Manyetik Rezonans Görüntüleme Teknolojileri

Transkript

1 Manyetik Rezonans Görüntüleme Teknolojileri Ergin Elektrik ve Elektronik Müh. Bölümü, Ulusal Manyetik Rezonans Araştırma Merkezi, Aysel Sabuncu Beyin Araştırmaları Merkezi Bilkent Universitesi

2 Konuşma Planı UMRAM/Beyin Merkezi nin kısa tanıtımı MRG Verici Anten Dizisi Gradyan Dizisi MRG Cihazı prototipi Manyetik Parçacık Görüntüleme Beyin Üzerine Yapılan Çalışmalardan Örnek

3 Konuşma Planı UMRAM ın kısa tanıtımı MRG Verici Anten Dizisi Gradyan Dizisi MRG Cihazı prototipi Manyetik Parçacık Görüntüleme Beyin Üzerine Yapılan Çalışmalardan Örnek

4 Aysel Sabuncu Beyin Araştırmaları Merkezi

5 UMRAM/Beyin Araştırmaları Öğretim Üyeleri UMRAM Hulusi Kafaligonul Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ergin Emine Ulku Saritas Tolga Cukur Psikoloji Michelle Adams Huseyin Boyaci Katja Doerschner Bağlantılı Üyeler Yusuf Ziya Ider (EEE) Aaron Clarke Jennifer E. Corbett Ali Khatibi Jaap Munneke Timothea Toulopoulou Kader Karli Oguz (Hacettepe University, Radyoloji) Oktay Algin (Ataturk Hospital, Radyoloji)

6 Araştırma Amaçlı 3T ve 1,5T MRG Cihazları

7 Araştırma Olanakları 3T ve 1,5T MRG Elektronik/RF laboratuvarları EEG ve Psikofizik Laboratuvarları Hesaplama Yetenekleri Plan: 1.5T, küçük havyan 7T Hayvan laboratuvarı: Fare, Sıçan, Zebra Balığı

8 Destekler Devam etmekte olan ~ 11M TL Tamamlanmış ~ 18M TL

9 Patent ve Yayınlar 22 US Patenti 52 uluslararası hakemli dergi yayını 3 kitap bölümü 12 doktora ve yüksek lisans tezi 65 konferans sunumu

10 Siemens - UMRAM Araştırma anlaşması Geliştirilen donanım ve yazılım için altyapı ve teknik destek Patent Desteği Patent giderlerinin karşılanması Kullanım Hakkı

11 ASELSAN - UMRAM İşbirlikleri 32 Kanal Verici Anten Dizisi Tasarımı Gradyan Dizisi Tasarımı Manyetik Parçacık Görüntüleme Cihazı Tasarımı Sıkıştırılmış Algı ile MR Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi Yerli MRG Cihazı Tasarımı

12 Konuşma Planı UMRAMın kısa tanıtımı MRG Verici Anten Dizisi Gradyan Dizisi MRG Cihazı prototipi Manyetik Parçacık Görüntüleme Beyin Üzerine Yapılan Çalışmalardan Örnek

13 Nükleer Magnetik Rezonans X Ray NMR

14 MR Görüntüleme Cihazı

15 Mıknatıs

16 Gradyan Sargı

17 Radyo Frekans Verici Kuşkafesi tasarım: Cecil Hayes, 1985 and Gary Grover, 1985.

18 Eddy Boskamp, 1986 Radyo Frekans Alıcı

19 Radyo Frekans Alıcı Anten Dizisi

20 Radyo Frekans Alıcı Anten Dizisi

21 96 Kanal Alıcı Anten Dizisi GC Wıggins, Magnetic Resonance in Medicine, 2009

22 En çok sinyal gürültü oranı!998 Magnetic Resonance in Medicine

23 Günümüzde MR Teknolojisi 1.5 & 3 Tesla GE Medical Systems Siemens Philips

25 Conventional RF transmit coil: Birdcage coil (BC) Verici Anten Dizisi Inhomogeneity [1] An RF transmit array coil (Txarray) Homogeneity [1] 25

26 Amplifier design DC 10V= A A Lf33abdt 3.3V=C Supply Modulation Block DC VDD= D C D LVDS Ds90lt012a A Irfh7194pbf VDD 10V Envelope modulator Low pass Filter PCB Short transmission line Cs1 LVDS C Ds90lt012a Mic4104 Irfh7194pbf Π- Low Pass Filter Transmission Line FPGA LVDS Driver Cp R=loading from the body Cs2 Zcoil 50 Ω Cs3 A Driver Lf33abdt 3.3V=C A B C DC 10V= A Ths3202 Max V=B C A B A LVDS Ds90lt012a Ths3202 Mrf1513 Main switch C A B LVDS Ds90lt012a Ths3202 Mrf1513 A B Ths Bilkent University UMRAM Hardware

