Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Periquito, João dos Santos
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/10055
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
id RCAP_8dd46b4859c1d8000d4859eba379141b
oai_identifier_str oai:repositorio.ul.pt:10451/10055
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)HipertermiaRessonância magnéticaAntenas RFSimulações electromagnéticasSARTeses de mestrado - 2013Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013Hipertemia regional é um procedimento clínico onde ocorre o aumento da temperatura sistémica de 37.5º C para valores entre os 39º e os 42º C numa zona específica do corpo humano afetada por um tumor. O procedimento mencionado é realizado através do depósito de energia de radiofrequências (RF) no interior do corpo humano – RF Hiperthermia. A energia é depositada numa determinada região, sendo possível produzir um hotspot no interior do corpo humano e posteriormente aumentar a temperatura no tumor. A utilização de antenas RF permite não só o depósito de energia no corpo humano como também o envio/receção de sinais RF, sinais estes usados nos sistemas de ressonância magnética. Neste sentido, combinando RF hipertermia com os benefícios de ressonância magnética é possível não só criar um hotspot, como também executar uma monitorização deste mesmo hotspot de forma a garantir que apenas se aumenta a temperatura na área de interesse, não atingindo os tecidos não afetados pelo tumor. Neste projeto foi desenvolvido e avaliado um sistema híbrido de oito canais capaz não só de efetuar um aquecimento focado através de radiofrequência, como também adquirir imagens de ressonância a 11.4T. Nesta abordagem oito canais foram usados em simultâneo de forma a criar uma sobreposição de campos elétricos capazes de focar calor numa área específica, criando assim um hotspot. Este sistema é constituído por oito blocos posicionados circularmente em volta de um fantoma cilíndrico. Este blocos são caixas de Plexiglas constituídos por uma antena conectada a um circuito capaz de sintonizar a frequência e ajustar a impedância das antenas para os valores desejados – match and tune network. As antenas foram inseridas dentro da caixa de Plexiglas, embutidas em água destilada de forma a reduzir o comprimento de onda, caso contrário as dimensões das antenas seriam superiores às dimensões da caixa. Operando a uma frequência de 500MHz, é possível através destas antenas criar um foco de calor no centro do cilindro e obter imagens de ressonância magnética a 11.7T. O design escolhido para antenas foi dipolos dielétricos em forma de bowtie (gravata borboleta). As antenas formadas por dipolos dielétricos conferem uma grande profundidade na distribuição do campo eletromagnético, uma característica muito importante neste projeto, não só porque permite focar uma certa quantidade de energia num ponto interior de um fantoma, mas também porque favorece a qualidade de imagens de ressonância magnética. O design de bowtie permite uma maior largura de banda da antena garantindo uma grande estabilidade à antena, quando sujeita a alteração de condições (movimento e mudança de posição). As dimensões deste tipo de antena estão diretamente relacionadas com a frequência a que operam. Várias simulações eletromagnéticas foram levadas a cabo de forma a conhecer as dimensões da antena para que esta apresentasse um comportamento estável a 500 MHz. Estas simulações foram realizadas usando o software CST Studio Suite 2012, CST GmbH, Darmstadt, Alemanha. Primeiramente através deste software foi criado um fantoma cilíndrico com uma condutividade e permitividade elétrica semelhante ao interior do nosso organismo. Um bloco, semelhante ao descrito acima, dfoi criado e posicionado junto ao fantoma. Os campos eletromagnéticos foram calculados e seguidamente foi criado o match and tune network que consiste num circuito formado por dois condensadores ligados em paralelo. Através da alteração dos valores de capacidade elétrica dos condensadores foi possível sintonizar a frequência para os 500 MHz e ajustar a impedância para os 50 ohms. A utilização de Scatter Parameters ou apenas S-Parameters, especificamente o parâmetro S11, que avalia a energia transferida e refletida na antena, permitiram determinar a eficiência da antena a 500 MHz. Depois dos resultados serem avaliados a aprovados procedeu-se à adição de blocos em redor do fantoma. Sete blocos iguais ao primeiro foram adicionados ao modelo e posicionados de forma equidistante, em relação a si e ao fantoma. Posteriormente foram criados sete match and tune networks e foram conectados às respetivas antenas, que se encontram no interior dos blocos. Após a análise dos resultados das simulações eletromagnéticas deste modelo foi possível calcular o Specific Absorption Tare – SAR e visualizar um hotspot no centro do fantoma com baixos valores de SAR na sua superfície. Comparando-se estes resultados, a uma frequência de 500 MHz, com as anteriores simulações a 300 MHz e verificou-se que a 500 MHz é possível obter um hotspot mais eficiente, isto é, com um tamanho menor e mais focado no interior do fantoma, mantendo baixos valores de SAR à superfície. Seguidamente procedeu-se à construção dos blocos constituídos pelas antenas e pelos repetivos match and tune networks. Os oito blocos juntamente com um fantoma cilíndrico posicionados num suporte de plástico criado numa impressora 3D especificamente criado para este fim. O dispositivo construído foi testado num sistema de ressonância magnética de 7.0T (frequência de 300 MHz) e, por essa razão, existiu a necessidade de combinar no suporte oito antenas de 300 MHz com capacidade de obter imagens de ressonância magnética a 7.0T. este procedimento permite, posteriormente, avaliar a performance do aquecimento das antenas através de mapas de distribuição das temperaturas. De seguida foram criadas oito antenas de 300 MHz com um diferente design – meandre design – através do software CST Studio Suite 2012. Estas antenas permitem a sua introdução no modelo entre os blocos com antenas de 500 MHz. Após avaliação dos resultados da distribuição do campo eletromagnético concluiu-se que as novas antenas se encontravam aptas a serem utilizadas na