Technical Research Centre of Finland VTT, Finland
dc.contributor.author Luomahaara, Juho
dc.date.accessioned 2014-11-26T10:00:20Z
dc.date.available 2014-11-26T10:00:20Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5956-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5955-6 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14502
dc.description.abstract In brain imaging, two complementary but technologically contradicting techniques are magnetoencephalography (MEG) and magnetic resonance imaging (MRI). MEG examines the function of the brain by measuring very weak magnetic fields, produced as a result of neuronal activity, with sensors based on superconducting quantum interference device (SQUID). MRI employs large magnetic fields and enables imaging of the structure of matter. The recent advances in ultra-low-field (ULF) MRI have made a medical instrument incorporating MEG and ULF MRI functionalities an attractive topic of research. The contradictions become evident when comparatively high fields of ULF MRI are subjected to SQUID magnetic field sensors, degrading their performance. In this thesis, the field tolerance of the sensors was improved. Special attention was paid to sensor response recovery and operation after a magnetic pulse. A hybrid MEG-ULF MRI instrument was constructed with the aid of new sensors. The instrument operation was verified, and results indicate that including ULF MRI in a MEG device is a viable concept. In addition, a new type of magnetometer was developed, taking advantage of the nonlinear kinetic inductance of superconducting material. The experimental data, together with the theory, demonstrate a device with low noise and intrinsically high dynamic range. Furthermore, the kinetic inductance magnetometer is suitable for biomagnetic multichannel measurements, as only one amplifier is needed in the readout of multiple sensors. The simple design reduces costs in fabrication and enables higher tolerance of magnetic fields than achievable with SQUID sensors. A new superconducting transformer design is introduced as a final step. Connecting to a SQUID results in a highly sensitive current detector. The device is a candidate for closing the quantum metrology triangle (QMT) experiment, a long-standing goal in metrology. The aim of the QMT is to improve confidence in the planned revision of the SI unit system by comparing the quantum standards of current, voltage and resistance. The device was characterized for the purpose by using it as a null current detector in the simulation of a QMT experiment. Results disclose the potential of the device and provide insight into some of the practical challenges relevant to null detection. en
dc.description.abstract Aivokuvantamisessa kaksi toisiaan täydentävää, mutta teknisesti vastakkaista menetelmää ovat magnetoenkefalografia (MEG) ja magneettikuvaus (MRI). MEG tutkii aivojen toimintaa mittaamalla suprajohtavaan kvantti-interferenssilaitteeseen (SQUID) perustuvilla antureilla hermosignaalien seurauksena syntyviä, erittäin heikkoja magneettikenttiä. Korkeiden magneettikenttien käyttö MRI:ssä mahdollistaa materiaalin rakenteen kuvantamisen. Ultramatalan kentän (ULF) MRI:ssä tapahtuneen kehityksen seurauksena MEG:n ja ULF MRI:n yhdistämisestä yhdeksi mittalaitteeksi onkin tullut kiinnostava tutkimuskohde. Menetelmien ristiriitaiset vaatimukset tulevat esille, kun ULF MRI:n verrattain korkeat magneettikentät kohdistetaan SQUID-magneettikenttäantureihin, mikä heikentää niiden suorituskykyä. Tässä väitöskirjassa antureiden kenttäsietoisuutta parannettiin kiinnittämällä erityistä huomiota niiden toipumiseen ja toimintaan magneettipulssin jälkeen. Kehitettyjen antureiden avulla työssä rakennettiin yhdistetty MEG-ULF MRI -laite. Laitteen toiminta verifioitiin ja tulokset osoittavat, että ULF MRI -toiminnallisuus tuo lisäarvoa MEG-laitteeseen. Väitöskirjassa kehitettiin myös uudenlainen magneettikenttäanturi käyttäen hyväksi kineettisen induktanssin epälineaarisuutta suprajohtavassa materiaalissa. Kokeelliset tulokset yhdessä kehitetyn teorian kanssa osoittavat, että laitteella on matala kohinataso ja luontaisesti laaja dynaaminen alue. Lisäksi kineettisen induktanssin magnetometri soveltuu hyvin