27 Konuşma Planı UMRAMın kısa tanıtımı MRG fiziği Verici Anten Dizisi Gradyan Dizisi MRG Cihazı prototipi Manyetik Parçacık Görüntüleme Beyin Üzerine Yapılan Çalışmalardan Örnek

28 Geleneksel Gradyan Sistemi Toplam Maliyet Yaklaşık $ Kısıtlı Endüstriyel Üretici Sayısı X- Gradyan Sargısı Y- Gradyan Sargısı Kontrol ünitesi -Geri besleme -Akım algılma -Dijital Analog çevirici -Analog-Dijital Çevirici -Darbe genişlik modulasyon ünitesi Gradyan Yükselteçler -3 Adet -Yükselteci (X,Y,Z) -2100Volt, 650 Amper MegaVoltAmper toplam güç Gradyan Sargılar cm çapında silindir sargılar -Soğutma boruları Z- Gradyan Sargısı

29 Geliştirilmekte Olan Gradyan Dizisi Şu andaki prototip maliyeti Yaklaşık 1.500$ (9 kanal) Tam fonksiyonel olarak geliştirilmiş durumda maliyet Tahmini $ Kontrol Ünitesi PC de 3 farklı programda kodlanmış. FPGA de üretilmek üzere kontrol sinyallerini hazırlar. 9 adet gradyan yükselteç Araştırma merkezimizde tasarlanmıştır. 50V, 30A = 1500kiloVoltAmper 400Volt, 200A yükselteçlerin tasarımına başladık. Filtreler Üretilen gücü MR odasına taşımak için gerekli filtreler 9 kanal gradyan sargı 25 cm çap Bütün vücut görüntüleme için çapın 2-3 katına çıkması gerekli Bu da yaklaşık yükselteçlerin 30 kat daha güçlü olmasını gerektiriyor. Her bir geleneksel sargı 16 sargıya bölünerek toplamda 48 sargılı bir sistem planlanmaktadır.

30 Sistemin Faydaları Mevcut sistem ile aynı performansı sağlayabilmesi Düşük güç yükselteçleri sayesinde maliyetin azaltılması Daha ucuz devre elemanları Daha basit tasarım 3 tane yüksek güç yükselteci yerine 48 tane küçük güç yükselteci ( 3 X 1.3 MegaVoltAmper = 48 X KiloVoltAmper) Mevcut sisteme ek olarak; Ayarlanabilir görüntüleme alanı sayesinde aynı görüntüyü daha az güç harcayarak elde etme Vücuda uygulanabilen manyetik alan limitlerinde (sinir sistemi uyarımı ve soğurulan enerji miktarı) gelişme Daha hızlı, yüksek çözünürlüklü ve klinik tanı yetkinliği yüksek görüntü elde etme imkanı Fonksiyonel MRG gibi güncel önemli araştırma alanlarında kullanılabilecek bir donanım.

31 Önerilen Sistemin Doğrulanması Gradyan Dizisi ile ilgili Yayın ve Patentler Özgün Soğurulma Hızının Düşürülmesi Kopanoglu, E., et al., Specific absorption rate reduction using nonlinear gradient fields. Magn Reson Med, (2): p U.S Patents Method and apparatus for reduction of specific absorption rate (SAR) in magnetic resonance data acquisition Ayarlanabilir Görüntüleme Alanı Feasibility of Z gradient Array for Variable Volume of Interest Provisional U.S Patent and PTC Gradient Array For Variable Volume Of Interest, Soheil Taraghinia, Koray Ertan and Ergin Klinik tanı kalitesini artırabilecek inhomojenite düzeltimesi B1 + Inhomogeneity correction by simultaneously using linear and non-linear gradients, will be submitted to NMR in Biomedicine Koray Ertan, Soheil Taraghinia,Ergin Homojen Uyarım Profili B1 + Inhomogeneity correction by simultaneously using linear and non-linear gradients, ISMRM 2014, Koray Ertan, Soheil Taraghinia,Ergin Sadece istenilen Alanın Görüntülenmesi Reduced-FOV Imaging with Excitation Using Nonlinear Gradient Magnetic Fields (ENiGMa) E Kopanoglu, E, RT Constable Proceedings of the 21st Annual Meeting of ISMRM, Salt Lake City, Utah, USA, 12 Enerji artışı olmadan Çoklu Kesit Seçimi Gradient Array for Spatially Oscillating Magnetic Fields in Multi-Slice Excitation, ESMRM 2016, Koray Ertan, Soheil Taraghinia,Ergin