aquisição de imagens de ressonância magnética a 7.0T, uma vez que apresentavam valores razoáveis do campo B1. Importa ainda referir que estas novas antenas não iriam afetar o hotspot criado com as antenas de 500 MHz. As antenas meandre foram impressas e ajustadas para os 300 MHz. Através de uma impressora 3D procedeu-se à alteração do suporte de forma a introduzir as antenas meandre entre os blocos com antenas de 500 MHz, em semelhança com a simulação. RF heating experiments foram realizados num sistema de ressonância magnética de 7.0T usando o dispositivo construído, um gerador de sinais de radiofrequência, amplificador de rediofrequências personalizado e dois multiplicadores 1 para 4 juntamente com dez cabos longos de forma a dividir a energia pelas 8 antenas de 500MHz. O amplificador possuía dois canais, sendo que cada canal foi previamente calibrado para 500 MHz e todas as perdas de energia em todos os componentes foram devidamente medidas com o auxílio de dois power meters. Com este setup foi apenas possível obter 27Watts por antena. Após análise dos mapas obtidos através da ressonância magnética foi concluído que esta quantidade de energia é bastante reduzida para obtenção de resultados desejáveis. Esta baixa quantidade de energia deve-se exclusivamente ao deficiente funcionamento do amplificador que a 500 MHz se encontrava no limite das suas capacidades, apresentando um comportamento deficiente e instável, reiniciando constantemente por razão alguma. Uma nova abordagem foi executada e usando apenas um elemento foi possível direcionar 100Watts na antena durante 12 minutos. Em cada 2 minutos foram obtidas imagens de ressonância magnética e posteriormente foi obtido o mapa de distribuição de temperaturas. Após análise deste mapa de distribuição de temperaturas foi possível observar o aquecimento resultante por parte deste elemento. Deste modo, conclui-se que é possível validar as simulações eletromagnéticas através de RF heating experiments utilizando um amplificador de radiofrequência diferente com capacidade de operar eficientemente a uma frequência de 500 MHz, fornecendo assim maior quantidade de energia por antena. O projeto supracitado foi desenvolvido num sistema de ressonância Siemens de 7.0T situado no B.U.F.F. (Berlin Ultrahigh Field Facility) no Max-Delbrueck Center for Molecular Medicine, Berlim, Alemanha.Radiofrequency (RF) hyperthermia is a clinical procedure that aims to raise the temperature of a region of the body with Rf energy. An array of RF antennas can be used to deliver Rf energy in the human body and can also be used to send/receive a RF signals that are used in magnetic resonance imaging (MRI). By combining MRI and RF antennas is possible to perform and monitorize RF hyperthermia. Recent studies showed that at high frequencies is possible to increase RF hyperthermia performance. In this project was designed and evaluated an eight channel hybrid applicator for targeted RF heating and MR Imaging at 11.4T (500MHz). In this approach, eight channels were used for tailoring the electric field by means of constructive interferences. The applicator consists of eight building block antennas placed in a cylindrical array for RF heating and MRI at a frequency of 500 MHz (proton Larmor frequency at 11.4T). A building block antenna consists of a 500 MHz bowtie dipole antenna inside a Plexiglas box, connected to a match and tune network. This applicator was tested in a 7.0T MRI System, therefore eight 300 MHz (proton Larmor frequency at 7.0T) meander dipole antennas were added to the applicator in order to use MRI and MR thermometry technique to achieve the temperature distribution at 7.0T. The eight 300 MHz antennas were placed between the 500 MHz antennas boxes in a plastic holder printed in a 3D printer. For design and evaluate the performance of the antennas, electromagnetic field simulations were performed using CST Studio Suite 2012, CST GmbH, Darmstadt, Germany. By using simulations results specific absorption rate and B1 field were calculated on a phantom. Using a custom power amplifier RF heating experiments were performed on a 7.0T Siemens MRI System placed at Berlin Ultrahigh Field Facility at the Max-Delbrueck Center for Molecular Medicine, Berlin, Germany.Niendorf, ThoralfAndrade, Alexandre da Rocha Freire de, 1971-Repositório da Universidade de LisboaPeriquito, João dos Santos2014-01-14T13:15:56Z20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/10055TID:201289679enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:55:02Zoai:repositorio.ul.pt:10451/10055Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:34:06.323763Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
title Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
spellingShingle Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
Periquito, João dos Santos
Hipertermia
Ressonância magnética
Antenas RF
Simulações electromagnéticas
SAR
Teses de mestrado - 2013
title_short Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
title_full Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
title_fullStr Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
title_full_unstemmed Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
title_sort Explorations into ultrahigh field magnetic resonance imaging ant targeted radiofrequency hyperthermia at 11.7T (500 MHz)
author Periquito, João dos Santos
author_facet Periquito, João dos Santos
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Niendorf, Thoralf
Andrade, Alexandre da Rocha Freire de, 1971-
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Periquito, João dos Santos
dc.subject.por.fl_str_mv Hipertermia
Ressonância magnética
Antenas RF
Simulações electromagnéticas
SAR
Teses de mestrado - 2013
topic Hipertermia
Ressonância magnética
Antenas RF
Simulações electromagnéticas
SAR
Teses de mestrado - 2013
description Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
publishDate 2013
dc.date.none.fl_str_mv 2013
2013-01-01T00:00:00Z
2014-01-14T13:15:56Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/10055
TID:201289679
url http://hdl.handle.net/10451/10055
identifier_str_mv TID:201289679
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799134235615821824

Registros relacionados