Optimum Performance Review In Permanent Magnets For Imaging Systems

Abstract

Medical imaging devices have an important place in our lives in the diagnosis of diseases. Magnetic Resonance Imaging (MRI) device is used clinically and Magnetic Particle Imaging (MPI) device is being developed. Both imaging techniques use magnetic fields. The basic mechanism of MPI technique, one of these imaging methods, is based on visualizing the concentration distribution of superparamagnetic nanoparticles (SPION) used as tracer material. Magnetic fields required for MPI scanners are usually obtained from electromagnets. This causes MPI scanners to consume very high levels of energy. However, they provide advantages by increasing and decreasing magnetic field strengths and obtaining the image quickly. Permanent magnets, which are used as an alternative to electromagnets in the generation of magnetic fields, provide high flux densities and do not require any power source. They do not have any unwanted background noise and do not need a cooling system. However, the magnitude of the magnetic fields produced by permanent magnets is lower compared to the magnitude of the magnetic fields produced by electromagnetic magnets. In this design, the results of changing the parameters affecting the performance in Halbach and double magnet systems are mentioned.

Keywords

• Halbach series
• Magnetic Particle Imaging
• Fill Factor
• Cylindrical magnet
• Square shaped magnet

Project Number

115E776 & 115E777

Görüntüleme Sistemleri İçin Kalıcı Mıknatıslarda Optimum Performans İncelemesi

Abstract

Tıbbi görüntüleme cihazları hastalıkların teşhisinde hayatımızda önemli bir yer tutmaktadır. Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG = MRI) cihazı klinik olarak kullanılmakta ve Manyetik Parçacık Görüntüleme (MPG = MPI) cihazı ise geliştirilmektedir. Her iki görüntüleme tekniğinde manyetik alan kullanılmaktadır. Bu görüntüleme yöntemlerinden MPI tekniğinin temel mekanizması, izleyici materyal olarak kullanılan süperparamanyetik nanoparçacıkların (SPION) konsantrasyon dağılımını görselleştirmeye dayanmaktadır. MPI tarayıcıları için gereken manyetik alanlar genellikle elektromıknatıslardan elde edilmektedir. Bu durum MPI tarayıcılarının çok yüksek seviyede enerji tüketmelerine yol açmaktadır. Ancak oluşturulan manyetik alan kuvvetlerinin arttırılıp azaltılmasında ve görüntünün hızlı elde edilmesinde avantaj sağlamaktadırlar. Manyetik alanın üretilmesinde elektromıknatıslara alternatif olarak kullanılan kalıcı mıknatıslar ise yüksek akı yoğunlukları sağlamakla beraber herhangi bir güç kaynağına da ihtiyaç duymazlar. İstenmeyen arkaplan gürültüleri yoktur ve soğutma sistemine de ihtiyaç duymazlar. Ancak, kalıcı mıknatısların ürettiği manyetik alanların büyüklüğü, elektromanyetik mıknatısların ürettiği manyetik alanların büyüklüğüne kıyasla daha düşüktür. Bu çalışmada MPI tarayıcısının kalıcı mıknatıslarla çalışması durumunda optimum ölçülerinin tasarısı önerilmektedir. Bu tasarıda, Halbach ve ikili mıknatıs sistemlerindeki performansı etkileyen parametrelerin değişimiyle meydana gelen sonuçlardan bahsedilmiştir.

Keywords

• Halbach dizisi
• Manyetik Parçacık Görüntüleme
• , Dolgu Faktörü
• Silindir şekilli mıknatıs
• Kare şekilli mıknatıs

Supporting Institution

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından desteklenmiştir.

Project Number

115E776 & 115E777

Thanks

TÜBİTAK'a Teşekkür ederiz.

