Transmit field pattern control for high field magnetic resonance imaging with integrated RF current sources

The primary design criterion for RF transmit coils for MRI is uniform transverse magnetic (B1) field. Currently, most high frequency transmit coils are designed as periodic, symmetric structures that are resonant at the imaging frequency, as determined by the static magnetic (B0) field strength. These coils are excited by one or more voltage sources. The distribution of currents on the coil elements or rungs is determined by the symmetry of the coil structure. At field strengths of 3T and above, electric properties such as the dielectric constant and conductivity of the load lead to B1 field inhomogeneity due to wavelength effects and perturbation of the coil current distribution from the ideal. The B1 field homogeneity under such conditions may be optimized by adjusting the amplitudes and phases of the currents on the rungs. However, such adjustments require independent control of current amplitudes and phases on each rung of the resonant coil. Due to both the strong coupling among the rungs of a resonant coil and the sensitivity to loading, such independent control would not be possible and B1 homogeneity optimization would involve a time consuming and impractical iterative procedure in the absence of exact knowledge of interactions among coil elements and between the coil and load. This dissertation is based on the work done towards the design and development of a RF current source that drives high amplitude RF current through an integrated array element. The arrangement is referred to as a current element. Independent control of current amplitude and phase on the current elements is demonstrated. A non-resonant coil structure consisting of current elements is implemented and B1 field pattern control is demonstrated. It is therefore demonstrated that this technology would enable effective B1 field optimization in the presence of lossy dielectric loads at high field strengths

Light Control Using Human Body Temperature Based on Arduino Uno and PIR (Passive Infrared Receiver) Sensor

This study aims to implement the PIR sensor, Arduino UNO and 2 channel relay Module to automatically turn on the lights in the classroom at the STMIK Hang Tuah Pekanbaru campus, where the classes at the Hang Tuah Pekanbaru STMIK campus still use manual switches as controllers lights on. Therefore, a device is designed that can control the lights by using movements detected by the PIR sensor and processed using a computer.This system functions to turn on the lights automatically when someone enters the classroom and turn off the lights automatically when no one is in the class. The hardware used is Arduino Uno microcontroller, PIR motion sensor, 2 channel relay module, and 1.5 volt flashlight. The software for making programs is Arduino IDE where the programming language used is the C programming language. The test results show that the PIR sensor can detect the movement of people entering or leaving a room

History and physical principles of MRI

International audienceThe first chapter of the three-volume Magnetic Resonance Imaging Handbook describes the historical and physical background of modern nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI) methods and techniques

Doctor of Philosophy

dissertationThis thesis is focused on the investigation of the fundamental physical nature and potential technical applications of spin-dependent charge carrier recombination in poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene (MEH-PPV), a π conjugated polymer which has been utilized as organic thin film semiconductor. Pulsed electrically detected magnetic resonance (pEDMR) spectroscopy was used to observe how coherent spin motion of paramagnetic charge carrier states (so called polarons) control the macroscopic conductivity of thin (∼100nm) MEH-PPV layers under different charge carrier injection regimes. The pEDMR experiments were conducted at frequencies covering almost three orders of magnitude (∼20MHz to ∼10GHz) and at temperatures between ∼5K and ∼300k. The measurements revealed that under balanced bipolar injection, the conductivity of MEH-PPV is influenced at any temperature by the polaron pair (PP) mechanism, a spin-dependent process previously described in the literature. The experiments showed that PPs are weakly exchange-and dipolar-coupled pairs but they are strongly influenced by proton induced hyperfine fields. Electrical detection of coherent polaron-spin motion revealed extraordinary long coherence times (order of μs) at room temperature which could qualify PPs for quantum information applications. The PP mechanism was also demonstrated to work as an extraordinary sensitive (< 50 nT Hz−1/2) organic thin film probe which uses the polarons gyromagnetic ratio γ as magnetic field standard. γ was observed to be independent of temperature, device-current, and -bias, and degradation of the MEH-PPV device. In addition to the PP mechanism, another spin-dependent process previously described in the literature was confirmed to significantly influence conductivity in MEH-PPV: Triplet-exciton polaron recombination

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Research on passive instrumentation and stimuli generation for Saturn IB equipment checkout. Volume II - Detailed technical report Final report, 26 Jun. 1965 - 31 May 1966

Passive instrumentation and stimuli generation for Saturn IB equipment checkout - nondestructive testin

NMR micro-detectors tailored for multinuclear and electrochemistry lab-on-a-chip applications

This work offers three solutions tailored to specific applications to overcome NMR challenges in the micro-domain. As the first sub-topic of this work, different potential electrode designs, compatible with NMR technique, are suggested and experimentally evaluated. As the second focus point, this work tackles multinuclear detection challenges. In parallel, a low-cost, broadband insert is discussed to enhance the sensitivity of standard NMR coils when a small sample volume is available

Atténuation des interactions électromagnétiques entre le module de détection LabPET II et l’IRM

