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A new method for the simulation of radio frequency (RF) coils has been developed. This method utilizes the FEM simulation package Ansoft HFSS as a base for the modeling of RF coils with complex biological loading effects. The abilities of this software have been augmented with custom MATLAB code to enable the fast prediction of lumped element values needed to properly tune and match the coil structure as well as to perform the necessary post processing of simulation data in order to quickly generate and evaluate field data of the resonating coil and compare design variations. This method was evaluated for accuracy and implemented in the re-design of an existing four channel breast coil array for clinical imaging of the female breasts. Based on the simulation results, a commercially viable printed circuit board (PCB) implementation was developed and tested in a clinical 1.5 T MR scanner. The new design allows for wide open bilateral access to the breast regions in order to accommodate various interventional procedures. The layout has also increased axillary B1 field coverage with minor penalty to the signal-to-noise ratio of the coil array, enabling high-resolution imaging over a wide field-of-view.

<p>The recent FDA regulatory clearance for the 7 tesla Magnetic Resonance Imaging (MRI) system has led to increased interest in clinical ultra-high field (UHF) applications. However, to robustly achieve the expected increase in signal-to-noise ratio (SNR) at UHF, the radiofrequency (RF) challenges need to be met, namely, problems with higher RF power, worse <i>B₁⁺</i> inhomogeneity (signal voids) and increased tissue dielectric properties at higher frequency, all of which usually results in increased specific absorption rate (SAR). The parallel transmission (pTx) techniques are generally accepted as a realistic solution, providing improvement in the <i>B₁⁺</i> homogeneity with good RF efficiency while reducing peak local SAR. We designed a hybrid circuit-spatial domain optimization to accelerate the design of a double row pTx head coil. The method predicted consistent coil scattering parameters, component values and <i>B₁⁺</i> field. RF shimming of the calculated field maps matched in vivo performance. To further increase the <i>B₁⁺</i> homogeneity in tissue, we added high dielectric material (HPM) pads near the coil, as the displacement currents in the HPM induced secondary <i>B₁⁺</i> in tissue. This raises a RF safety question of how to monitor millions of local SAR (complex valued Q-matrix) in the tissue voxels, for any weightings (forward voltages) applied to the pTx system. We implemented VOPs based on singular value decomposition to compress the Q-matrices with a compression ratio >100, effectively monitoring the maximum peak local SAR values at given weighting amplitudes.</p>

<p>Advancements on flexible radiofrequency (RF) coils have been made to accommodate a variety of body sizes with great image quality and a comfortable imaging process. RF coils are magnetic field antennas for magnetic resonance imaging (MRI) that broadcast the RF signal to the patient and receive the returning signal to affect the image quality. The conventional neck RF coil is rigid and requires the patients to be in supine position. Due to its characteristics, the patients who have difficulties to move their neck experience an uncomfortable imaging process. The novel 4-channel neck RF coil is made of conductive silver thread embroidered on stretchable fabric to provide patients a more comfortable experience with lightweight and flexible materials. A wide range of neck sizes can be covered with the stretchable materials and great image quality can be acquired due to the RF coil positioned close to the source. The stretchable RF coil was built as non-overlapping 4 channels in zigzag stitch pattern and tested on a dielectric phantom, which was made to have the permittivity and conductivity of muscle at 128 MHz. The research can be extended to stretchable RF coils with more channels and different stitching patterns. It also has potential to be applied on joints such as wrist and ankle due to its flexibility to cover the curved surface. </p>