References

1. B. Gleich and J. Weizenecker, S. 2005. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles, Nature, cilt. 435, s. 1214-1217. DOİ: 10.1038/nature03808.
2. A. Meola, J. Rao, N. Chaudhary, G. Song, X. Zheng, and S. D. Chang, S. 2019. Magnetic Particle Imaging (MPI) in Neurosurgery," World neurosurgery. DOİ: 10.1016/j.wneu.2019.01.180.
3. M. Weber, J. Beuke, A. von Gladiss, K. Gräfe, P. Vogel, V. C. Behr, et al., S. 2018. Novel field geometry using two Halbach cylinders for FFL-MPI, Intern. J. Magnetic Particle Imaging, cilt. 4, s. 1811004 DOİ: 10.18416/IJMPI.2018.1811004.
4. Z. W. Tay, D. W. Hensley, E. C. Vreeland, B. Zheng, and S. M. Conolly, S. 2017. The relaxation wall: experimental limits to improving MPI spatial resolution by increasing nanoparticle core size, Biomedical physics & engineering express, cilt. 3, s. 035003. DOİ: 10.1088/2057-1976/aa6ab6.
5. E. E. Mason, C. Z. Cooley, S. F. Cauley, M. A. Griswold, S. M. Conolly, and L. L. Wald, S. 2017. "Design analysis of an MPI human functional brain scanner," International journal on magnetic particle imaging, cilt. 3. DOİ: 10.18416/ijmpi.2017.1703008.
6. M. Straub, S. Hubertus, F. Kiessling, and V. Schulz, S. 2015. MPI field generator design for an FFL based image acquisition, 5. Uluslararası Manyetik Parçacık Görüntüleme Çalıştayı (IWMPI), 26-28 Mart, İstanbul, s. 1-1 DOI: 10.1109/IWMPI.2015.7107056.
7. N. Panagiotopoulos, R. L. Duschka, M. Ahlborg, G. Bringout, C. Debbeler, M. Graeser, et al. S. 2015. "Magnetic particle imaging: current developments and future directions," International journal of nanomedicine, cilt. 10, s. 3097. DOİ: 10.2147/IJN.S70488.
8. S. M. Dadfar, D. Camozzi, M. Darguzyte, K. Roemhild, P. Varvarà, J. Metselaar, et al. S. 2020. "Size-isolation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles improves MRI, MPI and hyperthermia performance," Journal of nanobiotechnology, cilt. 18, s. 1-13. DOİ: 10.1186/s12951-020-0580-1.

9. S. Lyer, T. Knopp, F. Werner, J. Zaloga, R. Friedrich, L. Trahms, et al. S. 2018. "Multifunctional SPIONs for Theranostics in Cancer," International Journal on Magnetic Particle Imaging, cilt. 4, s.1. DOI: 10.18416/IJMPI.2018.1808001.
10. T. Knopp and T. M. Buzug, S. 2012. Magnetic particle imaging: an introduction to imaging principles and scanner instrumentation: Springer Science & Business Media.
11. J. Konkle, P. Goodwill, and S. Conolly, S. 2011. "Development of a field free line magnet for projection MPI," SPIE Medical Imaging, Lake Buena Vista (Orlando), Florida, United States, 79650X.
12. M. Ütkür and E. U. Saritas, S. 2015. "Comparison of different coil topologies for an MPI relaxometer," Uluslararası Manyetik Parçacık Görüntüleme Çalıştayı (IWMPI). 26-28 Mart, İstanbul, 1-1.
13. G. Bringout, H. Wojtczyk, W. Tenner, M. Graeser, M. Grüttner, J. Haegele, et al. S. 2013. "A high power driving and selection field coil for an open MPI scanner," Uluslararası Manyetik Parçacık Görüntüleme Çalıştayı (IWMPI), 23-24 Mart Berkeley, CA, USA, 1-1.
14. A C Bakenecker, J Schumacher, P Blümler, K Gräfe, M Ahlborg, T M Buzug, S. 2020. "A concept for a magnetic particle imaging scanner with Halbach arrays," Physics in Medicine & Biology. Cilt 65, s. 19 DOİ: 10.1088/1361-6560/ab7e7e.
15. COMSOL Multiphysics (https://www.comsol.com/)
16. P. V. Trevizoli, J. A. Lozano, G. F. Peixer, and J. R. Barbosa Jr, S. 2015. "Design of nested Halbach cylinder arrays for magnetic refrigeration applications," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, cilt. 395, s. 109-122. DOİ: 10.1016/j.jmmm.2015.07.023.
17. Q. Chen, G. Zhang, Y. Xu, and X. Yang, S. 2015. "Design and simulation of a multilayer Halbach magnet for NMR," Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering, cilt. 45, s. 134-141. DOİ: 10.1002/cmr.b.21292.
18. P. Blümler, S. 2015. "Permanent Magnet System for MRI with Constant Gradient mechanically adjustable in Direction and Strength," arXiv preprint arXiv:1510.02772, 2015.
19. F. Balcı, A. Bingolbali, N. Dogan, and M. Irfan, S. 2021 "Optimization of Fill Factor Equation in Halbach Design," Technical Physics Letters, cilt 47 , s. 3-6 DOİ: 10.21883/pjtf.2021.04.50635.1845.
20. F. Balcı, 2020. "Manyetik Parçacık Görüntüleme Sistemi İçin Mıknatıs Tasarımı," Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 110s, İstanbul.