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Abstract A surface radio frequency coil was developed for small animal image acquisition in a pre-clinical magnetic resonance imaging system at 7 T. A flexible coil composed of two circular loops was developed to closely cover the object to be imaged. Electromagnetic numerical simulations were performed to evaluate its performance before the coil construction. An analytical expression of the mutual inductance for the two circular loops as a function of the separation between them was derived and used to validate the simulations. The RF coil is composed of two circular loops with a 5 cm external diameter and was tuned to 300 MHz and 50 Ohms matched. The angle between the loops was varied and the Q factor was obtained from the S11 simulations for each angle. B1 homogeneity was also evaluated using the electromagnetic simulations. The coil prototype was designed and built considering the numerical simulation results. To show the feasibility of the coil and its performance, saline-solution phantom images were acquired. A correlation of the simulations and imaging experimental results was conducted showing a concordance of 0.88 for the B1 field. The best coil performance was obtained at the 90° aperture angle. A more realistic phantom was also built using a formaldehyde-fixed rat phantom for ex vivo imaging experiments. All images showed a good image quality revealing clearly defined anatomical details of an ex vivo rat.

This paper systematically studied the simultaneous measurement of two parameters by a LC-type passive sensor from the theoretical perspective. Based on the lumped circuit model of the typical LC-type passive dual-parameter sensor system, the influencing factors of the signal strength of the sensor as well as the influencing factors of signal crosstalk were both analyzed. It is found that the influencing factors of the RF readout signal strength of the sensor are mainly quality factors (Q factors) of the LC tanks, coupling coefficients, and the resonant frequency interval of the two LC tanks. And the influencing factors of the signal crosstalk are mainly coupling coefficient between the sensor inductance coils and the resonant frequency interval of the two LC tanks. The specific influence behavior of corresponding influencing factors on the signal strength and crosstalk is illustrated by a series of curves from numerical results simulated by using MATLAB software. Additionally, a decoupling scheme for solving the crosstalk problem algorithmically was proposed and a corresponding function was derived out. Overall, the theoretical analysis conducted in this work can provide design guidelines for making the dual-parameter LC-type passive sensor useful in practical applications.

The main goal of this Thesis is the design and development of Radio-Frequency (RF) coils for sodium Magnetic Resonance Imaging (MRI) at Ultra High Field (UHF). The advantage of using UHF MR scanners is due to the possibility to achieve improved Signal-to-Noise-Ratio (SNR) and spatial resolution. These characteristics are fundamental in case of imaging with nuclei different from proton, which provide an intrinsically lower signal because of their lower in-vivo concentration and lower gyromagnetic ratio. Moreover, the overlap between sodium and proton images allows the accurate localization of regions with an anomalous sodium concentration, thanks to the anatomically more detailed proton images. For this reason, in case of imaging with non-proton nuclei, Dual-Tuned (DT) coils are preferable, since they allow the signal acquisition in a fixed spatial orientation of the subject, thus removing the need of patient’s repositioning between two consecutive acquisitions with two different RF coil resonating at the two Larmor frequencies of proton and sodium, respectively. Therefore, with a DT coil, automatically co-registered images can be obtained. The cost to pay is an increase in the design and development complexity with respect to a standard RF coil. In this Thesis, RF coils prototypes for sodium imaging (Larmor frequency ≃ 79 MHz) have been designed and developed for two different applications: human knee and human head imaging. Concerning the knee imaging, both surface coils, suitable for the signal reception, and volume coils, suitable for the sample excitation, have been designed and developed. All surface coils for knee imaging are dual-tuned. The first DT-RF coil prototype has been developed to study and characterize the issues related to the coupling between the two resonant structures, which usually compose a DT coil. New decoupling strategies have been proposed and developed as an alternative to the standard decoupling by using trap circuits, including models based on PIN diodes and Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) switches. The volume RF coil for the knee imaging, built to be sensitive to the sodium signal only, has been designed according to the birdcage model. It has been developed to face with potential issues related to sodium volume coil interfacing with the MR system and signal acquisition before starting the construction of DT volume coils. Concerning the head imaging, an imbricated DT-RF coil, consisting of two concentrically placed birdcages, and the related electronic interface needed to connect the coil to the MR system, have been developed. Finally, an unconventional DT volume coil model (four-ring model), consisting of two birdcage-like resonant structures arranged on the same cylindrical surface and tuned at the two frequencies of interest, has been taken into account. The four-ring model has been optimized though electromagnetic simulations, with the main purpose of increasing the magnetic field homogeneity at the proton Larmor frequency at 7 T (≃ 300 MHz), and finally compared with the imbricated model.

