Optimierung der Anwendung von 7 Tesla Ultrahochfeld Magnetresonanztomographie HF-Spulen durch EM-Feldsimulation

Die Magnetresonanztomographie (MRT) erfordert ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Kom­ponenten, deren Optimierung sich gegenseitig beeinflusst. Dabei spielen traditionelle Konzepte, wie Ober­flächenspulen und Volumenspulen, als auch neuere Ansätze, wie Phased-Array-Spulen, mit 8-32 Elementen eine wichtige Rolle. Zu Beginn des vorgestellten Promotionsprojektes waren nur wenige kommerzielle MRT-Spulen für den Ultrahochfeld (UHF) Bereich verfügbar, sodass ein wichtiges Gesamtziel innerhalb der Arbeitsgruppe in der Entwicklung von UHF Multielemente-Spulen bestand. Es zeigte sich schnell, dass die Vorgehensweise bei der Optimierung der MRT-Spulen über Versuch und Irrtum mühsam, langwierig und fehlerbehaftet war. Daher sollte der Aspekt der computergestützten elektromagnetischen Feldsimulation (EM-Feldsimulation) von MRT-Spulen realisiert werden. Mithilfe von Simulationssoftware kann die Verteilung der elektromagnetischen Felder simuliert und als Grundlage zur Optimierung der Spulenarchitektur genutzt werden. Dabei ist der Einfluss verschiedener Simulationsparameter auf einige wichtige Performance-Kriterien von MRT-Spulen, wie eine möglichst homogene Feldverteilung, eine hohe Güte und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Bedeutung. Für die Simulation im UHF-Bereich ist außerdem die Integration von Körpermodellen als Last erforderlich, da die Verkürzung der Wellenlänge innerhalb des Objektes zu inhomogenen Feldverteilungen führt. Die Körpermodelle ermöglichen zudem die Berechnung der spezifischen Absorptionsrate (SAR). Für einen gezielten Einsatz von EM-Feldsimulationssoftware ist ein grundlegendes Verständnis der Feldtheorie und der numerischen Feldsimulation von Bedeutung. Diese Grundlagen werden zu Beginn der vorliegenden Arbeit dargestellt. Die Genauigkeit der EM-Feldsimulation hängt von verschiedenen Parametern ab, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer untersucht und optimiert werden. Entscheidend sind u. a. die Auflösung des zu simulierenden Bereiches, die Modellierung der MRT-Spulen und ihrer Umgebung sowie die Auflösung der Körpermodelle und die zugehörigen Materialparameter. Außerdem sollte eine EM-Feldsimulation in einem angemessenen Zeitrahmen durchgeführt werden können. Daher wurde untersucht, wie diese möglichst zeiteffizient umgesetzt werden kann und welche Restriktionen bei der Genauigkeit der Ergebnisse hingenommen werden müssen. Weiterhin ist eine Prozedur erforderlich, wie die Simulation experimentell validiert werden kann. Dies ergibt eine komplexe Vorgehensweise bei der Erstellung und Durchführung einer EM-Simulation im UHF-MRT-Bereich. Auf Basis der durchgeführten Arbeiten wird ein Workflow vorgestellt. Dieser wird als adaptiver 3D Co-Simulationsprozess bezeichnet und beschreibt die systematische Entwicklung und Evaluierung von MRT-Spulen mithilfe von EM-Feldsimulations-software sowie deren Einsatz für umfangreiche Simulationsstudien. Im Anschluss wird der entwickelte Workflow für die Durchführung einer komplexen SAR-Studie eingesetzt. Der vorgestellte optimierte Workflow soll zur Entwicklung zukünftiger Standards bei der Anwendung von EM-Feldsimulation im Bereich der UHF-MRT beitragen.Magnetic resonance imaging (MRI) requires a complex interaction of various components, their optimization influences each other. Therefore traditional concepts, such as surface coils and volume coils, as well as more recent approaches such as phased array coils with 8-32 elements play an important role. At the beginning of the presented project only few commercial MRI radio frequency (RF) coils were available at ultra-high field (UHF). An important overall objective within the working group was the development of UHF multi element coils. It quickly became apparent that the process to the MRI RF coil optimization through trial and error was laborious, protracted and error prone. Therefore, the aspect of the computer-assisted electromagnetic field simulation (EM field simulation) of MRI RF coils should be realized. By using simulation software the distribution of the electromagnetic fields can be simulated, which serves as a basis for optimization of the RF coil architecture. The influence of different simulation parameters on some important performance criteria of MRI coils is of importance, such as a homogeneous field distribution, a high quality and a high signal-to-noise ratio (SNR). The integration of human body models as load is required for simulation at UHF MRI, since the shortening of the wavelength leads to inhomogeneous field distributions within the object. The body models enable the calculation of the specific absorption rate (SAR). A basic understanding of field theory and numerical simulation is significant for a focused application of EM field simulation software. These principles will be presented at the beginning of the present work. The accuracy of the EM field simulation depends on various parameters, which are precisely examined and optimized in the progress of the work. Crucial are the resolution of the simulated area, the modeling of MRI RF coils and their surroundings as well as the resolution of the body models and related material parameters. Furthermore, an EM field simulation should be performed in a reasonable time frame. Thus, it was examined how this can be realized time-efficiently and what restrictions in accuracy of results have to be accepted. Furthermore a procedure is needed that validates the simulation experimentally. This leads into a complex procedure for the preparation and implementation of an EM simulation at UHF MRI. Based on the results of this work a workflow will be presented. It will be designated as adaptive 3D co-simulation process and describes the systematic development and evaluation of MRI RF coils using EM field simulation software and its use for extensive simulation studies. Following the developed workflow is used for performing a complex SAR study. The presented optimized workflow should contribute to the development of future standards for the application of EM field simulation at UHF MRI

