Implantable sub-cm wireless resonators for MRI: From circuit theory to medical imaging
MRG için implant edilebilir kablosuz cm-altı çınlaçlar: Devre teorisinden tıbbi görüntülemeye
- Tez No: 486739
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Manyetik rezonans görüntüleme, Magnetic resonance imaging
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küçük baskı alanına sahip implant edilebilir kablosuz rezonatörlerin (çınlaçların) yapılması, geleneksel tasarımların büyüklükleri ve ulaşılabilen kalite faktörleri aralığı (Q-faktörleri) arasındaki ilişkiye bağlı olarak, oldukça zorlayıcıdır. Klinik manyetik rezonans görüntüleme (MRG) frekansları için (ör. 3 T için yaklaşık 127 MHz), klasik çınlaçlar başarılı bir işlem için ya çip boyutunda yaklaşık 20 cm'lik bir çapa ya da çipten bağımsız harici elemanlara ihtiyaç duyar ki; bunların her ikisi de pratik olarak implant edilebilir cihazlar olarak kullanımı engeller. Vücut içi uygulamalarda kullanılabilmeleri için, yonga boyutunda en az iki basamak (100 kat) küçültme yapılması gereklidir. Bununla birlikte, böyle bir geleneksel rezonatör çipinin boyutunun bu denli azaltılması, önemli ölçüde azaltılmış Q-faktörüyle sonuçlanır. Bu nedenle, baskı alanı azaltılmasının ve yüksek Q faktörlerinin aynı anda elde edilmesi, implant edilebilir elektronik için yeni bir yaklaşımı gerektirir. Bu tez çalışmasında, bu sorunu çözmek için, yeni bir sınıf olarak dalgaboyunun çok altında, ince film yüklü sarmal meta-malzeme yapılar önerip, tasarladık ve bunların MRG'de alan lokalizasyonu ve sinyal-gürültü oranı (SNR) iyileştirmeyi de içeren vücut içi uygulamalarını gösterdik. Çipin her iki tarafında kısmen üst üste konmuş helezonlar ile tamamen çipte uygulanan bu implant edilebilir kablosuz mimari, olağanüstü küçük bir baskı alanı elde ederken (<<1 cm2), çok ince geometriye (< 30 µm) ve tasarımı sayesinde ayarlanabilen geniş bir yelpazede rezonant radyo frekans aralığına olanak tanır. Bu mikrodalga devrelerinin cm-altı aralığına küçültülmesi, kayıplı yumuşak dokularda 30'u aşan yüksek Q-faktörleri ile birlikte vücut-içi kullanımına imkan sağlar. Üretilen cihazların boyutu çalışma dalgaboylarının 1/1500'ü büyüklüğüne karşılık gelir ve böylece dalgaboyunun çok altına erişilmiş olur. Önerilen kablosuz rezonant cihazların minyatürleştirme özelliklerini anlamak için eşlenik devre modelleri geliştirildi ve ortaya çıkan yüksek Q-faktörleri bu modelleri kullanarak tutarlı bir şekilde açıklandı. Buna ek olarak, önerilen geometrilerin sayısal çözümleri, geliştirilen eşdeğer devre modellerin bulgularını doğrulamak için sistematik bir şekilde gerçekleştirildi. Bütün bu teorik ve sayısal çalışmalar, mikro-üretilmiş cihazların deneysel RF analizi ile mükemmel bir uyum içinde bulundu. Önerilen mimarilerin çalışma frekanslarında yapılan analizleri, bu geometrilerin doğada doğal olarak bulunmayan ve bu yapıları gerçek meta-malzeme haline getiren, hem negatif nispi elektriksel sabite hem de negatif nispi manyetik geçirgenliğe sahip olduğunu gösterdi. Bu imal edilen kablosuz cihazların, MRG'de aşırı derecede ısınmaya neden olmadan SNR iyileştirmesi ve alan lokalizasyonu ile birlikte dura-altı elektrot işaretlemesinin vücut-içi uygulaması için umut verici olduğu gösterildi. MR görüntüleri, önerilen devrenin implantların MR görüntülemesi, yüksek çözünürlüklü MR görüntüleme ve kayıplı ortam için elektrik alan yoğunlaştırma için de uygun olduğunu desteklemektedir. Gösterimlerimiz bu çalışmada subdural elektrotları işaretlemek için yapılmış olsa da, RF analiz sonuçları önerilen cihazın sadece MRG uygulamaları ile sınırlı olmadığını göstermektedir. Güçlü alan lokalizasyonunu mümkün kılan aynı yapı sınıfını kullanarak, özellikle kablosuz cihazların minyatürleştirilmesi ve/veya geleneksel yapıların performansının arttırılması gereken yerler gibi sayısız kablosuz uygulama mümkün görünmektedir. Bu tezin bulguları, önerilen implant edilebilir cm-altı kablosuz çınlaçların, gelecek nesil implantlar ve kablosuz algılama sistemleri için yeni imkânlar açılacağını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Making implantable wireless resonators having small footprints is fundamentally challenging when using conventional designs that are subject to the inherent tradeoff between their size and the achievable range of quality-factors (Q-factors). For clinical magnetic resonance imaging (MRI) frequencies (e.g., about 127 MHz for 3 T), conventional resonators either require a diameter of about 20 cm in chip size or off-the-chip lumped elements for