Eine Tiefpass-Birdcage-Spule, die für den Betrieb bei 64 MHz ausgelegt ist, wird simuliert, um B-Felder sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand zu zeigen. Bei Belastung mit einem heterogenen menschlichen Kopfmodell wird der Temperaturanstieg, der durch die Exposition gegenüber den Feldern der Spule verursacht wird, mithilfe des biologischen Wärmesensors von XFdtd berechnet.
Wie in der Veröffentlichung [1] beschrieben, handelt es sich bei der Spule um eine 16-sprossige Tiefpass-Vogelkäfigspule mit einem Durchmesser von 27 cm, einer Länge von 22 cm und einem Schirmdurchmesser von 34 cm, wie in Abbildung 1 dargestellt. In diesem Beispiel wird nur die konventionelle Konfiguration aus dem Aufsatz betrachtet, da die anderen Konfigurationen mit geringfügigen Änderungen dieses Grunddesigns leicht konstruiert werden können. Die Spulengeometrie wird mit XFdtd's PrOGrid Project Optimized Gridding mit unterschiedlichen Zellengrößen diskretisiert. Zusätzlich wird die XACT Accurate Cell Technology verwendet, um die Krümmung aller Teile der Spule aufzulösen. Abbildung 2 zeigt die XACT-Darstellung des FDTD-Netzes für einen Teil der Spule. Ein hochauflösendes menschliches Körpermodell wird für die geladenen Simulationen in die Spule geladen.
Abbildung 1: CAD-Darstellung der Tiefpass-Vogelkäfigspule mit einer herkömmlichen Abschirmung.
Abbildung 2: PrOGrid und XACT-Netz für einen Teil der Spulengeometrie.
An jeder Sprosse des Vogelkäfigs befindet sich eine Lücke, in die eine phasengesteuerte Spannungsquelle eingefügt wird, deren Phase mit der Winkelposition der Sprosse in der Geometrie übereinstimmt. Die Sensoren werden 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. Wie in den Abbildungen 3 und 4 zu sehen ist, zeigt das Feld durch die Mitte der Spule eine gute Symmetrie, wie es gewünscht ist. Für alle Abbildungen, in denen die Felder dargestellt sind, wurde die Eingangsleistung der Spule auf 1 W eingestellt und der Maßstab so gewählt, dass die Felder in der Mitte der Ebene besser sichtbar sind.
Abbildung 3: |B1+| in der axialen Ebene in der unbelasteten Spule, die die ausgeglichene Feldverteilung zeigt.
Abbildung 4: B in der Sagittalebene in der unbelasteten Spule.
Ein Modell des sichtbaren menschlichen Kopfes, das mit der Varipose-Software von Remcom extrahiert wurde, wird dann verwendet, um den Birdcage zu laden, wie in der 3D-Ansicht in Abbildung 5 gezeigt. Axiale und sagittale Draufsicht auf das resultierende Netz des Kopfes in der Spule sind in den Abbildungen 6 und 7 zu sehen.
Abbildung 5: Mit einem menschlichen Kopf belastete Spule.
Abbildung 6: PrOGrid-Netzdarstellung der axialen Ebene des Kopfes und der Spulengeometrie.
Abbildung 7: PrOGrid-Netzdarstellung der Sagittalebene des Kopfes und der Spulengeometrie.
Nach einer zweiten Simulation mit einer belasteten Spule sind die Felder |B1+| und B durch die belastete Spule in Abbildung 8 bzw. 9 dargestellt. Wie erwartet, stört die Einführung des menschlichen Kopfes die |B1+| Felder. Die Arbeit führt eine ähnliche Analyse für drei andere Endring-/Abschirmungskonfigurationen durch und stellt fest, dass die konventionelle Konfiguration die größte Homogenität für eine unbelastete Spule bietet, aber die geringste Homogenität, wenn sie belastet ist.
Abbildung 8: |B1+| in der axialen Ebene der belasteten Spule mit Darstellung der gestörten Feldverteilung.
Abbildung 9: B in der Sagittalebene der belasteten Spule.
Während der Simulation der belasteten Spule ermittelte der Wärmesensor den Temperaturanstieg im Kopf, der auf die Wirkung der vom Vogelkäfig abgestrahlten Felder zurückzuführen ist. Die thermische Analyse berücksichtigt die Erwärmung durch die Verlustleistung im Gewebe, die Erwärmung durch Stoffwechselprozesse und die Abkühlung durch die Blutperfusion. In den Abbildungen 10 und 11 ist die Temperatur im vorderen Teil des Gesichts in der Nähe der Augen und der Nase am stärksten angestiegen, aber auch unter dem Schädel in der Nähe des Gehirns ist eine Erwärmung zu erkennen. Der maximale Temperaturanstieg bei einer Leistungsaufnahme von 1 W ist recht gering und beträgt weniger als 0,05 Grad nach einer Expositionszeit von 3 Minuten.
Abbildung 10: Der Temperaturanstieg durch die Vogelkäfigspule in der Sagittalebene des Kopfes.
Abbildung 11: Der Temperaturanstieg durch die Vogelkäfigspule in der axialen Ebene des Kopfes.
Referenz
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Wanzhan Liu, Christopher M. Collins, Pamela J. Delp, and Michael B. Smith, "Effects of End-Ring/Shield Configuration on Homogeneity and Signal-to-Noise Ratio in a Birdcage-Type Coil Loaded With a Human Head," Magnetic Resonance in Medicine, no. 51, S. 217-221, 2004.
