Implantable Antenna Based Wireless Micro-coil Systems for High Resolution Brain MRI

Abstract

자기 공명 영상(Magnetic resonance imaging, MRI) 기술이 발전함에 따라 1.5 T 및 3 T MRI 시스템에 비해서 높은 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio, SNR) 공간 분해능을 얻기 위해서 최근에는 7 Tesla 세기의 자기장이 사용되고 있다. 그러나 7 Tesla 이상의 초고자장 (Ultra-high field, UHF) MRI에서 송신 자기장(B1+)의 분포는 정상파 특성으로 인해 불균일하며 간섭 효과는 B1+ 자기장 및 MR 영상의 질을 심각하게 저하시킬 수 있다. RF 전자기장과 인체 간의 상호 작용은 인체에 작용하는 더 높은 RF 전력 증착과 이로인한 전자파 흡수율 (Specific absorption rate, SAR) 증가와 같은 추가적인 문제를 유발할 수 있다. 이전 연구들에서는 UHF MRI에서 RF 전자기장의 효율과 B1 shimming을 개선하기 위해 여래 대의 공진기 형태의 송신기 어레이가 사용되었고, 공진기의 모양 및 기하학적 구조, 위치 조정이 가능한 코일, 유전체 패드 또는 유전체 라이너(Dielectric liner)와 같은 다른 기술들이 도입되었다.

여러 연구들에서 새장형 코일 (Bridcage coil, BC coil)에 적용하는 유전체 패드를 중점적으로 다루었다. 하지만 마이크로스트립 전송선로 (Microstrip transmission line, MTL) 송신 어레이에 유전체 패드를 적용하였을 때의 효과는 이전 문헌들에서 소개된 바가 없다. 또한 기존에 사용되던 패드는 두께가 너무 두껍기 때문에 MRI 보어 보어 내부에 머리가 들어가야하는 제한된 영역에 적용하기가 어렵다. 따라서 더 얇고 컴팩트한 형태의 유전체 라이너를 적용하는 것이 다채널 머리 촬영 MRI 시스템에 더 적합하다고 판단된다. MRI는 죽상동맥경화증 및 혈관내 영역에 잠재적인 진단 정보를 얻는데 사용될 수 있으며, 생체 내 구조, 구성 및 병변(혈관 플라크 등)의 대사 기능은 해당 기술을 통해 파악할 수 있는 주요 관심 대상이다. 특히 두개내 뇌동맥류 누출과 파열은 치명적인 문제를 야기하며 즉각적인 치료가 필요한 뇌출혈(출혈성 뇌줄중)을 유발할 수 있다. 최근에는 이러한 뇌혈관 및 뇌질환을 진단하기 위해 고자장 MRI가 주목받고 있다. MRI 영상의 해상도는 신호대잡음비(SNR)과 직접적인 관련이 있다. 표면 코일 (Surface coil)은 특정 표적 영역의 MR 영상 획득에 주로 사용되고 있으나 혈관벽 영상의 낮은 해상도와 SNR로 인해서 대동맥, 관상동맥 및 신장 동맥과 같은 중요한 혈관의 영상을 얻는데는 적합하지 않다.

혈관내 및 관강내 적용가능한 MRI 코일의 다양한 디자인 형태가 보고되었다. 대부분의 연구들에서는 수신 코일에 단일 루프, 솔레노이드, 틸트형, 안장형 및 구불구불한 라인형 코일을 사용하였다. 하지만 현재까지 소개된 코일의 설계 형태는 성능 면에서 제한된 성공을 거두었으며 생체 내 응용에 있어서 일반적인 문제를 가지고 있다. 일반적으로 코일의 가장 민감한 부위는 동맥벽이 아닌 동맥 내강이며, 코일의 움직임으로 인해 많은 양의 혈류가 흐르는 동안에 심한 영상 잡음 현상이 종종 발생된다. 따라서 혈관 내 및 뇌동맥류 영상 획득을 위해 두 가지의 다른 MRI 주파수(즉, 각각 자기장의 세기 3 T 및 7 T에 대해 128 MHz 및 298 MHz)를 사용하는 수신 전용 개방형 내부 마이크로 코일 (Micro coil, MC)를 도입하면 이러한 문제를 해결할 수 있다. 또한, 혈관내 및 관내 MRI 코일에 대한 연구는 대부분 카테터를 사용했으며 안테나, 발룬 및 외부 케이블의 부피가 큰 커넥터는 영상 품질 및 SNR을 현저히 감소시켰다. 게다가, 카테터와 추가된 커넥터 및 케이블은 환자의 불편함을 증가시키고 더 긴 설정 시간을 필요로 한다. 따라서 무선 시스템은 Tx와 Rx 코일 사이의 유선 루프를 피하기 위한 대안이다. 무선 통신 기술은 MRI 및 핵자기 공명(NMR)을 포함하여 사회에서 꾸준히 주목을 받고 있다.

