Manyetik parçacık görüntüleme sistemi için mıknatıs tasarımı
Magnet design for magnetic particle imaging system
Yazar: FURKAN BALCI
Danışman: DOÇ. DR. AYHAN BİNGÖLBALİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Manyetik parçacık görüntüleme (MPG = MPI = magnetic particle imaging), günümüzde kullanılan görüntüleme tekniklerine alternatif olarak ileri sürülmüş olup geliştirilmekte olan bir görüntüleme tekniğidir. Bu görüntüleme tekniğinin temel mekanizması, izleyici materyal olarak kullanılan süperparamanyetik nanoparçacıkların (SPION = superparamagnetic ion-oxide nanoparticle) konsantrasyon dağılımını görselleştirmeye dayanmaktadır. MPI teorik olarak geliştirilmekte olup, henüz klinik olarak kullanımda değildir. MPI tarayıcıları için gereken manyetik alanlar genellikle elektromıknatıslardan elde edilmektedir. Bu durum MPI tarayıcılarının çok yüksek seviyede enerji tüketmelerine yol açmaktadır. Ancak oluşturulan manyetik alan kuvvetlerinin arttırılıp azaltılmasında ve görüntünün hızlı elde edilmesinde avantaj sağlamaktadırlar. Manyetik alanın üretilmesinde elektromıknatıslara alternatif olarak kullanılan kalıcı mıknatıslar ise yüksek akı yoğunlukları sağlamakla beraber herhangi bir güç kaynağına ihtiyaç duymazlar. Ancak, manyetik akı yoğunlukları sabittir ve ayarlanamaz. Ayrıca kalıcı mıknatısların ürettiği manyetik alanların hareket kabiliyeti, elektromanyetik mıknatısların ürettiği manyetik alanların hareket kabiliyetine kıyasla daha düşüktür. Bu çalışmada MPI tarayıcısına kalıcı mıknatıslarla çalışan optimum bir sistem tasarısı önerilmektedir. Silindir ve kare mıknatıslarla, önerilen düzenin potansiyelini göstermek için simülasyon çalışmaları yapıldı. Bu simülasyonlar sonucu mıknatıs sistemlerinin Br faktörü, mıknatıs kalınlığı, mıknatıslar arasındaki uzaklık, dolgu faktörü, mıknatıs uzunluğu ve sistem yarıçapı parametreleri araştırıldı. Bu araştırmalar sonucu manyetik akı yoğunluklarının gradyan ve stabilite değerleri elde edildi. Elde edilen sonuçlara göre Br faktörü, kalınlık ve dolgu faktörünün artması gradyanı arttırmakta, ancak stabiliteyi azaltmaktadır. Artan sistem yarıçapı gradyanı azaltmakta, stabiliteyi arttırmaktadır. Silindir şekilli mıknatıslar, kare şekilli mıknatıslardan yaklaşık % 20 daha fazla gradyan sağlamaktadır. Kare şekilli mıknatıslar ise, silindir şekilli mıknatıslara göre daha fazla stabilite sağlamaktadır. Mıknatıslar arasındaki uzaklık parametresinde, silindir mıknatıslar için optimum gradyan ve stabilite durumları (r = 5 cm, mıknatıs yarıçapı) sırasıyla 1r ve 1.8r olarak; kare mıknatıslar için ise 1.1r ve 2r olarak elde edildi.

Abstract:
Magnetic particle imaging (MPG = MPI = magnetic particle imaging) has been proposed as an alternative to present imaging techniques, and it is being, therefore, developed. The basic mechanism of this imaging technique is based on visualizing the concentration distribution of superparamagnetic nanoparticles (SPION = superparamagnetic iron-oxide nanoparticle) used as tracer material. Since MPI is being developed, it is not yet in clinical use. Magnetic fields required for MPI scanners are usually obtained from electromagnets. This causes MPI scanners to consume a very high level of energy. However, they provide an advantage in increasing and decreasing the magnetic field forces created and obtaining the image quickly. Permanent magnets, which are used as an alternative to electromagnets in the production of the magnetic field, provide high flux densities and do not need any power source. However, magnetic flux densities are fixed and cannot be adjusted. Besides, the magnetic fields produced by permanent magnets have lower mobility compared to the magnetic fields produced by electromagnetic magnets. In this study, an optimum system design that works with permanent magnets is recommended for MPI scanners. Simulation studies were carried out with cylinder and square magnets to show the potential of the proposed system. In these simulations, Br factor, magnet thickness, magnet distance, fill factor, magnet length and system radius parameters of magnet systems were investigated. The outcomes of these studies, gradient and stability values of magnetic flux densities were obtained. According to the results obtained in this study, increasing of Br factor, thickness and filling factor increases gradient, but decreases stability. Increasing system radius reduces gradient and increases stability. Cylindrical shaped magnets provide about 20% more gradient than square shaped magnets. The square shaped magnets provide more stability than the cylinder shaped magnets. In the magnet distance parameter (i.e., distance between magnets), optimum gradient and stability conditions (r = 5 cm, magnet radius) for the cylinder magnets are 1r and 1.8r; for the square magnets 1.1r and 2r were obtained, respectively.