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
Anti-inflamatórios não esteróides (NSAIDs) tópicos foram introduzidos no tratamento da artrite reumatóide, de forma a evitar os efeitos secundários da administração oral destes medicamentos. Embora seja conhecido que os NSAIDs de aplicação tópica são capazes de penetrar na pele humana, não existem estudos com humanos in vivo que mostrem a eficiência de penetração e o percurso do medicamento até ao local de inflamação. O in vivo tracking do medicamento deve ser efectuado por um método eficaz e não invasivo. A ressonância magnética (MRI) e espectroscopia por ressonância magnética (MRS) do flúor (19F) são de maior interesse para este propósito, dado que a MRI oferece um excelente contraste de tecidos, elevada resolução espacial e temporal e, a ausência de flúor nos tecidos biológicos faz do núcleo deste átomo um probe ideal para fazer tracking e quantificação in vivo de NSAIDs que contenham flúor. A baixa resolução espacial e temporal de 19F MRI/MRS, devido a baixas concentrações deste átomo nas regiões de interesse, pode ser aumentada nos campos magnéticos ultra elevados (UHF) pelo aumento da razão sinal-ruído (SNR) que acompanha o aumento da intensidade do campo do magneto estático. Porém, o aumento do campo magnético acarreta desvantagens como o aumento da não homogeneidade do campo de excitação B+1e da absorção da energia de radio frequência (RF), que causa o aquecimento indesejável dos tecidos. RF array coils de superficie com um design ideal e com os parâmetros RF refinados podem usufruir da elevada SNR de UHF e, ao mesmo tempo reduzir a não homogeneidade do B+1e evitar a elevada deposição de energia de RF de modo a que esta não exceda os limites de taxa de absorção específica (SAR). Neste projecto foi desenvolvida uma coil de superfície de frequência dual (1H e 19F) para registo de imagens anatómicas com protões, assim como de imagens e espectroscopia de flúor no tracking e quantificação deste átomo num creme de NSAID com flúor (ácido flufenâmico) num joelho humano a 7.0 Tesla. A coil construída consiste em três partes, contendo quatro canais de protão e quatro canais de flúor, que abrangem toda a área de interesse. As duas partes anteriores, com dois canais de flúor e um de protão cada, cobrem a parte anterior do joelho, onde o creme de NSAID é aplicado. A parte posterior, formada por dois canais de protão, é curvada convexamente para suportar confortavelmente o joelho durante os exames de MRI. O circuito do condutor da coil foi imprimido numa folha de cobre através de um sistema de controlo numérico por computador. Vários condensadores foram soldados ao longo do condutor de modo a diminuir o seu comprimento, assim são evitadas as fases zero da onda sinusoidal, onde não há sinal, na medida em que o comprimento de onda em 7.0 T é aproximadamente o comprimento dos condutores. Foram colocados condensadores ajustáveis nos locais de circuito reservados ao tuning, matching e decoupling dos elementos da coil. Desde modo, a coil pode ser ajustada a diferentes loads (fantomas ou humanos) conforme o necessário. Além disso, ainda foram colocadas cable traps nos cabos de alimentação de cada canal, para evitar as correntes instáveis dos respectivos cabos que podem influenciar a performance da coil. A performance da coil foi avaliada através de S-parameters, mais especificamente através do coeficiente de reflexão (Sii), que indica a porção da energia que é reflectida quando ela é imposta no canal i, e através do coeficiente de transmissão (Sij), que indica que porção da energia imposta no canal i é transmitida e perdida para o canal j. Os resultados obtidos mostraram que os coeficientes de reflexão de todos os canais se encontravam abaixo de -30 dB, ou seja, na pior das hipóteses, apenas 0.1% da energia emitida para um canal é reflectida para trás, o que mostra que quase toda a energia é recebida pelos canais para produzir o campo de excitação B+1. Os coeficientes de transmissão variavam entre -16 dB a -25 dB, revelando que as perdas de energia de um canal para outro podem de ser até 2.5%, ou seja, a perda não é significativa. O factor Q também foi medido para verificar a performance da coil. A razão entre Q com load e Q sem load de todos os canais apresentou-se menor que 0.5. Este resultado mostra que o ruído vem maioritariamente do load e não do circuito da coil em si, o que é desejável, uma vez que nestas condições uma melhor razão sinal-ruído pode ser obtida. A intensidade e a fase dos campos de radiofrequência variam dentro do objecto conforme a sua forma, permitividade e condutividade eléctricas. Em campos maiores que 3.0 T, o comportamento das ondas electromagnéticas torna-se difícil de prever com métodos simples e quási-estáticos, tanto que é necessário recorrer à simulação completa de campos electromagnéticos. As simulações oferecem um conhecimento antecipado do comportamento de B+1, assim como da deposição da energia RF nos tecidos, que é mais elevada nos campos magnéticos ultra elevados, como no caso de 7.0 T. Deste modo, o sobreaquecimento dos tecidos pode ser previamente visualizada e evitada. Neste projecto, as simulações foram efectuadas com o software SEMCAD X que se baseia no método das diferenças finitas no domínio temporal (FDTD) para resolver as equações diferenciais de Maxwell. De forma a mostrar a credibilidade das simulações, uma simulação da coil com um fantoma foi efectuada de modo a obter mapas de B+1, usados para comparar os mapas deB+ 1 obtidos experimentalmente. Como resultado, os