연구원들은 수신기 표면 코일 또는 RF 수신기 어레이 코일을 위한 무선 MRI 시스템을 개발하였다. 하지만 문헌에 제시된 가장 효과적인 기술은 내부 케이블을 피하고 단일 표면 또는 수신기 어레이 코일에 무선으로 전력을 전송하기 위한 Tx 및 Rx의 유도 결합이다. 이 기술은 케이블 문제와 웨어러블 표면 또는 수신기 어레이 코일에 대한 환자의 불편함을 해결할 수 있지만, 이식형 MC에 대한 카테터 및 내부 케이블 문제는 해결하지 못한다. 밀리미터 크기의 심부 조직 임플란트에 무선으로 전력을 공급하기 위한 새로운 전자기(EM) 미드필드 무선전력전송 (Wireless power transfer, WPT) 기술이 최근 소개되는데 이를 통해서 무선 이식형 코일은 케이블 수를 줄이고 코일 설계를 단순화하며 전임상 NMR 연구를 위한 코일 제조 비용을 줄일 수 있다.

본 논문에서는 앞서 언급한 문제들을 해결하기 위해 MRI 시스템의 RF 전자기장 개선 및 SNR 향상과 관련된 여러 문제초점을 맞추어 연구를 진행한다. B1+ 자기장의 균질성과 강도를 향상시키기 위해 본 연구에서는 유전체 라이너와 통합된 다채널 MTL 송신 어레이 코일의 개발을 중점적으로 수행하였다. 8 채널 MTL 송신 헤드 어레이는 더 얇은 유전체 라이너를 사용하여 머리 영역에서의 전송 효율 (Tx efficiency)를 상당한 수준으로 향상시켰다. 다른 위치에 놓인 유전체 라이너를 통해 9% ~ 39 % 의 전송 효율 개선 조절기로서의 역할도 수행함을 파악하였다. 본 연구는 B1+ 자기장의 개선을 중점적으로 분석하였으며 B1- 자기장의 변화는 고려하지 않았다.

B1- 자기장 개선을 위하여 두 가지 다른 MRI RF 주파수 (3 T의 경우 128MHz 및 7 T의 경우 298MHz에서 동작하는 혈관 및 뇌동맥류 영상을 위한 최초의 혈관 내 수신 전용(Rx) 개방형 내부 마이크로 코일(MC) T 및 7 T)을 제안하였다. 제안된 Rx MC는 4.92mm3의 초소형 부피를 가지고 있고 기존 소개된 최신 MC가 제공하는 것보다 더 넓은 대역폭, 균일한 무선 주파수(RF) 수신율, 높은 SNR 및 더 나은 혈관 영상 획득 성능을 제공한다. 또한 개방형 내부를 통해 MRI 스캔 중 혈류의 중단을 없애고 이로 인한 모션 아티팩트를 줄이는 결과를 얻을 수 있다. 시뮬레이션 분석 결과에 따르면 제안된 MC는 선택된 혈관 영역에서 작용하는 B1- 자기장의 총량과 수신효율이 각각 72%, 75% 만큼 개선되었음을 확인하였다.

