Development of MRI radiofrequency coils to study neurophysiological changes in a neonatal animal model at 9.4T

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Andreia Capaz
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/10451/9452
Resumo: Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
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spelling Development of MRI radiofrequency coils to study neurophysiological changes in a neonatal animal model at 9.4TRessonância magnética (RM)Bobinas de RFASLRM de 23Na9.4 TeslaTeses de mestrado - 2013Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A lesão cerebral hipóxico-isquémica é uma causa comum de lesão cerebral em recém-nascidos, resultando num alto risco de morte prematura ou deficiência. Estas lesões cerebrais devem-se a um fluxo insuficiente de sangue (isquémia) e a um fornecimento reduzido de oxigénio (hipóxia) ao cérebro, eventos que provocam lesões cerebrais agudas resultando numa série de acontecimentos que induzem lesão permanente e morte celular. O diagnóstico da lesão hipóxico-isquémica é difícil e uma detecção tardia da condição pode resultar num tratamento menos eficiente e posteriores sequelas neurológicas. A introdução da ressonância magnética como ferramenta clínica para avaliação da lesão cerebral hipóxico-isquémica neonatal permitiu a determinação da localização, extensão e evolução das lesões cerebrais hipóxico-isquémicas, sendo a mais sensível e específica das técnicas de imagem. Diversas modalidades de ressonância magnética têm vindo a ser exploradas para avaliar lesões cerebrais hipóxico-isquémicas neonatais para avaliação de mudanças neurofisiológicas entre estas modalidades encontra-se a arterial spin labelling. Arterial spin labelling (ASL) é uma técnica de ressonância magnética que mede a perfusão cerebral (fornecimento de sangue a um tecido capilar) de forma não invasiva. Nesta técnica o sangue arterial, que flui nas artérias que levam o sangue a uma zona que se pretende estudar a função, é utilizado como marcador endógeno. Utilizando um pulso de radiofrequência os protões das moléculas de água presentes no sangue arterial são marcados ficando o seu spin invertido. Através da subtracção de uma imagem da área em estudo com o spin arterial invertido e outra imagem com spin no estado não invertido é possível obter uma medição do fluxo cerebral. Para executar esta técnica uma bobina de ressonância de transmissão tem de ser utilizada para proceder à inversão dos spins, esta bobina pode ser a mesma com a qual se adquirem as imagens ou pode ser separada o que apresenta melhores resultados. Outra técnica que tem sido explorada para fornecer informações metabólica em lesões cerebrais hipóxico-isquémicas é a ressonância magnética de sódio (23Na). Esta técnica permite avaliar a viabilidade de um tecido, observando as concentrações de 23Na no tecido que se alteram quando um evento de hipóxico-isquémico ocorre. Apesar de ser uma técnica promissora as imagens de ressonância magnética de 23Na apresentam menor relação sinal ruído e menor resolução. O desenvolvimento de novas técnicas de imagem beneficia dos avanços em várias áreas de ressonância magnética. A utilização de campos magnéticos mais elevados tem provado ser uma forma de melhorar as medições de quantificação, proporcionando uma maior sensibilidade e relação sinal ruído. Por outro lado a utilização de bobinas de radiofrequência especialmente desenvolvidas para cada técnica é também um meio utilizado para melhorar o desempenho de determinadas técnicas. As bobinas podem ser especialmente desenhadas para se adaptar a um determinado modelo em estudo ou para estarem de acordo com um determinado protocolo experimental. O objectivo do trabalho descrito nesta dissertação é projectar e construir bobinas de radiofrequência (RF) que se destinam à utilização num sistema pré-clínico de ressonância magnética com um campo magnético de 9.4 Tesla. As bobinas desenvolvidas serão aplicadas em estudos de imagiologia neonatal utilizando um modelo animal (porco recém-nascido) com lesão hipóxico-isquémica. O principal foco do estudo principal em que o projecto descrito se insere é detectar as alterações neurofisiológicas decorrentes das hipóxico-isquémicas no cérebro utilizando diversas técnicas de ressonância magnética. Neste projecto em particular pretendem-se estudar duas dessas técnicas: arterial spin labelling e ressonância magnética de 23Na. O projecto foi dividido em dois objectivos principais. O primeiro objectivo consiste em projectar e construir uma bobina de RF de transmissão para ASL desenhada de acordo com as características do estudo experimental geral em que este projecto se insere. Pretende-se que a bobina seja posicionada na zona do pescoço do animal em estudo, o animal está deitado em pronação numa estrutura plástica cilíndrica desenhada para se encaixar numa bobina de volume que efectua a transmissão e recepção de radiofrequência que permite adquirir as imagens de protões. A bobina é posicionada entre o animal e a estrutura cilíndrica. O projecto foi desenvolvido para estar de acordo com os requisitos do procedimento acima descrito. Foi desenvolvida uma bobina de superfície sintonizada à frequência do hidrogénio a 9.4 Tesla (399.553MHz) e a impedância da bobina foi transformada de modo a corresponder à impedância dos cabos coaxiais e do sistema de ressonância magnética, neste caso 50. A bobina apresenta um método de desassociação activa entre a bobina desenvolvida e a bobina de volume. Este método consiste na colocação de um díodo PIN em série com