Zayıf manyetik alan NMR görüntüleme sistemi tasarımına yönelik bir benzetim

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 2, 923 - 936

Alper Dizibüyük , Ahmet Alkan

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1120216

Öz

NMR (Nükleer Manyetik Rezonans) işaretleri atomların içinde bulundukları ortamdaki manyetik alan ile kendi çekirdek manyetik moment etkileşimleri sonucu elde edilirler. Bu yüzden malzemeyi meydana getiren atom veya moleküllerin dinamikleri ve yapısallığı hakkında bilgiler içermektedirler. Bu bilgiler hem madde analizi hem de görüntüleme amacıyla değerlendirilir. Ancak kullanılan mevcut sistemlerin fiziksel büyüklükleri (Yüksek manyetik alan için gereken sabit mıknatıs veya süper iletken sistemler), yüksek donanım ve işletme maliyetleri ve neredeyse taşınamaz olmaları en büyük olumsuzluklarıdır. Bu durum araştırmacıları düşük manyetik alanda çalışabilen, düşük hacimli, düşük maliyetli ve taşınabilir uygulamalara sevk etmiştir. Bu çalışmalarla geniş bir alanda ihtiyaç duyulan nesne görüntüleme, pratik tıbbi görüntüleme, madde analizi ve tayini, üretim kalite kontrolü, çevre duyarlı üretim atık kontrolü gibi alanlardaki önemli bir boşluk doldurulmaya çalışılmaktadır. Bu çalışmada temel NMRI (Nükleer Manyetik Rezonans Görüntüleme) için gereken statik ana manyetik alan ve gradyan alan sargıları için sınırlı bir Kartezyen uzayda manyetik alan bileşenleri Biot-Savart ilkesine göre bilgisayar ortamında üretilmiştir. Statik ana manyetik alanın yeterli homojen olduğu, gradyan alanların yeterli lineer olduğu uzaysal hacim bölgesi belirlenmiştir. Beraber çalışan alan büyüklükleri yeniden ölçeklenmiş, aynı sınırlı uzayda bulunan sanal fantomlar için gradyan-eko spin FID işaretleri üretilmiş, k-space ve NMR görüntüleri elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

NMR, NMRI, gradyan sargılar, larmor frekansı, zayıf manyetik alan, nonhomojen alan, nonlineer alan, k-space

