Superconducting prepolarization coil for ultra-low-field MRI
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-12-12
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3065
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
54+1
Series
Abstract
Magnetic resonance imaging (MRI) allows the structure of matter to be studied by measuring magnetic signals emitted by proton spins in response to applied magnetic fields. Ultra-low-field (ULF) MRI at microtesla-range fields is an emerging technology with promising clinical applications, particularly in brain imaging. To increase the low magnetization of the imaged sample and the strength of the measured signal, sample polarization in a strong (∼ 10−100 mT) magnetic field prior to the ULF-MRI measurements is invariably used in present ULF-MRI instrumentations. To perform the sample prepolarization, a strong electromagnet that can be quickly ramped is required. This prepolarization electromagnet is typically realized using resistive copper conductors. Such coils, however, are large, effectively exciting unwanted transient eddy currents, require effective cooling, and possibly increase the system noise level due to thermally agitated electrons. Therefore, a compact superconducting magnet, sharing the helium bath with the SQUID sensors, is an attractive, although less used, alternative. Unfortunately, the superconducting magnets also come with their unique challenges. Superconductors are magnetized in external magnetic fields, which is the root of the greatest difficulties, as ULF MRI is sensitive to distortions in the measurement field. In this thesis, I will discuss the challenges in designing a superconducting prepolarization coil for ULF MRI that produces prepolarization pulses exceeding 100 mT, while minimally distorting other fields after the prepolarization. Methods for achieving these goals are proposed, and a small test coil was constructed to test how simulations compare with experimental measurements. The measurements show that achieving these goals should be possible with a full-sized prepolarization coil.Magneettikuvauksella (MRI) voidaan tutkia aineen rakennetta mittaamalla protonien spinien lähettämää magneettista signaalia ulkoisessa magneettikentässä. Ultramatalan kentän (ULF) MRI mikroteslaluokan kentissä on tekniikka, jolla on lupaavia kliinisiä sovelluskohteita, erityisesti aivokuvantamisen parissa. Tutkittavan näytteen matalan magnetisaation ja heikon signaalin kasvattamiseksi nykyisissä ULF-MRI-laitteissa käytetään poikkeuksetta näytteen polarisointia voimakkaassa (∼ 10−100 mT) magneettikentässä ennen itse ULF-MRI-mittauksia. Esipolaroinnin suorittamiseksi tarvitaan voimakas sähkömagneetti, jonka virtaa pitää pystyä myös muuttamaan nopeasti. Tämä sähkömagneetti on tyypillisesti toteutettu resistiivisillä kuparijohtimilla. Tällainen ratkaisu johtaa suureen kelaan, joka aiheuttaa epätoivottuja pyörrevirtatransientteja, vaatii tehokasta jäähdytystä ja saattaa nostaa laitteen kohinatasoa elektronien lämpöliikkeen seurauksena. Näistä syistä kompakti suprajohtava sähkömagneetti samassa heliumkylvyssä SQUID- sensoreiden kanssa on mielenkiintoinen, joskin vähemmän käytetty, vaihtoehto. Valitettavasti myös suprajohtaviin magneetteihin liittyy omat haasteensa. Suurimmat haasteet pohjautuvat suprajohteiden magnetoitumiseen ulkoisessa kentässä, sillä ULF MRI on herkkä mittauskentän vääristymille. Tässä työssä käsittelen haasteita liittyen suprajohtavan esipolarisaatiokelan suunnitteluun, jolla päästäisiin yli 100 mT kentänvoimakkuuteen minimaalisilla mittauskentän vääristymillä. Menetelmiä tämän tavoitteen saavuttamiseksi ehdotetaan ja pieni testikela valmistettiin, jotta simulaatioita pystyttiin vertaamaan kokeellisiin havaintoihin. Mittaukset osoittavat, että tavoitteiden saavuttaminen pitäisi olla mahdollista täysikokoisella esipolarisointikelalla.Description
Supervisor
Ilmoniemi, RistoThesis advisor
Zevenhoven, KoosKeywords
ultra-low-field magnetic resonance imaging, superconductor, coil, magnetization, vortex