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Tesis:

Diseño de un sistema de bobinas de RF para aplicaciones de imagen de resonancia magnética en flúor

  • Autor: VILLA VALVERDE, Palmira

  • Título: Diseño de un sistema de bobinas de RF para aplicaciones de imagen de resonancia magnética en flúor

  • Fecha: 2023

  • Materia: CONFICENCIAL

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72581/

  • Director/a 1º: RUIZ-CABELLO OSUNA, Jesús María
  • Director/a 2º: SANTOS LLEÓ, Andrés de

  • Resumen: De acuerdo con las estimaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS), las enfermedades pulmonares, cardiovasculares y neurovasculares son la principal causa de mortalidad en el mundo desarrollado. Las técnicas de diagnóstico por imagen desempeñan un papel fundamental en la detección precoz de estas patologías. La imagen de resonancia magnética (IRM) es una modalidad de imagen médica relativamente reciente, la primera aplicación data de 1973. Ha demostrado ser una poderosa técnica de imagen que goza de una gran notoriedad debido a su flexibilidad y sensibilidad a una amplia gama de propiedades de los tejidos y a la naturaleza no invasiva de los campos magnéticos. Dado que no requiere la exposición del sujeto a la radiación ionizante, generalmente se considera más segura que otras técnicas de imagen y una de las más apropiadas para la detección de tejido blando. Las aplicaciones de la IRM siguen expandiéndose gracias a los desarrollos en secuencias rápidas y a los avances en instrumentación, con equipos de IRM de mayor campo magnético y nuevas configuraciones en bobinas de radiofrecuencia (RF). Todo ello culmina en una mejora de la relación señal-ruido (SNR) de las imágenes de IRM. Normalmente, la imagen de RM utiliza los protones de los núcleos atómicos de hidrógeno debido a su abundancia natural. Ahora bien, todos estos adelantos en la RM, junto con los desarrollos en nuevos materiales inteligentes como, por ejemplo, derivados del perfluorocarbono (19F) incorporado en nanoemulsiones, hacen que la experimentación en X-núcleo y más concretamente en 19F, se haya incrementado considerablemente. La imagen de RM de 19F juega un papel fundamental en aquellas zonas donde la imagen de 1H está limitada, como es el caso de la detección de la estructura y función pulmonar a causa de las características propias del pulmón. Ante la escasez de bobinas de RF comerciales para 19F y teniendo en cuenta las necesidades del grupo de investigación donde se circunscribe este trabajo, el objetivo principal de esta tesis fue la implementación de bobinas de RF en 19F que maximizasen la relación señal-ruido para experimentación animal. A tal efecto, y previo a la implementación de cualquier bobina de RF, se examinó la viabilidad de cada tipo de bobinas de RF, centrando el estudio en obtener máxima SNR. El trabajo desarrollado en esta tesis doctoral expone el estudio, diseño y fabricación de tres configuraciones de bobinas de RF diferentes sobre las que se valora y compara la SNR. Primeramente, se implementó una bobina de RF de volumen birdcage paso alto de doble sintonía 1H/19F optimizada para animales pequeños, tipo rata, y para equipos de imagen de RM de 7 T. Dada su versatilidad se puede emplear tanto como bobina de RF transmisora y receptora de doble sintonía, como bobina de RF solo transmisora de doble sintonía. Fue la que presentó mayor homogeneidad en B1, pero menor SNR. A pesar de este menor rendimiento, presenta una sensibilidad capaz de detectar concentraciones tan bajas como de 3 mM en tan solo 6 minutos. A continuación, se diseñó una bobina de RF receptora consistente en un conjunto de ellas o array sintonizado en 19F, formado por cuatro elementos receptores. Se implementó para el mismo equipo de RM de 7 T y se optimizó para animales de peso no superior a 300 g. La singularidad de este array es la disposición de sus cuatro elementos alrededor de un cilindro, otorgándole forma volumétrica, en lugar de lineal que es lo habitual. El análisis de las imágenes demuestra un incremento en la SNR cuatro veces superior a la bobina de RF de volumen birdcage, resultado similar al que presentan las bobinas de RF comerciales. La ventaja de esta disposición volumétrica radica en la alta sensibilidad en el centro de la imagen, muy por encima de cualquier otra configuración. Asimismo, la sensibilidad es muy superior a la bobina de RF de volumen birdcage. Por consiguiente, esta disposición volumétrica permitiría la realización de imagen torácica con alta SNR para la visualización de estructuras internas que con cualquier otra configuración sería prácticamente imposible. Por último, se realizó otra configuración adicional para comparar los diferentes diseños. En este caso, se seleccionó una bobina de RF superficial circularmente polarizada de doble sintonía 1H/19F para el mismo equipo de RM de 7 T y optimizada para animales más pequeños, tipo ratón. Por un lado, se seleccionó la configuración de una bobina de RF superficial porque presentan mayor SNR que las bobinas de RF de volumen. Por otro lado, se eligió que fuera circularmente polarizada porque esta configuración aporta un incremento de √2 en la SNR. Los resultados obtenidos indicaron que es la configuración que proporciona mayor SNR en la proximidad de la bobina de RF. En cambio, en el centro de la imagen decae en comparación con el array, si bien es superior a la bobina de RF de volumen birdcage. Ahora bien, el nivel de sensibilidad es semejante al array. Las tres configuraciones se han optimizado para el 19F, por ser el núcleo de