monen kanavan biomagneettisiin mittauksiin, sillä usean anturin luenta voidaan hoitaa yhdellä vahvistimella. Laitteen yksinkertaisuus vähentää valmistuskustannuksia ja mahdollistaa SQUID-antureita paremman magneettikenttäsietoisuuden. Lopuksi työssä esitellään uudenlainen suprajohtava muuntaja. Kytkemällä se SQUID-anturiin saadaan aikaan erittäin herkkä virtamittari. Laitetta voidaan käyttää kvanttimetrologiakolmiokokeen (QMT) sulkemiseen, joka on yksi metrologian pitkäaikaisista tavoitteista. QMT:n tarkoituksena on kasvattaa luottamusta suunniteltuun SI-yksikköjärjestelmäuudistukseen vertaamalla virran, jännitteen ja vastuksen kvanttinormaaleja toisiinsa. Laite karakterisoitiin tarkoitusta varten käyttämällä sitä nollailmaisimena QMT-kokeen simuloinnissa. Tulokset osoittavat kehitetyn laitteen potentiaalin ja antavat yksityiskohtaista tietoa nollailmaisuun liittyvistä käytännön haasteista. fi
dc.format.extent 76 + app. 45
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 182/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: J. Luomahaara, P. T. Vesanen, J. Penttilä, J. O. Nieminen, J. Dabek, J. Simola, M. Kiviranta, L. Grönberg, C. J. Zevenhoven, R. J. Ilmoniemi and J. Hassel, All-planar SQUIDs and pickup coils for combined MEG and MRI, Supercond. Sci. Technol. 24, 075020 (2011). DOI: 10.1088/0953-2048/24/7/075020
dc.relation.haspart [Publication 2]: P. T. Vesanen, J. O. Nieminen, K. C. J. Zevenhoven, J. Dabek, L. T. Parkkonen, A. V. Zhdanov, J. Luomahaara, J. Hassel, J. Penttilä, J. Simola, A. I. Ahonen, J. P. Mäkelä and R. J. Ilmoniemi, Hybrid ultra-low-field MRI and magnetoencephalography system based on a commercial whole-head neuromagnetometer, Magn. Reson. Med. 69, 1795 - 1804 (2013). DOI: 10.1002/mrm.24413
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Luomahaara, V. Vesterinen, L. Grönberg and J. Hassel, Kinetic inductance magnetometer, Nat. Commun. 5, 4872 (2014). DOI: 10.1038/ncomms5872
dc.relation.haspart [Publication 4]: J. Luomahaara, M. Kiviranta and J. Hassel, A large winding-ratio planar transformer with an optimized geometry for SQUID ammeter, Supercond. Sci. Technol. 25, 035006 (2012). DOI: 10.1088/0953-2048/25/3/035006
dc.relation.haspart [Publication 5]: J. Luomahaara, A. Kemppinen, P. Helistö and J. Hassel, Characterization of SQUID-based null detector for a Quantum Metrology Triangle experiment, IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 1601705 (2013). DOI: 10.1109/TASC.2012.2237212
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.subject.other Medical sciences en
dc.subject.other Physics en
dc.title Advances in superconducting sensors for medical imaging and metrology en
dc.title Edistysaskelia suprajohtavien antureiden kehityksessä lääketieteellisen kuvantamisen ja metrologian tarpeisiin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Mikro- ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Micro and Nanosciences en
dc.subject.keyword superconducting quantum interference device en
dc.subject.keyword SQUID en
dc.subject.keyword magnetoencephalography en
dc.subject.keyword MEG en
dc.subject.keyword ultra-low-field magnetic resonance imaging en
dc.subject.keyword ULF MRI en
dc.subject.keyword kinetic inductance en
dc.subject.keyword quantum metrology triangle en
dc.subject.keyword QMT en
dc.subject.keyword null detector en
dc.subject.keyword flux transformer en
dc.subject.keyword suprajohtava kvantti-interferenssilaite fi
dc.subject.keyword magnetoenkefalografia fi
dc.subject.keyword ultramatalan kentän magneettikuvaus fi
dc.subject.keyword kineettinen induktanssi fi
dc.subject.keyword kvanttimetrologiakolmio fi
dc.subject.keyword nollailmaisin fi
dc.subject.keyword vuomuuntaja fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5956-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Tittonen, Ilkka, Prof., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, Finland
dc.opn Schneiderman, Justin, Prof. (associate), MedTech West and University of Gothenburg, Sweden
dc.rev Stolz, Ronny, Dr., Institute of Photonic Technology, Germany
dc.rev Maasilta, Ilari, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.date.defence 2014-12-12


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account