Les scanners TEP/IRM simultanés offrent une occassion unique d'examiner en même temps les propriétés anatomiques et fonctionnelles des tissus malins, tout en évitant l'incertitude des systèmes séquentiels de TEP/IRM. Cependant, le couplage électromagnétique entre les deux modalités constitue un défi important à relever. Ces interférences électromagnétiques entravent les performances du scanner et altèrent la qualité d'image de chaque modalité. Bien que les métaux possèdent d'excellentes propriétés de blindage contre les fréquences radioélectriques, ils ne constituent pas nécessairement une option de blindage appropriée pour modifier les champs magnétiques induisant des courants de Foucault dans les couches métalliques. En conséquence, il existe une demande considérable pour un nouveau matériau de protection et une approche originale pour retirer les pièces métalliques du champ de vision IRM. L’objectif de ce projet était d’initier les études en vue de la réalisation d’un scanner TEP/IRM simultané basé sur des modules de détection LabPET II hautement pixélisés afin d’obtenir une résolution spatiale millimétrique pour le cerveau humain et le chien. L'électronique LabPET II comprend des circuits intégrés à application spécifique dans lesquels le signal est numérisé à proximité de la photodiode à avalanche et offre un environnement moins sensible aux interférences électromagnétiques. Pour atteindre l'objectif principal, premièrement, l'effet du matériau métallique des modules de détection LabPET II sur les performances de la TEP et de l'IRM est examiné théoriquement. Les résultats confirment que les composants métalliques du module de détection LabPET II altèrent le champ magnétique, génèrent des courants de Foucault ce qui augmente leur température. Ensuite, les performances électroniques des modules de détection LabPET II sous l’influence de bobines d’IRM faites sur mesure sont examinées. La résolution en énergie et la résolution temporelle se détériorent en présence de bobines RF et de bobines à gradient en raison des perturbations électromagnétiques. Subséquemment, un module de détection LabPET II blindé par une fine couche de composite cuivre-argent est étudié, prouvant que le blindage contre les interférences électromagnétiques avec le composite rétablit les performances en TEP, fournissant moins d'induction par courants de Foucault. En outre, une nouvelle configuration de blindage basée sur un composite de couche flexible de nanotubes de carbone a été fabriquée pour limiter les interférences électromagnétiques. Les composites de nanotubes de carbone créent une couche hautement conductrice avec des chemins conducteurs minimaux, ce qui permet de réduire les courants de Foucault. Le principal résultat scientifique de ce projet est que le blindage composite empêche les interférences de basses et hautes fréquences et réduit l'induction de courants de Foucault, offrant ainsi la flexibilité nécessaire pour acquérir une séquence rapide de commutation de gradients. D'un point de vue technique, le module de détection LabPET II ainsi blindé présente une excellente performance dans un environnement de type IRM, ce qui permet de concevoir un insert TEP basé sur la technologie LabPET II.Abstract: Simultaneous PET/ MRI scanners provide a unique opportunity to investigate anatomical and functional properties of malignant tissues at the same time while avoiding the uncertainty of a sequential PET/MRI systems. However, electromagnetic coupling between the two modalities is a significant challenge that needs to be addressed. These electromagnetic interferences (EMI) hinder the performance of both scanners and distort the image quality of each modality. Although metals have excellent radio-frequency shielding properties, they are not necessarily an appropriate shielding option for altering magnetic fields that induce eddy currents in any metallic layer. Thus, there is a considerable demand for a new shielding material and an original approach to remove metallic parts from the MRI field of view. The objective of this project was to initiate the realization of a simultaneous PET/MRI scanner based on highly pixelated LabPET II detection modules to achieve millimeter spatial resolution for the human brain and dogs. The LabPET II electronics include application specific integrated circuits where the signal is digitized near the avalanche photodiode and offers an environment less susceptible to EMI. To fulfill the main aim, for the first time, the effect of the metallic material of LabPET II on PET and MRI performance was theoretically examined. Results confirm that metallic components of the LabPET II detection modules distort the magnetic field, generate eddy currents, and increase temperature. Then, the LabPET II electronics performance under the influence of custom-made MRI coils was investigated. Its energy and timing resolutions deteriorate in the presence of both RF and gradient signals because of EMIs. Thus, a LabPET II detection module shielded by a thin layer of the copper-silver composite was investigated, proving that shielding EMIs with the composite restores the PET performance, with less eddy current induction. Besides, a new shielding configuration based on a flexible layer of carbon nanotube (CNT) composite was fabricated to limit the EMIs. The CNT composite creates a highly conductive layer with minimal conductive paths that allows eddy currents to be decreased. The primary scientific outcome of this project is that the novel composite shielding rejects both low and high-frequency interferences and reduces eddy current induction, offering the flexibility to acquire a fast gradient switching sequence. From a technical point of view, the shielded LabPET II detection module demonstrates an excellent performance in an MRI-like environment supporting the feasibility of designing a PET-insert based on LabPET II technology

58th Annual Rocky Mountain Conference on Magnetic Resonance

Final program, abstracts, and information about the 58th annual meeting of the Rocky Mountain Conference on Magnetic Resonance, co-endorsed by the Colorado Section of the American Chemical Society and the Society for Applied Spectroscopy. Held in Breckenridge, Colorado, July 17-21, 2016