Ungleichförmige und zufällig geführte Mehrfachleitungen in komplexen, technischen Systemen

Kabel und Leitungen spielen eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der EMV und Signalintegrität von technischen Systemen. Betrachtet man dabei reale technische Systeme, so stellt man fest, dass die dort verwendeten Kabelbäume aus ungleichförmigen Leitungsstrukturen bestehen. Diese Ungleichförmigkeiten führen zu Unterschieden des Übertragungsverhaltens im Vergleich zum Fall gleichförmiger Leitungen. Bei der Behandlung solcher ungleichförmigen Leitungen entstehen Leitungsgleichungen, die nicht mehr mit den klassischen Verfahren gelöst werden können. In dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, mit denen die Leitungsgleichungen für ungleichförmige Mehrfachleitungen gelöst werden können. Dabei werden neben analytischen Verfahren, wie Reihenentwicklungen und Diagonalisierungsverfahren, auch numerische Verfahren behandelt. Für die verschiedenen Verfahren werden geschlossene Formeln für den Matrizanten (Fundamentallösung) und die äquivalenten Quellen angegeben. Zur Verwendung der Ergebnisse in Netzwerkdarstellungen sind Transformationsvorschriften zu Streu-, Propagations- und Admittanzmatrizen beigefügt. Für die Anwendung der deterministischen Verfahren müssen die exakten geometrischen Positionen der einzelnen Adern entlang des Kabelbaumes bekannt sein. In der Mehrzahl der Fälle sind diese Daten aber nicht bekannt und unterliegen großen Fertigungstoleranzen. Dies führt zu stochastischen Schwankungen über einer Produktionsserie. Hier wird ein Markov-Modell für eine zufällig geführte, ungleichförmige Mehrfachleitung entwickelt, welches es ermöglicht, die ersten und zweiten stochastischen Momente analytisch zu berechnen. Auf deren Basis können die Mittelwerte und (Ko)-Varianzen abgeleiteter Größen, wie Spannungen, Ströme oder Streuparameter, angegeben werden.  Multiconductor transmission lines have an important influence on the electromagnetic com-patibility (EMC) and signal integrity of complex technical systems. In real life systems mostof these cables are nonuniform. These nonuniformities lead to differences if compared tothe properties of a uniform transmission line. This thesis describes numerical and semi-analytical methods to solve the transmission line equation for nonuniform lines which is anon-homogeneous system of first order differential equations with non-constant parameters.Formulas are given to obtain the matrizant (product integral) and the equivalent sourcevector. Transformations to scattering, propagation and admittance matrices are formulatedto use the results in network descriptions of complex cable harnesses. But for the applicationof these deterministic methods the geometric positions of all wires along the cable tube mustbe known. In the majority of cases these data are not available and may significantly varyalong the cable tube and between samples of a production series. These variations lead todeviation of transmission and EMC characteristics if compared to an ideal, deterministicsituation. In this thesis a Markov-model for a random multiconductor transmission line ispresented. For this model the first and second stochastic moments of voltages and currentscan be analytically calculated. On the basis of these moments the expected values, standarddeviations and covariances of (interference) voltages and currents or scattering parameterscan be computed.   &nbsp