menor sensibilidad, y en ningún caso se ha optado por incluir elementos discretos, dado que estos degradan la SNR debido a la resistencia que presentan. No obstante, las imágenes adquiridas en 1H son de la suficiente calidad para permitir los ajustes previos y la localización de la zona anatómica de interés. Se concluye que el objetivo propuesto al principio de la tesis de diseñar bobinas de RF que maximicen la SNR para experimentación animal fue cumplido, en especial con la nueva disposición de los cuatro elementos del array proporcionándoles forma volumétrica que posibilitaría la realización de imagen torácica con alta SNR. ABSTRACT According to World Health Organization, pulmonary, cardiovascular, and neurovascular diseases are the leading cause of death in the world. Diagnostic imaging techniques play a crucial role in the early diagnosis of these pathologies. Magnetic resonance imaging (MRI) is a relatively recent medical imaging modality, the first application dating back to 1973. It has proven to be a powerful imaging technique that enjoys incredible notoriety due to its flexibility and sensitivity to a wide range of tissue properties and the noninvasive nature of magnetic fields. Since it does not require exposure of the subject to ionizing radiation, it is generally considered safer than other imaging techniques and one of the most appropriate for soft tissue detection. MR imaging applications continue to expand, thanks to developments in fast sequencing and advanced instrumentation, with higher magnetic field MR imaging equipment and new radiofrequency (RF) coil configurations. All of this results in improved signal-to-noise ratio (SNR) of MR images. Typically, MR imaging uses the protons of hydrogen atomic nuclei due to their natural abundance. However, all these advances in MRI, together with developments in new smart materials such as, for example, perfluorocarbon (19F) derivatives incorporated in nanoparticles or nanoemulsions, mean that experimentation in X-nuclei, and more specifically in 19F, has increased considerably. 19F MR imaging plays a fundamental role in those areas where 1H imaging is limited, as is the case in detecting lung structure and function due to the characteristics of the lung. Given the few commercial RF coils for 19F and considering the needs of the research group where this work is circumscribed, the main objective of this thesis was the implementation of RF coils in 19F that maximize the signal-to-noise ratio for animal experimentation. To this end, and before the construction of any RF coil, the feasibility of each type of RF coil was examined, focusing the study on obtaining maximum SNR. The work developed in this doctoral thesis presents the analysis, design, and fabrication of three different RF coil configurations on which the SNR is evaluated and compared. First, a 1H/19F dual-tuned high-pass birdcage coil optimized for small animals, such as rats, and for a 7 T MR scanner was implemented. It has the characteristic of being used both as a dual-tuned transmitter and receiver coil and as a dual-tuned transmitter-only coil. It was the one that presented higher homogeneity in B1 but lower SNR. Despite this lower performance, it has a sensitivity capable of detecting concentrations as low as 3 mM in as little as 6 minutes. Next, a receiver coil consisting of a 19F-tuned array coil consisting of four receiver elements was designed. It was implemented for the same 7 T scanner and optimized for animals weighing no more than 300 g. The uniqueness of this array is the arrangement of its four elements around a cylinder, giving it a volumetric shape instead of the usual linear one. The analysis of the images shows an increase in SNR four times higher than the birdcage coil, a result similar to commercial coils. The advantage of this volumetric arrangement lies in the high sensitivity in the center of the image, far above any other configuration. Also, the sensitivity is far superior to the birdcage coil. Consequently, this volumetric arrangement allows thoracic imaging with high SNR visualize internal structures that would be practically impossible with any other configuration. Finally, an additional setup is performed to compare the different designs. In this case, a 1H/19F dual-tuned circularly polarized surface coil is selected for the same 7 T scanner and optimized for smaller, mouse-type animals. On the one hand, the surface coil configuration was chosen because it presents higher SNR than volume coils. On the other hand, it was selected to be circularly polarized because this configuration provides a √2 increase in SNR. The results indicate that this format offers the highest SNR in the vicinity of the coil. On the other hand, in the center of the image, it declines compared to the array, although it is superior to the birdcage coil. However, the sensitivity level is similar to the array coil. The three configurations have been optimized for the 19F, the lowest sensitivity core. In no case have discrete elements been included since they degrade the SNR due to the resistance they present. Nevertheless, the images acquired in 1H are of sufficient quality to allow for presetting and localization of the anatomical area of interest. Therefore, it is concluded that the objective proposed at the beginning of the thesis to design coils that maximize SNR for animal experimentation has been fulfilled. This is especially true for the volumetrically distributed new four-element array that makes it possible to perform thoracic imaging with high SNR.