o circuito o que permite que a bobina seja sintonizada apenas quando é necessário a transmissão de RF. A bobina é conectada a um cabo coaxial, este cabo é um circuito não balanceado que interage com a bobina levando a uma perda de sinal. Para diminuir estas possíveis perdas foram implementados dois tipos de circuitos, um junto à bobina e um circuito de um condensador em paralelo com um indutor implementado no cabo coaxial. Foi desenhada em 3D uma estrutura para proporcionar a protecção e acomodação da bobina. Para além disso foram construídos dois dispositivos que permitem a utilização da bobina. Um PIN diode driver que fornece a corrente necessária para a activação do díodo PIN e um Bias T um circuito que permite o fornecimento simultâneo de corrente continua e do pulso de radiofrequência à bobina. Todos os passos efectuados foram avaliados utilizando um analisador de redes, e os resultados foram apresentados sobre a forma de medições S11 ou S21 conforme o tipo de medição adequado. O segundo objectivo consiste em projectar e construir uma bobina de transmissão e recepção de radiofrequência para imagens de 23Na da região cerebral. Foi desenvolvida uma bobina de superfície sintonizada à frequência do 23Na a 9.4 Tesla (105.683MHz) e a impedância da bobina foi transformada de modo a corresponder a 50 . A bobina apresenta um método de sintonização remota à frequência desejada, o que permite que a sintonização da frequência e da impedância sejam realizadas fora da zona da bobina ou do magneto. A bobina apresenta um método de desassociação entre a bobina desenvolvida e a bobina de volume. Este método consiste na implementação de um circuito composto por um indutor e um condensador em paralelo com o circuito principal. Os resultados do processo descrito foram apresentados sobre a forma de medições S11 ou S21 conforme o tipo de medição adequado. Para avaliar a bobina de transmissão e recepção para 23Na foram adquiridas imagens de ressonância magnética de um fantoma e in vivo utilizando porcos recém-nascidos sujeitos a cirurgia para provocar a lesão hipóxico-isquémica. As imagens foram obtidas no sistema Varian 9.4T e os dados foram analisados usando Matlab. A bobina de superfície foi colocada dentro da bobina de volume de 1H, a ser utilizado como referência para a localização da bobina e avaliação de informações anatómicas. As imagens in vivo foram adquiridas antes de ser efectuada a lesão hipóxica-isquémica , 24 horas depois e 48 horas depois. Em ambos os caso foi possível aquisição de imagens de 23Na e detecção de diferentes estruturas. Esta tese é composta por sete capítulos. O primeiro capítulo diz respeito à introdução da tese, no segundo capítulo apresenta-se uma introdução teórica , na qual são descritos os conceitos subjacentes à teoria da técnica de ressonância magnética e ao desenvolvimento de bobinas de radiofrequência. É ainda complementada com uma breve descrição das técnicas ASL e ressonância magnética de sódio e resumo dos principais artigos publicados na área da ressonância magnética para estudo de lesões hipóxico-isquémicas neonatais. O terceiro capítulo descreve os materiais utilizados para o desenvolvimento das bobinas de radiofrequência. Nos capítulos quatro e cinco é apresentado em detalhe o desenvolvimento das bobinas e resultados das avaliação das mesmas. O sexto capítulo apresenta as imagens de sódio, as imagens incluídas são resultado de experiências realizadas com fantomas e in vivo. No último capítulo são apresentadas as conclusões e futuros aperfeiçoamentos dos projectos.Advanced magnetic resonance imaging techniques have been used as clinical tools for assessment of neurophysiology changes. Arterial spin labeling (ASL) is a magnetic resonance technique that noninvasively measures brain perfusion. There are several labeling techniques, one such technique is to use an imaging coil and a separate labeling coil. Sodium MRI provides valuable metabolic information assessing tissue viability, it has much lower SNR and resolution than proton imaging however physiological information provided has already proved to be valuable. In this project it is proposed to design and built a dedicated ASL coil and a transmit/receive sodium (23Na) radiofrequency (RF) coil to provide images of an animal model (piglet) of hypoxic ischaemic (HI) injury at a 9.4T preclinical MRI scanner. The proposed RF coils were designed and constructed. The process of development of each coil is described in detail: the tuning and matching process, the decoupling techniques chosen and the balancing methods applied. It is also presented the process of construction of other components required to allow the development or application of the coils in vivo. The evaluation of both coils and other devices constructed is presented based on the adequate bench measurements. For the transmit/receive 23Na radiofrequency coil the performance was also demonstrated performing MR imaging in a phantom and in vivo (piglet HI injury model). Sodium images of piglet's brain before HI injury, 24 and 48 hours after injury are presented.Andrade, Alexandre da Rocha Freire de, 1971-Thomas, DavidRepositório da Universidade de LisboaSilva, Andreia Capaz2013-11-01T15:38:49Z20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/9452TID:201286530enginfo: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:RCAAP2023-11-08T15:53:53Zoai:repositorio.ul.pt:10451/9452Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:33:39.971823Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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