| Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International (46MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-406746
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.40674
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 4 September 2019 |
| Begutachter (Erstgutachter): | PD Dr Wolfgang Nitz |
| Tag der Prüfung: | 26 Juli 2019 |
| Institutionen: | Nicht ausgewählt |
| Stichwörter / Keywords: | MRI cryostat, eddy currents, FE simulations, coupled simulation, gekoppelte Simulation, MRT Kryostat, Wirbelströme, magnetomechanical, magnetomechanisch |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 40674 |
Zusammenfassung (Englisch)
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is one of the most utilized imaging modalities in medical diagnosis. Key components of common clinical MRI systems are the superconducting main coils and the so-called ’gradient coils’. The former generate a strong static magnetic field (several Tesla of field strength) while the latter can be operated dynamically, producing linear magnetic field gradients. For ...
Zusammenfassung (Englisch)
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is one of the most utilized imaging modalities in medical diagnosis. Key components of common clinical MRI systems are the superconducting main coils and the so-called ’gradient coils’. The former generate a strong static magnetic field (several Tesla of field strength) while the latter can be operated dynamically, producing linear magnetic field gradients. For maintaining the superconductive state, the main coils are cooled with liquid helium, which is enclosed in several metallic cylinders. This so-called cryostat is to some extent assembled with materials possessing high electrical and thermal conductivity. The dynamic fields generated by the gradient coils will induce eddy currents within these materials. Lorentz forces from the interaction of these currents with the static main magnetic field lead to mechanical vibrations of the conductive parts. These vibrations in turn induce eddy currents according to Lenz’s law, as the conductors move within a magnetic field. The fields emitted by these additional eddy currents initiate the described magnetomechanical interaction process on other conductive parts in the MRI system. Consequences of this magnetomechanical coupling are phenomena like image artifacts or heat loads caused by eddy current losses which show a strong resonant behavior. Whereas a dependency of eddy current losses on magnetomechanical interactions was already reported and could also be simulated for simple configurations, imaging artifacts as a cause of magnetomechanical effects were so far not described. Purpose of this work is to demonstrate this connection for the example of so-called ’ghosting artifacts’ in echo planar imaging and to provide methods for analyzing and mitigating negative magnetomechanical implications.
Since a general analytical solution of the complex (non-linear) coupled mechanisms is not available, numerical simulations via finite elements are employed to describe and analyze the system behavior. Former investigations of this kind have been limited to axial symmetric gradient coils reducing the problem to two dimensions. This thesis expands the analysis to coil shapes demanding a complete three-dimensional approach. The developed framework is successfully applied to reproduce and reduce cryostatresonances excited by the magnetomechanical coupling that leads to excessive eddy current losses. Capabilities, limitations and the reliability of the presented simulation setup are discussed.
The system understanding obtained from the finite element simulations is used to develop a fast and drastically simplified algorithm to calculate estimations concerning the magnetomechanical behavior of the MRI system. Therefore, it is assumed that the main characteristics of the system are described by modal participation factors of the cryogenic shielding, reacting to the excitation generated by the gradient coil stray field. This method allows the identification of crucial mode shapes concerning eddy current losses as well as ghosting artifacts. Measurements verify that a reduction of the ascribed participation factors leads to a clear mitigation of the related effects.