successful operation, both of which practically prevent their use as implantable devices. At least two orders-of-magnitude reduction in footprint area is necessary to make on-chip resonators suitable for in-vivo applications. However, decreasing the size of such a conventional resonator chip comes at the expense of substantially decreased Q-factor. Thus, achieving high Q-factors with reduced footprints simultaneously entails a novel approach in implantable electronics. In this thesis work, to address this problem, we proposed, designed and demonstrated a new class of sub-wavelength, thin-film loaded helical metamaterial structures for in-vivo applications including field localization and signal-to-noise ratio (SNR) improvement in MRI. This implantable wireless architecture, implemented fully on chip with partially overlaid helicals on both sides of the chip interconnected by a through-chip-via, enables a wide range of resonant radio frequencies tunable on chip by design while achieving an extraordinarily small footprint area (<< 1 cm2) and ultra-thin geometry (< 30 µm). The miniaturization of such microwave circuits to sub-cm range, together with their high Q-factors exceeding 30 in lossy soft tissues, allows for their use in vivo. The fabricated devices correspond to 1/1500th of their operating wavelength in size, rendering them deep sub-wavelength. For the proposed wireless resonant devices, equivalent circuit models were developed to understand their miniaturization property and the resulting high Q-factors are well explained by using these models. Additionally, full-wave numerical solutions of the proposed geometries were systematically carried out to verify the findings of the developed equivalent circuit models. All of these theoretical and numerical studies were found in excellent agreement with the experimental RF characterization of the microfabricated devices. Retrieval analyses of the proposed architectures showed that these geometries lead to both negative relative permittivity and permeability simultaneously at their operating frequencies, which do not naturally exist together in nature, making these structures true metamaterials. These fabricated wireless devices were further shown to be promising for the in-vivo application of subdural electrode marking, along with SNR improvement and field localization without causing excessive heating in MRI. MR images support that the proposed circuitry is also suitable for MRI marking of implants, high-resolution MR imaging and electric field confinement for lossy medium. Although our demonstrations were for the purpose of marking subdural electrodes, RF characterization results suggest that the proposed device is not limited to MRI applications. Utilizing the same class of structures enabling strong field localization, numerous wireless applications seem feasible, especially where miniaturization of the wireless devices is required and/or improving the performance of conventional structures is necessary. The findings of this thesis indicate that the proposed implantable sub-cm wireless resonators will open up new possibilities for the next-generation implants and wireless sensing systems.
Benzer Tezler
- Novel wireless RF-biomems implant sensors of metamaterials
Metamalzeme özgün kablosuz RF-biyomems implant sensörler
ROHAT MELİK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- İnterskalen blok eşliğinde venöz port takılmasının hasta memnuniyeti ve analjezi kalitesine etkisi
Başlık çevirisi yok
MEHMET UĞUR TURHAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2012
Anestezi ve ReanimasyonSağlık BakanlığıAnesteziyoloji ve Reanimasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL ERDEN
- Eşikaltında çalışan CMOS OTA-c süzgeç tasarımı ve tıp elektroniği alanına uygulanması
Design of low-prequency band filters for implantable biotelemetric applications using CMOS OTA-c filters operating in subthreshold region
HAKAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. HAKAN KUNTMAN
- CE işareti ve Türk şirketlerine uygulanabilirliğinin analizi
CE marking and anaysis of the application to Turkish firms
MUZAFFER ATİLLA KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İşletmeİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEÇKİN POLAT
- A design of sub-mW-power 2.4 GHz CMOS cascode low noise amplifier with high linearity
Yüksek doğrusallığa sahip mW altı güç ile çalışan 2.4 GHz CMOS kaskod düşük gürültülü kuvvetlendirici
DİDEM EROL AS
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN