Investigation of the priciples of combinatorial NMR imaging with micro-coils in low field

• Applicant: Professor Dr. Bernhard Blümich
• Subject Area: Analytical Chemistry
• Term: from 2004 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5414360

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Im Projekt „KombiSpin“ konnte ein Aufbau zur mobilen NMR mit gepulsten Gradientenfeldern an kleinen Proben realisiert werden. Die Neuerung besteht in der Verwendung von mikro-strukturierten, planaren RF- und Gradientenspulen, welche eine wesentlich geringere Größe haben als herkömmliche Systeme, die in der Niederfeld-NMR verwendet werden. Während der Projektpartner IWE-1 die Aufgabe der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung neuer Radiofrequenz- und Gradientenspulen auf dünnen Platinen innehatte, war es Aufgabe des Projektpartners ITMC diese Bauteile zu testen, mit selbst entworfenen Kupferbauteilen zu vergleichen und in die institutsüblichen Aufbauten zu integrieren, um die Anwendbarkeit zu prüfen. Zusammen mit dem IWE-1 wurden die Spulen fachgerecht mit den anderen Schwingkreiskomponenten und nachfolgenden Spektrometerkomponenten integriert. Die Bewältigung dieser scheinbar einfachen Aufgabe erforderte letztendlich eine Vielzahl von Teilschritten. An dem neuen Radiofrequenz- und Gradientenspulensystem wurden verschiedene standardisierte Puls-Sequenzen erfolgreich getestet, mit denen Relaxationszeiten, Diffusionskoeffizienten und Schnittbilder gemessen werden konnten. Schnittbilder von Gummiproben konnten mit einer lateralen Auflösung von (100 µm)2 gemessen werden, wobei eine 3 mm x 3 mm große RF-Spule und ortskodierende Gradientenspulen von 13 mm x 14 mm Abmessung verwendet wurden. Das Signal-zu Rauschverhältnis (SNR) ist vergleichbar mit dem selbst hergestellter Kupferdrahtspulen der gleichen Größe und kann in weiteren Arbeitsschritten verbessert werden. Der grundsätzliche Aufbau des Systems und die Größe der verwendeten Spulen erlauben prinzipiell die Kombination mehrerer Messstellen auf einer Platine, was es laut Antrag zu untersuchen galt. Die Simulation und Vermessung des Systems haben jedoch gezeigt, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Gesamtsystems deutlich verbessert werden muss, um mit Messzeiten von wenigen Minuten arbeiten zu können. Weiterhin ist eine Reduktion des Widerstandes der eingesetzten Gradientenspulen erstrebenswert, um bei gleicher Leistung höhere Ströme zu realisieren und damit die Auflösung zu erhöhen. Bei einer Auflösung von (100 µm)2 beträgt die Messzeit derzeit noch mehrere Stunden. Diese lange Messzeit liegt jedoch nicht nur an der Miniaturisierung der Spulen und deren niedrigem SNR, sondern ebenfalls an der angeschlossenen Elektronik, die es an die neuen Gegebenheiten anzupassen gilt (Impedanzanpassung an weniger als 50Ωoder Verwendung eines anderen Anpassungsnetzwerkes). Erst nach erfolgreicher Reduktion der Messzeit ist es sinnvoll mehrere Messstellen auf einer Platine unterzubringen und erste Messungen an kleinen Objekten wie Zellen vorzunehmen. Darüber hinaus muss die Aufnahme-Software für die großen Datensätze, die bei der Bildgebung anfallen, angepasst werden. Dies betrifft insbesondere die Übertragung der Messdaten vom Spektrometer auf den PC. Ebenso müssen neue Pulssequenzen geschrieben werden, die es erlauben die Gradientenspulen zur Messung von Diffusionskoeffizienten nach der Methode der gepulsten Gradientenfelder (PFG-NMR) zu verwenden.

Publications

• Patent DE 10 2004 039 420 A1 – „Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von NMR-Daten aus kleinen sensitiven Volumina mittel Niederfeld-NMR-Methoden“, 2004, 16 Seiten
  T. Leuerer, U. Schnakenberg, B. Blümich und W. Mokwa
  
• „Flexible RF Microcoils with Integrated Capacitor for NMR Applications“; Proc. 16th MicroMechanics Europe Workshop 2005 (MME 2005), Göteborg, Schweden, 4.-6. September 2005, Seiten 256-259
  D. Ellersiek, S. Harms, F. Casanova, B. Blümich, W. Mokwa und U. Schnakenberg
  
• „Characterisation of Radio Frequency Microcoils in Terms of their Magnetic Field”; Proc. 17th MicroMechanics Europe Workshop 2006 (MME 2006), Southampton, England, 3.-5. September 2006, Seiten 41-45
  D. Ellersiek, U. Nolten, W. Mokwa und U. Schnakenberg
  
• „Micro structured Planar Gradient Coils for Low Field Magnetic Resonance Imaging”; Proc. IEEE-Sensors 2007, Atlanta, Georgia, USA, 28.-31. Oktober 2007, Seiten 896-899
  D. Ellersiek, S. Harms, F. Casanova, B. Blümich, G. Dura, W. Mokwa und U. Schnakenberg