Manyetik rezonans görüntüleme magnetlerinin yüksek sıcaklık süperiletken şeritlerden kavramsal tasarımı ve çoklu fizik analizleri
Conceptual design and multiphysics analysis of magnetic resonance imaging magnets by high temperature superconducting tapes
Yazar: HÜSNÜ KARA
Danışman: PROF. DR. FEDAİ İNANIR ; DOÇ. DR. ÖNDER YARGI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Duyarlılık analizi = Sensitivity analysis ; Elektromanyetik = Electromagnetic ; Manyetik rezonans görüntüleme = Magnetic resonance imaging ; Süper iletkenlik = Superconductivity ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
MRG için aktif olarak korunan geniş çaplı bir mıknatıs sistemi tasarlanmıştır.COMSOL Multiphysics'in gradyan tabanlı optimizasyon çözücüsü, MRG sisteminde simetrik elektromıknatısların optimum geometrik düzenlemesini elde etmek için kullanılmıştır. Yüksek ve homojen bir manyetik alan oluşturmak için, on çift pankek bobine (ÇPB) sarılmış ikinci nesil (2G) nadir toprak baryum-bakır-oksit (REBCO) yüksek sıcaklık süperiletkeni (YSİ) kullandık. ÇPB setlerinin boyutları, REBCO YSİ şeritlerinin boyutu dikkate alınarak seçilmiştir ve optimize edilmiş tasarım çözümü, her ÇPB setinde manyetik alan, kaçak alan ve YSİ şeritlerinden geçen akımı sağlar. 1.5 T aktif korumalı bir mıknatısın tasarım detaylarını sunuyoruz. 200 mm DSV'de 1.23 ppm'lik homojensizlik ve 5 m mesafenin dışında 0.05 G kadar düşük bir kaçak alan elde edildi. Ek olarak, ÇPB setlerinde 2.40 T'lik düşük bir tepe alanı elde edilmiştir, bu da "quench" koruması için faydalıdır. Bu düşük homojensizlik, daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı ve sonuç olarak daha hızlı görüntü toplama ve daha iyi görüntü kalitesi sağlar. Bu, hastalıkların daha erken aşamalarda teşhis ve tedavi edilebileceği anlamına gelir. Sonuçlarımız, REBCO YSİ kullanan bu MRG mıknatıs tasarımının klinik tanıda kullanım için uygun olduğunu ve oluşturulabileceğini göstermektedir. Ayrıca üçüncü bölümde tasarlanmış olan perdelemeli magnet tasarımları için AC transport kayıp analizinin yanı sıra elektro-termal ve elektro-mekanik analizler gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
An actively shielded wide-bore magnet system has been designed for magnetic resonance imaging. The gradient-based optimization solver of COMSOL Multiphysics has been used to obtain an optimum geometrical arrangement of symmetrical electromagnets in the MRI system. To generate a high and homogeneous magnetic field, we employed a second-generation (2G) rare-earth barium-copper-oxide (REBCO) high-temperature superconductor (HTS) which was wound into ten double pancake coils (DPC). The dimensions of the DPC sets have been chosen considering the size of REBCO HTS tapes, and the optimized design solution provides magnetic field, stray field, and current passing through the HTS tapes on each DPC set. We present the design details of a 1.5 T actively shielded magnet. The inhomogeneity of 1.23 ppm in the 200 mm DSV and a stray field of as low as 0.05 G outside of the 5 m distance were achieved. Additionally, a low peak field of 2.40 T in DPC sets has been accomplished, which is beneficial for "quench" protection. This low inhomogeneity provides a higher signal-to noise ratio and, consequently, faster image collection and better image quality. This means that diseases can be diagnosed and treated at earlier stages. Our results show that this  MRI magnet design using REBCO HTS is suitable for use in clinical diagnosis and could be constructed. In addition, AC transport loss analysis as well as electro-thermal and electro-mechanical analyzes were carried out for the shielded magnet designs designed in the third section.