마지막으로 WPT 송신기(Tx), 효율적인 정류기 및 이미징 시스템과 통합된 마이크로 코일 안테나로 구성된 완전한 WPT(무선 전력 전송) 시스템을 제안하였다. 자체 조정된 개방형 내부 MC 안테나는 혈관 영상획득, 데이터 원격 측정 및 효율적인 무선 전력 전송을 위해 각각 300 MHz, 400 MHz 및 920 MHz의 3가지 대역에서 작동한다. 제안된 개방형 내부 MC 안테나는 혈류 차단을 피하기 위해 직경과 길이가 각각 2.4mm와 9.8mm인 두 개의 거울 같은 팔을 포함하고 있다. 식염수 기반 팬텀 내부에서 무선전원 수신을 통한 LED 점등을 표시하기 위해 MC는 유연한 폴리이미드 소재로 제작되었으며 소형 정류기 및 마이크로 LED와 결합되었다. S-파라미터의 측정은 실제 사람의 머리를 모방한 팬텀 (식염수와 3D 프린터로 만든 혈관 모델)을 사용하여 측정되었으며 시뮬레이션과 유사한 결과를 얻어 성능을 검증하였다.

개발 초기에 본 연구에서 제안한 RF 코일과 MC는 FEM 기반 Ansys HFSS시뮬레이션 프로그램을 사용하여 균질 근육 상자 내부에 적용하는 것으로 모델링되었다. 추가 검증 및 다중 적용 가능성을 위해 제안된 코일과 안테나를 다양한 인체 조직과 기관이 모델링 된 DUKE 모델의 다른 이식 위치들에 삽입하고 FDTD 기반 Sim4Life시뮬레이션 프로그램을 통해 분석하였다. 제안된 안테나는 생체 내부에서의 성능을 검증하기 위하여 3D프린팅으로 제작된 혈관과 식염수, 다진 돼지고기로 구성된 팬텀 내부에 삽입되어 S-파라미터와 방사패턴을 측정하였다. |Due to advancements in the magnetic resonance imaging (MRI) modalities, 7 Tesla (T) magnets are used to obtain high signal-to-noise ratio (SNR) and spatial resolution as compared to the 1.5 T and 3 T systems. However, at ultra-high-field (UHF) MRI, the transmit field (B1+) distribution is inhomogeneous due to its standing-wave nature, and the interference effects can severely degrade the B1+ and imaging. The interaction between the RF field and the human body can impose additional challenges such as the higher RF transmitter power and the RF power deposition or specific absorption rate (SAR). Previously, a different number of resonators have been used in the Tx array coil to improve the RF efficiency and B1 shimming at UHF MRI. Moreover, other techniques such as modifying the shape and geometry of the resonator, the use of adjustable coils, and dielectric pads or dielectric liners (DL) were introduced.

Several studies have focused on the effects of pads with the BC coil; yet, the pad effects with MTL transmit array coils had never been discussed in earlier literature. Furthermore, the previously used pads had large thickness, limiting the head-MRI bore area, and are sometimes hard to fit for big heads. Therefore, the thinner and compact DL with stable dielectric properties can be advantageous in multi-channel head-MRI systems.

MRI can be used to achieve the potential diagnostic information about atherosclerosis and the intravascular region. The in-vivo structure, composition, and metabolic function of a lesion in the human body (e.g., vascular plaque) are of considerable interest. Moreover, intracranial brain aneurysms can leak or rupture, causing bleeding in the brain (hemorrhagic stroke) that can be fatal and requires prompt medical treatment. Recently, to diagnose intravascular and brain diseases, high-field MRI has attracted significant attention. The resolution of an image obtained by MRI is directly related to the SNR. Surface coils have recently been used for targeted-region MRI; however, surface coils are incapable of improving critical-vessel imaging in regions such as the aorta and the coronary and renal arteries. Consequently, they may lead to other problems such as poor resolution and low-SNR images of the blood-vessel walls.

A wide range of designs of intravascular and intraluminal MRI coils have been reported. Most of the studies used single-loop, solenoid, tilted, saddle-shaped, and meandering line coils for Rx coils. However, the coil designs presented to date have had limited success and encountered several common problems in in-vivo applications. Typically, the most sensitive area of the coil is the arterial lumen and not the artery walls, and severe image artifacts are often found during intense blood flow due to the movement of the coil. Thus, the introduction of receive-only open-interior MCs with two different MRI frequencies (i.e., 128 MHz and 298 MHz for field strengths 3 T and 7 T, respectively) for intravascular and brain-aneurysm imaging can resolve these issues.