Kaynakça

• 1. Levitt M. H., Spin dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance, 2nd ed., John Wiley & Sons, UK, 2008.
• 2. MiyamotoT., Sakurai H., Takabayashi H., Aoki M., Permanent Magnet Assembly for MRI, IEEE Transl. J. Magn. Japan, 5 (9), 803–809, 1990.
• 3. Schmidt W. M., Huson F. R., Mackay W. W., Rocha R. M., A 4 Tesla/ 1 Meter Superferrıc Mbı Magnet, IEEE Trans. Magn., 27 (2), 920–922, 1991.
• 4. Callaghan P. T., Le Gros M., Nuclear spins in the Earth’s magnetic field, Am. J. Phys., 50 (8), 709–713, 1982.
• 5. Callaghan P., Eccles C., NMR Studies on Antarctic Sea Ice, Bull. Magn. Reson., 18 (1-2), 62–64, 1996.
• 6. Sciandrone M., Placidi G., Testa L., Sotgiu A., Compact low field magnetic resonance imaging magnet: Design and optimization, Rev. Sci. Instrum., 71 (3), 1534–1538, 2000.
• 7. Raich H., Blümler P., Design and construction of a dipolar Halbach array with a homogeneous field from identical bar magnets: NMR mandhalas, Concepts Magn. Reson. Part B Magn. Reson. Eng., 23B (1), 16–25, 2004.
• 8. Anferova S., et al., A mobile NMR device for measurements of porosity and pore size distributions of drilled core samples, Concepts Magn. Reson. Part B Magn. Reson. Eng., 23B (1), 26–32, 2004.
• 9. Sinkovits D. W., Conradi M. S., Frequency shifts in parametrically enhanced low-field MR detection, J. Magn. Reson., 168 (1), 97–102, 2004.
• 10. Brown M. C. A., Verganelakis D. A., Mallett M. J. D., Mitchell J., Blümler P., Surface normal imaging with a hand-held NMR device, J. Magn. Reson., 169 (2), 308–312, 2004.
• 11. Hills B. P., Wright K. M., Gillies D. G., A low-field, low-cost Halbach magnet array for open-access NMR, J. Magn. Reson., 175 (2), 336–339, 2005.
• 12. Mohorič A., Planinšič G., Kos M., Duh A., Stepišnik., J. Magnetic resonance imaging system based on Earth’s magnetic field, Instrum. Sci. Technol., 32 (6), 655–667, 2004.
• 13. Tsai L. L., Mair R. W., Rosen M. S., Patz S., Walsworth R. L., An open-access, very-low-field MRI system for posture-dependent 3He human lung imaging, J. Magn. Reson., 193 (2), 274–285, 2008.
• 14. Zimmerman C. L., Boyden E. S., Wasserman S. C., Classroom Nuclear Magnetic Resonance System, in IFMBE Proceedings, 32, 61–64, 2010.
• 15. Balci M., Basic 1H- and 13C-NMR Spectroscopy, Elsevier, 2005.
• 16. McPhee C., Reed J., Zubizarreta I., Nuclear Magnetic Resonance (NMR), in Developments in Petroleum Science, 64, 655–669, 2015.
• 17. Breitmaier E., Voelter W., Carbon-13 NMR Spectroscopy: High-Resolution Methods and Applications in Organic Chemistry and Biochemistry, 3. VCH-Verlag-Ges, 1987.
• 18. Pooley R A., Fundamental Physics of MR Imaging, RadioGraphics, 25 (4), 1087–1099, 2005.
• 19. Morita N., A Method of Estimation for Magnetic Resonance Spectroscopy Using Complex-Valued Neural Networks, in Complex-Valued Neural Networks, 35 (10), 256–283, 2009.
• 20. MacKenzie K J D., Smith M. E., Multinuclear Solid-State NMR of Inorganic Materials, Pergamon Materials Series, 6, 2002.
• 21. Murase K., Tanki N., Numerical solutions to the time-dependent Bloch equations revisited, Magn. Reson. Imaging, 29 (1), 126–131, 2011.
• 22. Van Valenberg W., Radiofrequency pulse design through optimal control and model order reduction of the Bloch equation, Master Thesis, Utrecht University, 2015.
• 23. Balac S., Chupin L., Fast approximate solution of Bloch equation for simulation of RF artifacts in Magnetic Resonance Imaging, Math. Comput. Model., 48 (11-12), 1901–1913, 2008.
• 24. Bain A. D., Anand C. K., Nie Z., Exact solution to the Bloch equations and application to the Hahn echo, J. Magn. Reson., 206 (2), 227–240, 2010.
• 25. Gopi E. S., Digital Signal Processing for Medical Imaging Using Matlab, New York, NY: Springer New York, NY, 2013.
• 26. Kumar Jhamb T., Rejathalal V., Govindan V. K., A Review on Image Reconstruction through MRI k-Space Data, Int. J. Image, Graph. Signal Process., 7 (7), 42–59, 2015.
• 27. Ey B. M., Reddy R., Leigh J. S., Imaging electrical current density using nuclear, Magn. Reson. Imaging, 6 (3), 201–214, 1998.
• 28. Yıldız H., Durak B., Uzal E., Analytical solution of multi-winding coil problem in magnetic core in spherical coordinates and comparison with FEA results, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (1), 65–75, 2024.
• 29. Küçükdermenci S., Investigation of gradient pattern maps generated with single and dual axis positioning for targeted magnetic hyperthermia, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (1), 571–578, 2023.
• 30. Xiao-fan G., Yong Y., Xiao-jing Z., Analytic expression of magnetic field distribution of rectangular permanent magnets, Appl. Math. Mech., 25 (3), 297–306, 2006.
• 31. Esin Y. E., Alpaslan F. N., MRI image enhancement using Biot-Savart law at 3 Tesla, Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., 25 (4), 3381–3396, 2017.