Técnicas de aquisição paralelas e hardware dedicados vem sendo desenvolvidos desde a década de 1980 para reduzir o tempo de aquisição de imagens via ressonância magnética (IRM). Uma bobina do tipo phased array é um dispositivo do tipo receptor, que usa múltiplas bobinas (canais) cada qual com seu próprio circuito de detecção para adquirir simultaneamente os sinais que formam uma imagem ou espectro via IRM. Exemplos de técnica de imagem paralela que usa bobinas tipo phased array são Sensitivy Enconding (SENSE) e GeneRalized Autocalibrating Partial Parallel Acquisition (GRAPPA). Sampled array é o nome de um método proposto neste trabalho em que cada canal de uma bobina multicanal é responsável por adquirir de forma independente o sinal da sua amostra de modo que cada sinal de amostra é endereçado ao seu canal específico. Neste trabalho, descrevemos o desenvolvimento de uma bobina phased array de quatro canais para anatomia de cabeça de rato usando circuito impresso flexível para operar em um sistema de IRM pré-clínico de 2T com objetivo de validar o método de construção e uso de circuito flexível como bobina de recepção. Também desenvolvemos uma bobina de quatro canais para realizar simultaneamente a imagem de quatro sementes na mesma varredura para validar o método Sampled Array com objetivo de melhorar a qualidade da imagem e simultaneamente acelerar experimentos de múltiplas amostras. Os resultados mostram que a bobina de circuito impresso phased array, em comparação com uma bobina de enrolamento de fio regular, forneceu uma boa relação sinal / ruído (RSR) e possui geometria mais adequada à anatomia por ser flexível. Além disso, o processo de fabricação da bobina seja facilitado desde que toda a bobina é construída como um protótipo de circuito impresso. Os bons resultados da bobina sampled array mostraram o método como promissor para imageamento de múltiplas amostras com aumento de RSR e diminuição de tempo de experimentos em relação ao uso de bobinas de canal único. / Parallel techniques and dedicated hardware has been developed since the 1980s to reduce acquisition time on Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanners. A phased array is a receiver only mode device concept, which uses multiple channels (coils) with their own detection circuits to simultaneously acquire MRI or localized spectroscopic signals. An example of parallel imaging technique that uses phased array coils is Sensitivy Enconding (SENSE). Sampled array is the name proposed in this work for a method in which each channel of a multichannel coil is responsible to acquire independently the signal from its sample so that each sample signal is addressed to its specific channel. In this work, we describe the development of a four-channel phased array coil for rat head anatomy using flexible printed circuit board (PCB), to operate on a 2T pre-clinical MRI scanner to validate the construction method and usage of flexible PCB as a receiver coil. We also developed a four-channel sample array coil to simultaneously perform the imaging of four seeds at the same scan, to validate the proposed method to improve image quality at the same time accelerating multiple seed imaging for agriculture studies. The results show that phased array PCB coil as compared to a regular wire winding coil provide good signal-to-noise ratio (SNR) imaging with more adequate geometry to the anatomy by being flexible. In addition, the coil manufacturing process is facilitated since the entire coil is constructed as a PCB prototype. The sample array imaging showed as a promising method for multiple sample increasing SNR and time to do experiments.