33 MRG Cihazı Prototipi Aselsan-UMRAM ortaklığı Entegrasyon çalışması Yerli Cihaz projesi Bilgi birikiminin ürüne dönüştürülmesi

35 Manyetik Parçacık Görüntüleme: Demir Oksit Nanoparçacıkları ile Yeni Bir Biyomedikal Görüntüleme Teknolojisi Yrd. Doç. Dr. Emine Ülkü SARITAŞ Bilkent Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Ulusal Manyetik Rezonans Araştırma Merkezi (UMRAM) Sinirbilim Programı, Sabuncu Beyin Araştırmaları Merkezi 3 Mayıs 2017

36 Manyetik Parçacık Görüntüleme (MPG) MPG Tarayıcı Şematiği Yeni bir biyomedikal görüntüleme tekniği MRG den tamamen farklı Manyetik alansız bölgeden (FFP) sinyal alımı M 0.6 T 5 mt H Sabit mıknatıslar FFP TEM image of nanoparticles Süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklarının (SPIO) uzamsal dağılımının görüntüsü nm çekirdek çapında nanoparçacıklar leich and Weizenecker. Nature

37 SPIO Magnetization Response M M FFP deki SPIO lardan sinyal alımı H H FFP dışındaki SPIO lardan sinyal yok Bilkent University UMRAM 37

38 MPG ile Kök Hücre Takibi MPG sinyali kök hücre sayısı ile doğru orantılı B Zheng, et al. MPI Tracks the long-term fate of in vivo neural cell implants with high image contrast,sci Rep,

39 MPG Relaksometre Cihazı Nanoparçacığın MPG tepkisini ve relaksasyonu karakterize eder Frekans aralığı: 250 Hz 25 khz Manyetik alan şiddeti: 30 mt ya kadar Eksitasyon bobini: 0.97 mt/a, %95 uzamsal homojenlikte M Utkur and EU Saritas. Comparison of Different Coil Topologies for an MPI Relaxometer, Proc of the 5th IWMPI, Istanbul, 2015.

40 Manyetik Parçacık Görüntüleme Türk-Alman 2+2 Projesi UMRAM yenilikçi Manyetik Parçacık Görüntüleme (MPG) teknolojileri geliştirmek için ASELSAN ve Almanya'dan Lübeck Üniversitesi ve Nano4Imaging şirketi ile işbirliğine giriyor. Bu Türk-Alman 2+2 projesi, iki ülke tarafından yapılan bilimsel değerlendirmeler sonucu 130 başvuru arasından desteklenmek üzere seçilen 9 projeden biri oldu. Üç yıllık bu projenin Türkiye tarafını TÜBİTAK, Almanya tarafını ise Federal Almanya Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) destekleyecek. Projenin en önemli amacı MPG'nin güvenli ve hızlı bir girişimsel görüntüleme yöntemi olarak geliştirilmesi. Projenin Bilkent ayağını Yrd. Doç. Dr. Emine Ülkü Sarıtaş yürütecek.

41 Konuşma Planı UMRAMın kısa tanıtımı MRG fiziği Verici Anten Dizisi Gradyan Dizisi Manyetik Parçacık Görüntüleme Beyin Üzerine Yapılan Çalışmalardan Örnek

42 Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme: Modelleme Teknikleri Tolga Çukur 3 Mayıs 2017 Bilkent University - Dept. of Electrical Engineering and Neuroscience Aysel Sabuncu Brain Research Center, National Magnetic Resonance Research Center

43 Reverse-Engineering the Brain Higher Visual Somato-sensory Early Visual Auditory Speech Computers: Functional units are KNOWN Hardware and Software: INDEPENDENT Neocortex: Functional units are UNKNOWN Hardware constrains Software

44 Hierarchical Information Processing

45 Word Representations Huth et al Nature 2016, Çukur et al. in preparation

46 ASELSAN-UMRAM Sıkıştırılmış Algılayıcı MRG Projesi MRG bir ölçümler bütünü Büyük bir kısmı yakın tekrarlar Sıkıştırılmış Algılayıcı algoritması Dezavantajı - geriçatma süresi Projenin amacı geriçatma süresinde iyileştirme.

47 Teşekkürler!