[논문 리뷰] Traveling Wave MRI at 21.1 T: Propagation below Cut-off for Ultrahigh Field Vertical Bore System

Alexey Tonyushkin, Javier Muñiz외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 05.

Advanced MRI Techniques and Applications참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 21.1 T에서 스크리ened 다이에렉트릭 웨이브가이드와 고유전도도를 가진 수용액을 이용해 일반적인 공극 웨이브가이드의 커프오프 주파수 이하에서 RF 파동의 전파를 가능하게 하여 이동파 MRI를 구현한다. 다이에렉트릭 필링과 루프 코ils를 활용함으로써, 필드 오브 뷰가 확장되고 흥(excitation)의 균일성이 향상된 전파 모드를 달성하였으며, 시뮬레이션과 초고자기장에서의 실험 영상으로 검증되었다.

ABSTRACT

At high magnetic field strengths (> 4 T), the propagation wave vector of the excitation field B1 can no longer be ignored as the wavelength becomes commensurate or smaller than the imaging field of view (FOV), particularly for high dielectric media. The emergence of this propagation wave vector renders the excitation field variant in both time and space. In this paper, the propagation of RF excitation waves in a high field vertical NMR system is demonstrated for the first time with an appropriate screened dielectric waveguide excited by a simple loop coil to enable below cutoff propagation for imaging in the far field. Uniquely, aqueous samples provide the high permittivity required to modify the cut-off requirements of this transmission system. Theory and simulations corroborate the observed propagating modes field patterns. The ease of construction and implementation of this setup permits use in a variety of high field systems. At a minimum, this design provides a larger FOV that is limited primarily by the three-dimensional linearity of the gradient coil. More critically, it also opens up the use of multimode excitation for selective nulling or maximum excitation of the FOV along the direction of wave propagation.

연구 동기 및 목표

• 초고자기장 MRI에서 근접장 RF 코ils의 공간적 제약을 극복하기 위해 이동파 흥(excitation)를 가능하게 하기 위해.
• 21.1 T에서 소형 베어링, 고유전도도를 가진 수직 NMR 시스템에서 공극 웨이브가이드의 커프오프 주파수 이하의 파동 전파를 입증하기 위해.
• 다중모드 웨이브가이드 구조를 통해 필드 오브 뷰 전반에 걸쳐 균일하고 제어 가능한 흥(excitation)을 달성하기 위해.
• 수용액을 다이에렉트릭 웨이브가이드로 사용하여 초고자기장 시스템에서 RF 모드의 전파 가능성을 검증하기 위해.
• 이동파 MRI가 대규모 필드 오브 뷰, 고처리량 소형 동물 영상 및 분석에 잠재력을 지닌다는 것을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 마그넷 베어링과 탈이온수로 채워진 다이에렉트릭 튜브가 원통형 웨이브가이드를 형성하며, 이로 인해 효과적인 유전율이 증가하여 커프오프 주파수를 낮춘다.
• 루프 코일을 사용하여 웨이브가이드를 흥(excite)하며, TE11 및 TE01과 같은 전파 모드에 RF 에너지를 커플링한다. 흥(excitation) 기하학적 특성은 코일의 방향(웨이브가이드 축에 수직 또는 평행)에 따라 조절된다.
• 금속 쉴드가 경계 조건을 제공하고 복사 손실을 줄이기 위해 스크리ened 다이에렉트릭 웨이브가이드 구성이 사용된다.
• 헬름홀츠 방정식과 웨이브가이드 분산 관계(h = √(k² - (χ′ₘₙ/a)²)) 기반의 이론적 모델링 및 유한요소 시뮬레이션을 통해 모드 구조와 전파 거동을 예측한다.
• 비대칭 모드를 억제하고 TE01 모드 순도를 향상시키기 위해 별 모양으로 배열된 다이에렉트릭 튜브로 구성된 모드 필터를 사용하였다.
• 다양한 실험 런 동안 SNR와 필드 패턴 일관성을 평가하였으며, 다중모드 오염을 최소화하기 위해 튜닝 안정성을 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공극 웨이브가이드의 커프오프 주파수 이하에서, 소형 베어링, 고유전도도를 가진 수직 초고자기장 시스템(21.1 T)에서 이동파 MRI가 달성될 수 있는가?
• RQ2 웨이브가이드의 다이에렉트릭 필링이 소형 베어링 직경을 가진 시스템에서 커프오프 조건을 어떻게 변화시키며, RF 모드의 전파를 가능하게 하는가?
• RQ3 코일 방향(수직 대 평행)이 21.1 T에서의 이동파 MRI에서 흥(excitation) 균일성과 SNR에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다이에렉트릭 필터와 기하학적 설계를 통해 다중모드 흥(excitation)를 얼마나 잘 제어할 수 있으며, 원하는 필드 패턴을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이동파 접근 방식이 기존 RF 코ils의 근접장 제약을 초월하여 사용 가능한 필드 오브 뷰를 상당히 연장시킬 수 있는가?

주요 결과

• 공극 웨이브가이드의 커프오프 주파수 이하이지만, 고유전도도를 가진 수용액 다이에렉트릭 필링 덕분에 21.1 T 수직 베어링 시스템에서도 전파 모드가 성공적으로 구현되었다.
• 수직 코일 구성에서 중심 흥(excitation) 패턴이 시뮬레이션된 TE11 유사 모드와 일치하였으며, 중심 축 단면에서 최대 SNR 92를 기록하여 수평 코일 설정(79.2)을 능가하였다.
• 시뮬레이션과 실험 결과는 고정된 기하학적 구조와 코일 튜닝 조건에서 일관된 필드 패턴을 보였으며, 웨이브가이드 모드 이론에 기반한 이론적 예측과 일치하였다.
• 소규모 코일 또는 다이에렉트릭의 이격으로 인한 튜닝 불안정성은 다중모드 흥(excitation)과 왜곡된 패턴을 유발하였으며, 정밀한 기계적 정렬 또는 통합 프로브 설계의 필요성을 강조하였다.
• 별 모양으로 배열된 다이에렉트릭 모드 필터는 비대칭 모드를 효과적으로 억제하여, 수평 코일 설정에서 깔끔한 TE01 모드 전파를 가능하게 하였다.
• 충분한 다이에렉트릭 필링이 없는 경우 더 큰 금속 베어링 직경(10.5 cm)을 사용할 때 SNR가 감소하였으며, 이는 낮은 효과적 유전율과 모드 구속성 감소 때문으로 기인되었다.