An experimental evidence of the imaging relevant influence of magnetomechanical interactions is provided with a series of measurements using magnetic resonance techniques combined with direct magnetic flux measurements utilizing a pickup coil. The results allow to establish a dependency between the ghosting provoking magnetic fields in the imaging volume of the MRI system and fields emitted from movements of the cryostat.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine der am häufigsten eingesetzten nicht-invasiven Bildgebungsarten der medizinischen Diagnostik. Hauptkomponenten von gebräuchlichen klinischen MRT Systemen sind die supraleitenden Hauptmagnetspulen und die sogenannten „Gradientenspulen”. Erstere produzieren ein starkes statisches Magnetfeld (in der Größenordnung einiger Tesla an Magnetfeldstärke), während ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine der am häufigsten eingesetzten nicht-invasiven Bildgebungsarten der medizinischen Diagnostik. Hauptkomponenten von gebräuchlichen klinischen MRT Systemen sind die supraleitenden Hauptmagnetspulen und die sogenannten „Gradientenspulen”. Erstere produzieren ein starkes statisches Magnetfeld (in der Größenordnung einiger Tesla an Magnetfeldstärke), während letztere dynamisch geschaltet werden können und einen räumlich linearen Magnetfeldgradienten erzeugen. Um den supraleitenden Zustand zu gewährleisten, werden die Hauptmagnetspulen in einem Kryostaten eingefasst und mit flüssigem Helium gekühlt. Der Kryostat besteht unter anderem aus mehreren gegeneinander thermisch isolierten Kesseln, die teilweise aus hochleitfähigem (elektrisch und thermisch) Metallen bestehen. Die zeitlich veränderlichen Felder der Gradientenspulen induzieren in diesen Kryostatkesseln Wirbelströme. Aufgrund der Wechselwirkung dieser Ströme mit dem statischen Hauptmagnetfeld entstehen Lorentzkräfte und entsprechende mechanische Vibrationen auf den leitfähigen Strukturen. Gemäß der Lenzschen Regel induzieren diese Vibrationen innerhalb eines magnetischen Feldes wiederum Wirbelströme. Durch diese Wirbelströme werden elektromagnetische Felder emittiert, die den soeben beschriebenen, magnetomechanisch gekoppelten Prozess auch auf umliegenden leitfähigen Teilen herbeiführen. Gewisse Phänomene wie spezielle Bildgebungsartefakte oder Wärmeeinträge in den Kryostaten aufgrund von Wirbelstromverlusten mit starkem resonanten Verhalten können durch diese magnetomechanische Kopplung erklärt werden. Während die Abhängigkeit zwischen Wirbelstromverlusten und magnetomechanischen Wechselwirkungen bereits für einfache Modelle simuliert werden konnten, gibt es bisher keinen nachgewiesenen Zusammenhang zwischen Artefakten bei der Bildgebung und magnetomechanischen Effekten. Ziel dieser Arbeit ist es diesen Zusammenhang erstmals herzustellen. Dazu werden am Beispiel des sogenannten „Ghosting Artefakts“ in der EPI (Echo Planar Imaging) Bildgebung Methoden vorgestellt, um die magnetomechansich induzierten Auswirkungen zu analysieren und zu reduzieren.
Zur Untersuchung des Systemverhaltens werden numerische Finite Elemente Simulationen angewendet, da eine analytische Lösung des komplexen (nicht linear) gekoppelten Mechanismus nicht möglich ist. Bisherige Ansätze dieser Art waren auf zweidimensional abbildbare Probleme axialsymmetrischer Gradientenspulen begrenzt. In dieser Arbeit werden zusätzlich Spulengeometrien simuliert, die zwingend eine Beschreibung in allen drei Raumdimensionen erfordern. Das entwickelte Simulationsmodell wird im ersten Schritt dazu verwendet, um magnetomechanisch angeregte Resonanzen des Kryostaten und die damit verbundenen Wirbelstromverluste zu reproduzieren. Im zweiten Schritt werden die Verluste mittels vorhersagen durch die Simulationen erfolgreich reduziert. Im Zuge dessen werden die Einsatzmöglichkeiten und Limitierungen sowie Aussagekraft und Zuverlässigkeit der präsentierten Simulationsmodellierung diskutiert.
Das mittels der Finite Elemente Simulationen gewonnene Systemverständnis, ermöglicht die Entwicklung eines weniger komplexen und entsprechend schnellen Algorithmus zur Vorhersage des magnetomechanischen Verhaltens von MRT Systemen. Hierfür wird angenommen, dass die Hauptcharakteristiken des Systems durch modale Partizipationsfaktoren des Kryostaten beschrieben werden können. Dadurch können kritische mechanische Moden identifiziert werden, die durch das Streufeld der Gradientenspulen angeregt werden und Wirbelstromverluste sowie Ghosting Artefakte erzeugen. Anhand von Messungen wird verifiziert, dass eine Reduzierung der relevanten Partizipationsfaktoren zu einer Verminderung dieser Phänomene führt.
Die Auswirkungen der magnetomechanischen Wechselwirkungen auf die Bildgebung werden zusätzlich durch eine Reihe von Experimenten bestätigt. Dazu werden Erkenntnisse aus Messungen mit Mitteln der MRT sowie mit einer Sensorspule (zur direkten Messung von magnetischen Flussänderungen) kombiniert. Die Ergebnisse erlauben es eine Abhängigkeit herzustellen zwischen den für Ghosting Artefakte verantwortlichen Magnetfeldoszillationen im Bildgebungsvolumen des MRT Systems und den durch Kryostatbewegung emittierten Magnetfeldern.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 17:40
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