Técnicas de aquisição paralelas e hardware dedicados vem sendo desenvolvidos desde a década de 1980 para reduzir o tempo de aquisição de imagens via ressonância magnética (IRM). Uma bobina do tipo phased array é um dispositivo do tipo receptor, que usa múltiplas bobinas (canais) cada qual com seu próprio circuito de detecção para adquirir simultaneamente os sinais que formam uma imagem ou espectro via IRM. Exemplos de técnica de imagem paralela que usa bobinas tipo phased array são Sensitivy Enconding (SENSE) e GeneRalized Autocalibrating Partial Parallel Acquisition (GRAPPA). Sampled array é o nome de um método proposto neste trabalho em que cada canal de uma bobina multicanal é responsável por adquirir de forma independente o sinal da sua amostra de modo que cada sinal de amostra é endereçado ao seu canal específico. Neste trabalho, descrevemos o desenvolvimento de uma bobina phased array de quatro canais para anatomia de cabeça de rato usando circuito impresso flexível para operar em um sistema de IRM pré-clínico de 2T com objetivo de validar o método de construção e uso de circuito flexível como bobina de recepção. Também desenvolvemos uma bobina de quatro canais para realizar simultaneamente a imagem de quatro sementes na mesma varredura para validar o método Sampled Array com objetivo de melhorar a qualidade da imagem e simultaneamente acelerar experimentos de múltiplas amostras. Os resultados mostram que a bobina de circuito impresso phased array, em comparação com uma bobina de enrolamento de fio regular, forneceu uma boa relação sinal / ruído (RSR) e possui geometria mais adequada à anatomia por ser flexível. Além disso, o processo de fabricação da bobina seja facilitado desde que toda a bobina é construída como um protótipo de circuito impresso. Os bons resultados da bobina sampled array mostraram o método como promissor para imageamento de múltiplas amostras com aumento de RSR e diminuição de tempo de experimentos em relação ao uso de bobinas de canal único. / Parallel techniques and dedicated hardware has been developed since the 1980s to reduce acquisition time on Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanners. A phased array is a receiver only mode device concept, which uses multiple channels (coils) with their own detection circuits to simultaneously acquire MRI or localized spectroscopic signals. An example of parallel imaging technique that uses phased array coils is Sensitivy Enconding (SENSE). Sampled array is the name proposed in this work for a method in which each channel of a multichannel coil is responsible to acquire independently the signal from its sample so that each sample signal is addressed to its specific channel. In this work, we describe the development of a four-channel phased array coil for rat head anatomy using flexible printed circuit board (PCB), to operate on a 2T pre-clinical MRI scanner to validate the construction method and usage of flexible PCB as a receiver coil. We also developed a four-channel sample array coil to simultaneously perform the imaging of four seeds at the same scan, to validate the proposed method to improve image quality at the same time accelerating multiple seed imaging for agriculture studies. The results show that phased array PCB coil as compared to a regular wire winding coil provide good signal-to-noise ratio (SNR) imaging with more adequate geometry to the anatomy by being flexible. In addition, the coil manufacturing process is facilitated since the entire coil is constructed as a PCB prototype. The sample array imaging showed as a promising method for multiple sample increasing SNR and time to do experiments.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema integrado transdutor/bobinas de gradientes de alto desempenho para Imagens por Ressonância Magnética. Este sistema é composto por um transdutor de radiofreqüência tipo sela e um conjunto de 3 bobinas locais assimétricas. No desenho do transdutor foram otimizados os parâmetros: relação sinal ruído e uniformidade do campo magnético por ele gerado. A densidade de corrente de cada bobinas local foi otimizada mediante técnicas numéricas estocásticas para gerar um gradiente de campo magnético uniforme em cada uma das 3 direções do espaço numa região das dimensões do crânio. O conjunto de bobinas de gradientes construído possui um diâmetro livre de 31.5 cm e gera em média 25 mT/m/A por bobina, com indutâncias inferiores a 310 mH. São mostradas as aplicações clínicas desenvolvidas nas áreas de imagens tridimensionais e angiografia, a partir das seqüências de pulsos implementadas e aproveitando o uso do sistema integrado, em um tomógrafo de ressonância magnética de 0.5 Tesla. Imagens de phantom foram adquiridas em menos de 500 ms usando o conjunto integrado e técnicas do tipo Echo Planar Imaging. Aspectos referentes à caracterização e correção de campos magnéticos estáticos e homogêneos são também comentados. As soluções descritas nesta tese têm um amplo conteúdo tecnológico e beiram nas fronteiras da Física Aplicada e a Engenharia Biomédica. / Here we describe the development of a high performance radio-frequency/gradient coil integrated system for Magnetic Resonance Imaging. A saddle radio-frequency coil and a three-axis asymmetric local gradient coil composed this system. Two parameters were optimized in the RF coil design: signal-to-noise ratio and magnetic field uniformity. The current density of each local coil was optimized using stochastic numerical techniques, in order to generate a uniform magnetic field gradient by axis in a region representing a human head. The build gradient coil set has an inner diameter of 31 cm. The average gradient efficient of the three-axis is 25 mT/m/A and the maximum inductance is less than 310 mH. We show the clinical applications performed in three-dimensional and angiography imaging areas in a 0.5 Tesla magnetic resonance tomograph. These applications were optimized to taking advantage from the integrated system. Phantom images were acquired in less than 500 millisecond using echo planar techniques and the integrated set. Some aspects about static and homogeneous magnetic field characterization and correction are also commented. In this work we described solutions with wide technologic content close to the boundaries of the Applied Physics and Biomedical Engineering.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema integrado transdutor/bobinas de gradientes de alto desempenho para Imagens por Ressonância Magnética. Este sistema é composto por um transdutor de radiofreqüência tipo sela e um conjunto de 3 bobinas locais assimétricas. No desenho do transdutor foram otimizados os parâmetros: relação sinal ruído e uniformidade do campo magnético por ele gerado. A densidade de corrente de cada bobinas local foi otimizada mediante técnicas numéricas estocásticas para gerar um gradiente de campo magnético uniforme em cada uma das 3 direções do espaço numa região das dimensões do crânio. O conjunto de bobinas de gradientes construído possui um diâmetro livre de 31.5 cm e gera em média 25 mT/m/A por bobina, com indutâncias inferiores a 310 mH. São mostradas as aplicações clínicas desenvolvidas nas áreas de imagens tridimensionais e angiografia, a partir das seqüências de pulsos implementadas e aproveitando o uso do sistema integrado, em um tomógrafo de ressonância magnética de 0.5 Tesla. Imagens de phantom foram adquiridas em menos de 500 ms usando o conjunto integrado e técnicas do tipo Echo Planar Imaging. Aspectos referentes à caracterização e correção de campos magnéticos estáticos e homogêneos são também comentados. As soluções descritas nesta tese têm um amplo conteúdo tecnológico e beiram nas fronteiras da Física Aplicada e a Engenharia Biomédica. / Here we describe the development of a high performance radio-frequency/gradient coil integrated system for Magnetic Resonance Imaging. A saddle radio-frequency coil and a three-axis asymmetric local gradient coil composed this system. Two parameters were optimized in the RF coil design: signal-to-noise ratio and magnetic field uniformity. The current density of each local coil was optimized using stochastic numerical techniques, in order to generate a uniform magnetic field gradient by axis in a region representing a human head. The build gradient coil set has an inner diameter of 31 cm. The average gradient efficient of the three-axis is 25 mT/m/A and the maximum inductance is less than 310 mH. We show the clinical applications performed in three-dimensional and angiography imaging areas in a 0.5 Tesla magnetic resonance tomograph. These applications were optimized to taking advantage from the integrated system. Phantom images were acquired in less than 500 millisecond using echo planar techniques and the integrated set. Some aspects about static and homogeneous magnetic field characterization and correction are also commented. In this work we described solutions with wide technologic content close to the boundaries of the Applied Physics and Biomedical Engineering.

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