mapas simulados e medidos apresentavam uma semelhança significativa em termos qualitativos. Ao nível quantitativo, estes apresentavam uma diferença de 21.5 ± 7.6% para os canais de protão e de 47.8 ± 9.2% para os canais de flúor, apesar das correcções de perdas de energia em hardware nas medições. A diferença quantitativa nos canais de protão pode dever-se a perdas extras desconhecidas no scanner. A significativa diferença presente nos canais de flúor pode ser explicada pelo facto dos mapas experimentais serem obtidos na frequência de protão e extrapolados através dos S-parameters, uma vez que não existia nenhum fantoma que contivesse flúor no momento da experiência. Adicionalmente, os S-parameters foram adquiridos fora do scanner, sendo por isso apenas uma aproximação dos S-parameters reais durante as medições. Contudo, pode afirmar-se que a validação das simulações é credível pela significativa semelhança qualitativa dos mapas em todos os canais, e da semelhança quantitativa entre os canais de protão. Os valores de SAR médio de 10 g, obtidos por simulação para as configurações de fase 3 utilizadas nos scans reais, foram encontrados como sendo 0.306 W/kg para a frequência de flúor (279.5 MHz) e 0.375 W/kg para a frequência de protão (297.0 MHz). Estes valores encontram-se muito abaixo do limite estabelecido pelas directrizes da IEC, 20.0 W/kg para as extremidades do corpo. É de notar também que, os valores de SAR obtidos pela simulação não têm em conta as perdas de energia existentes na realidade, por isso, num scan real, o valor de SAR não iria exceder os valores simulados. Os valores de T1 e T2 para o creme de NSAID com ácido flufenâmico a usar nas experiências in vivo foram encontrados através de espectroscopia, através da variação de TR para o T1 e de TE para o T2. Foi também elaborada uma curva de concentração, onde para cada quantidade de creme de NSAID existe a correspondente intensidade de sinal. As imagens de ressonância obtidas com a coil construída mostram um bom contraste e homogeneidade na área de interesse. A homogeneidade foi conseguida por uma sessão de shimming in vivo. A resolução espacial foi de 0.7 × 0.7 mm2 no plano e 5 mm para a espessura de fatia para imagens de protão e, de 2 × 2 mm2 no plano e 5 mm para a espessura de fatia para imagens de flúor. Os estudos in vivo foram conduzidos em dois voluntários saudáveis, na ausência de voluntários com reumatóide artrite. Os voluntários aplicaram o creme que contém NSAID sobre o joelho. Foram efectuadas espectroscopias não-localizadas a intervalos regulares de modo a verificar a existência da alteração do sinal inicial que pudesse indicar a absorção do creme na pele. Os resultados, porém, não se mostraram conclusivos, uma vez que a espectroscopia efectuada abrangia as regiões no exterior e no interior do corpo. Foi efectuada, adicionalmente, uma espectroscopia localizada com o método SPECIAL dentro do joelho de um dos voluntários, após 172 minutos do primeiro scan, contudo nenhum sinal foi detectado. A inexistência do sinal pode dever-se à não penetração do creme na região onde o voxel SPECIAL foi colocado, ou contrariamente, ter ocorrido a penetração do creme mas numa quantidade demasiada baixa para poder ser detectada. Nos trabalhos futuros, devem-se ser incluídos outros métodos para detecção do creme de NSAID in vivo com a coil desenvolvida, como espectroscopias localizadas dentro e fora do joelho, com tempos mais longos de scan, e com pacientes que tenham reumatóide artrite e voluntários saudáveis, de modo a comparar a eficiência da absorção do medicamento.
Topical non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) have been introduced to treat rheumatoid arthritis condition in order to avoid side effects from its oral form. Although it is known that topical NSAIDs are able to penetrate the human skin, no human in vivo studies were carried out to show the penetration efficiency and the drug delivering path at the site of inflammation. In vivo drug tracking should be carried out by a non-invasive and effective method. A good candidate is fluorine (19F) magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS), since MRI offers excellent tissue contrast and high spatial and temporal resolutions. The absence of fluorine in biological tissue makes it an ideal probe to track and quantify fluorine containing NSAIDs in vivo. In this project, a dedicated 1H/19F dual tuned surface coil with eight channels was constructed to register proton anatomical images and fluorine images/spectroscopy to track and quantify a fluorine containing NSAID ointment in human knee at 7.0 tesla. The constructed coil showed low reflection and transmission coefficients (<-30 dB and <-16 dB respectively) and noise dominant Q ratio, which enounces SNR gain. Electromagnetic field (EMF) simulations were carried out to visualize RF field patterns and SAR values for safety. Comparison between simulated and measured B+1maps showed reasonable qualitative and quantitative agreement, validating the SAR simulations, which give an estimation of the deposited RF power in the tissue in a real MRI scan. In vivo 19F spectroscopy, aimed to observe and quantify the skin absorption of flufenamic acid contained NSAID, showed inconclusive results. The spectroscopy performed with a SPECIAL voxel placed inside the knee did not show any fluorine signal, either due to non-absorption of the NSAID or the absorbed quantity was too low to be detected. Further improved in vivo experiments should be carried out with RA patients.