Moreover, most of the studies for intravascular and intraluminal MRI coils used catheters, and the bulky connectors of the antenna, baluns and external cables significantly reduced the imaging quality and SNR. Moreover, the catheters and added bulk of the connectors and cables increase patient discomfort and require longer setup times. Thus, the wireless system is an alternative to avoid the wired loop between the Tx and Rx coils. Wireless communication technology is slowly but steadily gaining traction in society, including in MRI and nuclear magnetic resonance (NMR).

Researchers have developed wireless MRI systems for receiver surface coils or RF receiver array coils. However, the most effective technique presented in the available literature is the inductive coupling of Tx and Rx to avoid the internal cables and transfer the power wirelessly to a single surface or to the receiver array coils. The above techniques solve cable issues and patient discomfort for the wearable surfaces or receiver array coils. However, the catheters and internal cables for implantable MCs are yet to be resolved. A new electromagnetic (EM) midfield WPT technique for wirelessly powering millimeter-sized deep-tissue implants was recently revealed by researchers, where the power transmission distance is proportional to or greater than the wavelength. Thus, the wireless implantable coil can reduce the number of cables, simplify the coil design, and reduce the cost of coil manufacturing for pre-clinical NMR studies.

To solve the above-mentioned issues, this thesis concentrates on a number of issues related to field enhancement and SNR improvement. Therefore, to improve the homogeneity and strength of B1+, this study focuses on the development of a multi-element MTL transmit array coil integrated with a DL material. The transmission efficiency (Txeff) is improved in the head region. An eight-element MTL transmits array head coil is investigated using thinner DLs, and the optimized dimensions of the DL are found from its resonant mode at 7 T. Remarkably, the proposed DLs-integrated transmit array coil system offered significant improvements in the Txeff at different DLs positions. Interestingly, the DL acts as an efficiency tuner element exhibiting a 9% to 39% Txeff tuning range of improvement. However, this was only B1+ improvement and was not focus on B1- field.

Next, for B1- field, the first-ever intravascular receive-only (Rx) open interior micro-coils (MCs) for blood-vessel and brain-aneurysm imaging with two different MRI frequencies (128 MHz and 298 MHz for field strengths 3 T and 7 T, respectively). The proposed Rx MCs have a miniature volume of 4.92 mm3. They offer a wider bandwidth, homogenous radio frequency (RF) receptivity, a high SNR, and better vessel imaging than that offered by state-of-the-art MCs. Additionally, they have open interiors that enable uninterrupted blood flow during MRI scanning and reduce motion artifacts. The simulation results indicate that the proposed MCs achieved improvements of 72% and 75% in ΣB1- and Rxeff, respectively, in the selected ROI (the blood vessel).

Finally, a complete wireless power transfer (WPT) system consisting of a WPT transmitter (Tx), an efficient rectifier, and a micro-coil antenna integrated with the imaging system. The self-tuned open interior MC antenna works at three useful operating bands of 300 (7 T), 400, and 920 MHz, for blood vessel imaging, data telemetry, and efficient wireless transmission of power, respectively. The proposed open interior MC antenna contains two mirrorlike arms with diameters and lengths of 2.4 mm and 9.8 mm, respectively, to avoid blood flow blockage. To wirelessly show LED glow on a saline-based phantom, the MC was fabricated on a flexible polyimide material and combined with a miniaturized rectifier and a micro-LED. Measurements of the s-parameters were noted using a saline solution and blood vessel model to imitate a realistic human head. They were found to correlate reasonably with the simulated results.

Initially, the RF coil and MC antenna were designed in a homogeneous muscle box using FEM-based Ansys HFSS. For further verification and multiple applicability, the proposed coils and antennas was implanted into different implantation sites in a realistic human DUKE model and analyzed through FDTD-based Sim4Life. The proposed antennas were fabricated, blood vessels were printed using 3D printing technology, and measurements were carried out through immersion in a saline solution and in minced pork.