Manyetik rezonans görüntüleme sistemleri için ultra kısa magnet tasarımı
Ultra short magnet design for magnetic resonance imaging system
Yazar: AYŞE AKKAYA
Danışman: PROF. DR. FEDAİ İNANIR ; DR. HÜSNÜ KARA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fizik = Physics

Özet:
1970 yılında manyetik rezonans görüntüleme (MRG) cihazlarının kullanılmaya başlanmasından bu yana, MRG teknolojisini geliştirmek için bu teknolojinin farklı bileşenleri üzerinde örneğin gradyent bobin tasarımı ve RF bobin teknolojisindeki yenilikler başta olmak üzere önemli ilerlemeler olmuştur. Bu ilerlemeler sonucunda MRG sistemlerinin gelişimi hız kazanmıştır. MRG sistemleri için istenilen homojenite, kaçak manyetik alan ve mıknatıslar üzerindeki tepe manyetik alan değerlerinin elde edildiği ultra kısa uzunlukta ve dar çaplı bir mıknatıs sistemi tasarlandı. Bu tasarım, mıknats sistemi haricindeki kaçak manyetik alanın etkisini minimize etmek için aktif veya pasif perdelemeye ihtiyaç duymamaktadır. Ana magnet dizaynı sonlu elemanlar metodunu kullananan COMSOL Multiphysics kullanılarak yapıldı. COMSOL Multiphysics'teki gradyan bazlı optimizasyon çözücüsü, MRG sistemi içindeki simetrik elektromıknatısların optimal geometrik konfigürasyonunu elde etmek için kullanıldı. Güçlü ve kararlı bir manyetik alan elde etmek için, ikinci nesil rare earth barium-copper oxide (REBCO) yüksek-sıcaklık süperiletkeni (YSİ), beş double pancake coils (DPC) etrafında sarılmıştır. DPC setlerinin boyutları, REBCO YSİ şeritlerin boyutu göz önüne alınarak seçilmiştir. Optimize edilmiş tasarım, manyetik alanı ve her bir DPC setindeki YSİ şeritlerden geçen akımı verir. Bu çalışma, korumasız mıknatısın tasarım özelliklerini ana hatlarıyla belirtmenin yanı sıra, farklı bobin konumlarına dayalı olarak homojensizliği, kaçak manyetik alanı ve akımları inceleyen bir hassasiyet analizini içermektedir. Çeşitli tasarımlar için en uygun parametreler sağlanmıştır. 100 mm çaplı bir küresel hacimde (DSV), 10 ppm'nin altında homojensizlik elde edildi ve buna 5 m'lik bir mesafenin ötesinde 5 Gauss (=5×10^-4 Tesla)'dan daha az bir minimum kaçak manyetik alan eşlik etti. Ana mıknatıs sisteminin elde edilen uzunluğu 56 cm'den azdır.

Abstract:
Since the introduction of magnetic resonance imaging (MRI) devices in 1970, there have been significant advances in different components of MRI technology to improve it, such as innovations in gradient coil design and RF coil technology. As a result of these advances, the development of MRI systems has accelerated. An ultra-short length and narrow diameter magnet system was designed to obtain the desired homogeneity, stray magnetic field and peak magnetic field values on the magnet for MRI systems. This design does not require active or passive shielding to minimize the effect of stray magnetic field outside the magnet system. The main magnet design was made using COMSOL Multiphysics, which uses the finite element method. The gradient-based optimization solver in COMSOL Multiphysics was used to obtain the optimal geometric configuration of symmetric electromagnets within the MRI system. To obtain a strong and stable magnetic field, a second-generation rare earth barium-copper oxide (REBCO) high-temperature superconductor (HTS) is wound around five double pancake coils (DPC). The dimensions of the DPC sets were chosen considering the size of the REBCO HTS tapes. The optimized design yields the magnetic field, and the current passing through the HTS tapes in each DPC set. In addition to outlining the design features of the unshielded magnet, this study includes a sensitivity analysis examining inhomogeneity, stray magnetic field, and currents based on different coil positions. Optimal parameters are provided for various designs. In a 100 mm diameter spherical volume (DSV), inhomogeneity below 10 ppm was achieved, accompanied by a minimum stray magnetic field of less than 5 Gauss (=5×10^-4 Tesla) beyond a distance of 5 m. The resulting length of the main magnet system is less than 56 cm.