Elektromagnetische Verträglichkeit emv : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit : Düsseldorf, 11.-13.03.2014

Proceedings der EMV 2014

Elektromagnetische Verträglichkeit emv : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit. Creating a compatible future. Köln, 17.-19.03.2020

Proceedings der EMV 2020

Jahresbericht 2022: Jahresbericht der Lehrstühle für Elektrische Antriebssysteme, Elektrische Netze und Erneuerbare Energie, Elektromagnetische Verträglichkeit, Leistungselektronik

Auch 2022 möchten wir Ihnen wieder unseren Jahresbericht überreichen, mit dem wir in gewohnter Weise über die neuesten Entwicklungen, Lehrveranstaltungen und Forschungsaktivitäten an den Lehrstühlen für „Elektrische Antriebssysteme“, „Elektrische Netze und Erneuerbare Energie“, „Leistungselektronik“ und „Elektromagnetische Verträglichkeit“ informieren

Investigation of electromagnetic compatibility for complex and non-deterministic environments

Auf dem Gebiet der Elektromagnetischen Verträglichkeit gewinnt durch die immer höhere Komplexität der betrachteten Systeme und die steigende Zahl an potentiellen Störquellen in der elektromagnetischen Umwelt die Einbeziehung statistischer Effekte zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere den Bereich der Schirmung gegen hochfrequente elektromagnetische Felder. In dieser Arbeit wird mit der Statistischen Multipolentwicklung eine neue Methode zur Beschreibung hochfrequenter elektromagnetischer Felder mit kleinen statistischen Variationen präsentiert. Dabei werden die Vorteile der Multipolentwicklung zur kompakten Darstellung elektromagnetischer Felder genutzt und um einen statistischen Aspekt erweitert, indem die Koeffizienten der Entwicklung, die Multipolamplituden, als Zufallsvariablen aufgefasst werden. Neben der Herleitung der Methode auf Basis der Theorie der Multipolentwicklung und Grundlagen der Stochastik werden ihre Eigenschaften, Vor- und Nachteile diskutiert. Schließlich wird die Methode in unterschiedlichen Kontexten evaluiert. Zunächst wird eine zweidimensionale zylindrische Schirmstruktur betrachtet, die eine große Bedeutung für theoretische Untersuchungen der Elektromagnetischen Schirmdämpfung hat und eine semi-analytische Bestimmung der Statistischen Multipolamplituden aus einer gegebenen Variation des anregenden Feldes ermöglicht. Anschließend wird als Beispiel für einen realen Schirm eine vereinfachte dreidimensionale Schirmstruktur untersucht. Die Berechnung der Feldstatistik erfolgt hier durch numerische Simulationen, die Ermittlung der statistischen Multipolamplituden durch eine für diesen Zweck entworfene sphärische Multipolschnittstelle. Sowohl die Multipolschnittstelle als auch die Ergebnisse der Statistischen Multipolentwicklung für die dreidimensionale Schirmgeometrie werden eingehend diskutiert.In the field of Electromagnetic Compatibility the investigation of increasingly complex systems in the presence of evermore potential sources of electromagnetic interference demands the inclusion of statistics. This is especially true for the examination of shielding enclosures at high frequencies. This thesis presents the Statistical Multipole Expansion, a new method for describing high frequency electromagnetic fields in the presence of small statistical variations. It makes use of the known advantages of multipole expansion while adding statistical uncertainty by assuming the coefficients of the expansion to be random variables. The new method is derived from the theory of multipole expansion and basic stochastics. Its properties, advantages and limits are discussed in detail. The Statistical Multipole Expansion is evaluated in different contexts. First a two-dimensional cylindrical shielding structure is examined. This geometry is of great interest for the theoretical analysis of shielding effectiveness and the statistical multipole amplitudes can be determined semi-analytically. Next a simple three-dimensional shielding enclosure is investigated. The field statistics are calculated using numerical simulations. From these the statistical multipole amplitudes are derived using a custom made spherical multipole interface. Both the multipole interface and the resulting multipole expansion are discussed in detail

Proceedings EMV Kongress 2022 : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit

Proceedings der EMV 202