Entwicklung und Charakterisierung von mikrostrukturierten Planarspulen für Kernspinresonanz-Anwendungen

• Development and characterisation of micro structured planar coils for nuclear magnetic resonance applications

Ellersiek, Dennis; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Für die zerstörungsfreie Untersuchung nichtmetallischer Proben sind heutzutage Geräte, die auf der Kernspinresonanz beruhen, aus dem Repertoire der Analysemöglichkeiten nicht mehr wegzudenken. Die bildgebende Kernspinresonanz erlaubt die Darstellung der Probenstruktur mit Auflösungen bis in den Mikrometerbereich. Ein Großteil der heutigen Systeme verwendet extrem starke Magnetfelder von mehreren Tesla. Sie eignen sich zwar für die Untersuchung kleiner Objekte, sind aber sehr kostenintensiv und definitiv ortsgebunden. Transportable Niederfeld-Geräte wurden entwickelt, um Objekte im Zentimeterbereich zu analysieren und verwenden im Allgemeinen gewickelte Messspulen aus herkömmlichem Kupferdraht. Wünschenswert wäre eine Kombination aus einem transportablen Gerät und der Möglichkeit, Strukturen im Millimeterbereich untersuchen zu können, insbesondere für die Bildgebung kleiner oberflächennaher Bereiche von großen Proben. Ein solches System könnte beispielsweise dazu dienen, Muttermale bei niedergelassenen Ärzten auf Hautkrebs zu überprüfen. Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines derartigen Systems. Zu diesem Zweck wurde ein transportables System mit den dafür notwendigen Radiofrequenz-und Gradientenspulen, einem Anpassnetzwerk für den Betrieb an herkömmlichen Spektrometern, und einem 0,4-T-Permanentmagneten entwickelt, das beliebig nahe auch an große Proben herangeführt werden kann. Die weniger als 50 µm dicken Planarspulen bestehen aus zwei Polyimid- und zwei Goldschichten. Mithilfe von Berechnungen der elektrischen Parameter, Simulationen der Magnetfelder, sowie der Überprüfung durch Messungen, konnten diese für den gewünschten Anwendungszweck optimiert werden. Es wurden Systeme hergestellt und charakterisiert, mit denen gezielt Analysebereiche von 2 mm² beziehungsweise 5 mm² Fläche von großen Proben mit einer Auflösung von bis zu 50 µm optimal untersucht werden können. Die kleinen Abmessungen der Radiofrequenz- und Gradientenspulen gestatten zudem den Einsatz mehrerer unabhängiger Systeme in wenigen Zentimetern Abstand. Dies ist mit makroskopischen Spulen nicht möglich. Bei einem ersten Systemtest an einem herkömmlichen Spektrometer konnte innerhalb von 20 Stunden eine Aufnahme eines 5 mm² großen Bereichs eines Mikrofluidiksystems mit einem Raster von 150 µm generiert werden. Eine angepasste Elektronik mit optimierter Auswertsoftware wird künftig die Messzeit deutlich reduzieren. Mit der gleichen Technologie und ähnlichen Optimierungsprozessen konnten zusätzlich Resonanzkreise entwickelt werden, die dazu dienen, Katheter auf klinischen Aufnahmen von Kernspintomografen eindeutig zu lokalisieren. Dies erlaubt die Überwachung minimal invasiver Operationen mithilfe der Kernspinresonanz, wo bisher die Katheter nur schwer von der Umgebung zu unterscheiden waren. Bisher erhältliche Systeme verfügen entweder über einen zu geringen Kontrast oder erfordern eine aufwendige Aufbau- und Verbindungstechnik. Vielfach verändern sie mit ihren Abmessungen wesentlich die Eigenschaften der Katheter. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vollintegrierte biokompatible Resonanzkreise hergestellt, die sich vollständig in 3-F-Katheter (Ø 1 mm) oder 5-F-Katheter (Ø 1,67 mm) integrieren lassen und dabei die Kathetereigenschaften nicht negativ beeinflussen. Sie eignen sich für Untersuchungen mit 1,5-T- und 3-T-Tomografen und wurden erfolgreich in Umgebung von Wasser und isotonischer Salzlösung getestet.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]