Temperaturanstiegssimulation in 64 MHz Vogelkäfigspule

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Eine Tiefpass-Vogelkäfigspule, die für den Betrieb bei 64 MHz ausgelegt ist, wird simuliert, um B-Felder sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand anzuzeigen. Bei Belastung mit einem heterogenen Humankopfmodell wird der Temperaturanstieg durch die Exposition gegenüber den Feldern der Spule mit Hilfe des biologischen Temperatursensors von XFdtd berechnet.

Wie im Papier[1] beschrieben, handelt es sich bei der Spule um eine 16-sprungene, tief durchgehende Vogelkäfigspule mit einem Durchmesser von 27 cm, einer Länge von 22 cm und einem Schilddurchmesser von 34 cm, wie in Figur 1 dargestellt. In diesem Beispiel wird nur die herkömmliche Konfiguration aus dem Papier betrachtet, da die anderen Konfigurationen mit leichten Modifikationen an diesem Grundkonzept problemlos konstruiert werden können. Die Diskretisierung der Spulengeometrie erfolgt mit dem PrOGrid Project Optimized Gridding von XFdtd mit unterschiedlichen Zellgrößen. Zusätzlich wird die XACT Accurate Cell Technology eingesetzt, um die Krümmung an allen Teilen der Spule zu lösen. Abbildung 2 zeigt die XACT-Darstellung des FDTD-Netzes für einen Teil der Spule. Für die geladenen Simulationen wird ein hochauflösendes Humankörpermodell in die Spule geladen.

Abbildung 1: CAD-Darstellung der Tiefpass-Vogelkäfigspule mit einem konventionellen Schild.

Abbildung 2: PrOGrid- und XACT-Netz eines Teils der Spulengeometrie.

Bei jeder Sprosse des Vogelkäfigs existiert eine Lücke, in der eine phasengesteuerte Spannungsquelle hinzugefügt wird, wobei die Phase der Winkelposition der Sprosse in der Geometrie entspricht. Die Sensoren sind so eingestellt, dass sie die stationären B-Felder in zwei Ebenen der Geometrie speichern, und die Simulation wird mit einer 64 MHz Sinuswelle als Quellsignal durchgeführt.

Nach der ersten Simulation mit einer unbelasteten Spule werden die Felder |B1+| und B wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt dargestellt. Wie in den Abbildungen 3 und 4 zu sehen ist, weist das Feld durch die Mitte der Spule eine gute Symmetrie auf, wie gewünscht. Für alle Figuren, die Felder anzeigen, wurde die Eingangsleistung der Spule auf 1 W eingestellt und der Maßstabsbalken so eingestellt, dass die Felder in der Mitte der Ebene besser dargestellt werden.

Abbildung 3: |B1+| auf der axialen Ebene in der unbelasteten Spule mit der symmetrischen Feldverteilung.

Abbildung 4: B auf der sagittalen Ebene in der unbelasteten Spule.

Ein Modell des sichtbaren menschlichen Kopfes, das von der Varipose-Software von Remcom extrahiert wurde, wird dann zum Laden des Vogelkäfigs verwendet, wie in der 3D-Ansicht von Abbildung 5 dargestellt. Axiale und sagittale planare Ansichten des resultierenden Netzes des Kopfes in der Spule sind in den Figuren 6 und 7 zu finden.

Abbildung 5: Spule mit menschlichem Kopf beladen.

Abbildung 6: PrOGrid-Netzdarstellung der axialen Ebene der Kopf- und Spulengeometrie.

Abbildung 7: PrOGrid-Netzdarstellung der sagittalen Ebene der Kopf- und Spulengeometrie.

Nach einer zweiten Simulation mit einer geladenen Spule sind die Felder |B1+| und B durch die geladene Spule in Abbildung 8 bzw. 9 dargestellt. Wie erwartet, stört die Einführung des menschlichen Kopfes die Felder |B1+|. Das Papier führt eine ähnliche Analyse für drei weitere Endring-/Schutzschildkonfigurationen durch und stellt fest, dass die konventionelle Konfiguration die höchste Homogenität für eine ungeladene Spule bietet, aber die geringste Homogenität beim Laden.

Abbildung 8: |B1+| auf der axialen Ebene der belasteten Spule mit der gestörten Feldverteilung.

Abbildung 9: B auf der Sagittalebene der geladenen Spule Abbildung 9: B auf der Sagittalebene der geladenen Spule.

Während der Simulation der belasteten Spule ermittelte der Thermosensor den Temperaturanstieg im Kopf durch den Einfluss der abgestrahlten Felder aus dem Vogelkäfig. Die thermische Analyse berücksichtigt die Erwärmung durch Verlustleistung im Gewebe, die Erwärmung durch Stoffwechselprozesse und die Kühlung durch Blutdurchblutung. In den Figuren 10 und 11 stieg die Temperatur am stärksten an der Vorderseite des Gesichts in der Nähe der Augen und der Nase, aber auch unter dem Schädel in der Nähe des Gehirns ist eine Erwärmung zu sehen. Der maximale Temperaturanstieg für einen 1 W-Eingang ist recht gering und beträgt nach einer Einwirkzeit von 3 Minuten weniger als 0,05 Grad.

Abbildung 10: Der Temperaturanstieg von der Vogelkäfigspule in der Sagittalebene des Kopfes.

Abbildung 11: Der Temperaturanstieg von der Vogelkäfigspule in der axialen Ebene des Kopfes.

Referenz

  1. Wanzhan Liu, Christopher M. Collins, Pamela J. Delp und Michael B. Smith, "Auswirkungen der Endring/Schildkonfiguration auf die Homogenität und das Signal-Rausch-Verhältnis in einer Vogelkäfigspule, die mit einem menschlichen Kopf beladen ist". Magnetresonanz in der Medizin, nein. 51, S. 217-221, 2004.