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Andreas Pfrommer

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Andreas Pfrommer

Position: Doktorand  Abteilung: Henning Scheffler

Motivation

Die Ultrahochfeld-Magnetresonanzforschung beschäftigt sich mit der Kernspinresonanz und deren klinischen Anwendungen bei sehr hohen Magnetfeldstärken (B0≥7T). Das im hohen Feld dazugewonnene Signal-zu-Rauschverhältnis soll bei den bildgebenden Verfahren (MRI) eine höhere Auflösung und daduch verbesserte Diagnostik ermöglichen. In der Spektroskopie (MRSI) wird die spektrale Auflösung verbessert und somit der Nachweis neuer Metaboliten ermöglicht.  Zur Anregung der Kernspins wird ein HF Magnetfeld angelegt, dessen Frequenz proportional zum statischen Magnetfeld B0 ist. Für den 1H Kern liegt die Lamorfrequenz (bei 9,4 T) im UHF Bereich und beträgt etwa 400 MHz. Dies führt zu einer sehr kurzen Wellenlänge im menschlichen Gewebe von ca. 10-11 cm. Da die Abmessung des dielektrischen menschlichen Resonators (z.B. Kopf) deutlich größer als die Wellenlänge ist, kommt es zu Feldinhomogenitäten und partieller destruktiver Interferenz.   Mein Forschungsinteresse gilt der Entwicklung neuartiger HF- Spulen zum Senden und Empfangen des NMR Signals im Ultrahochfeld. Die Sendespule soll dabei im Hinblick auf ihre Effizienz und die Sicherheit (SAR) optimiert werden. Mehrere Sendekanäle in Kombination mit speziellen Pulssequenzen sollen Feldinhomogenitäten soweit reduzieren, wie es die jeweilige Anwendung erfordert. Die Empfangsspule soll maximales Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) für die zu untersuchende lokale Körperregion bieten.

 

Optimierung von Array-Spulen für paralleles Senden und Empfangen

Mein Forschungsinteresse gilt der Optimierung von Mehrkanal- Spulen für die parallele Bildgebung/Spektroskopie. Dabei beschäftige ich mich unter anderem mit analytischen Modellen zur Berechung von intrinsischen (d.h. von der konkreten Spulengeometrie unabhängigen) SNR/SAR Werten. In diesen Modellen wird der menschliche Kopf vereinfacht als homogenes, isotropes, sphärisches Dielektrikum angenommen. Bei der Methode der Multipolentwicklung1 werden sämtliche elektromagnetischen Feldmoden, welche Lösungen der Maxwellschen Gleichungen darstellen, zur Berechnung herangezogen. Ein besonders leistungsfähiges Konzept stellt die Methode der dyadischen Green'schen Fuktionen2 (DGFs) dar: Bei bekannter DGF (abhängig von der Geometrie und den Randbedingungen des elektromagnetischen Feldproblems) lässt sich das elektromagnetische Feld direkt aus seinen Quellen (Volumenstromdichte, Raumladungsdichte) berechnen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die optimierte Quellenverteilung unmittelbar zugänglich ist.

 

Optimale Stromverteilungen

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft eine optimierte Stromverteilung für maximales SNR im Zentrum der Kugel bei 9.4T:

 

Optimal current pattern for maximal SNR at central voxel position

 

Einfluss der elektrischen Mode auf das Signal-zu-Rauschverhältnis

Eine vollständige vektorielle Lösung der Helmholzschen Wellengleichung setzt sich aus divergenzfreien (magnetisch)- und rotationsfreien (elektrisch) Moden zusammen. Beide tragen zum endgültigen Signal-zu-Rauschverhältnis bei. Klassische Elemente eines Empfangs-Arrays bestehen aus geschlossenen Leiterschleifen und sind daher nicht in der Lage das bestmögliche SNR in allen Bereichen des menschlichen Kopfes zu empfangen:

 

 

Resistive Kopplung zweier benachbarter Stromschleifen

Gewöhnlicherweise wird nur die reaktive Komponente der Gegenimpedanz zweier benachbarter Stromschleifen kompensiert. Dies wird entweder durch geometrische Überlappung der Elemente oder durch ein externes Netzwerk bewerkstelligt. Gleichwohl gibt es noch einen resistiven Anteil, welcher das SNR des Bildes verschlechtert und die Leistungsfähigkeit der parallelen Bildgebung schmälert. Die analytische Behandlung für ein kugelförmiges Objekt mit Gewebe-ähnlichen Eigenschaften zeigt, dass der resistive Anteil bei ganz bestimmten Winkeln ausgelöscht wird:

 

 

Optimale Anordnung endlich vieler schleifenförmiger Array-Elemente

Der begrenzende Faktor für die parallele Bildgebung ist die Abnahme des Signal-zu-Rauschverhältnisses, welches sich proportional zu 1/(g√χ) verhält. Dabei berücksichtigt χ den gemittelten intrinsischen Signalverlust aufgrund einer Unterabtastung des k-Raumes und g wird als Geometrie-Faktor des Arrays bezeichnet. Er spiegelt die Fähigkeit des Arrays wieder das Ursprungsvoxel von seinen Aliassen zu separieren. Wenn die Anzahl der Empfangselemente in die Größenordnung der Unterabtastrate gelangt, spielt die Anordnung kreisförmiger Oberflächenspulen relativ zu den Beschleunigungsrichtungen eine signifikante Rolle auf die Leistungsfähigkeit der parallelen Bildgebung. Kennt man die Richtung/ Richtungen des/der Phasenkodiergradienten und den Grad der Unterabtastung im Voraus, so kann man ein Optimierungsproblem formulieren: min |g(r)|. Einge beispielhafte Ergebnisse für eine 16 Kanal Spule und 3x3 Beschleunigung in x-un y-Richtung sind nachfolgend visualisiert:

 

 

 


 

1F. Wiesinger, P. Boesinger, K. P. Pruessmann: Electrodynamics and ultimate SNR in parallel MR imaging, MRM 52, p. 376-390, 2004

2R. Lattanzi, D.K. Sodickson: Ideal current patterns yielding optimal signal-to-noise ratio and specific absorption rate in magnetic resonance imaging: Computational methods and physical insights, MRM 68, p.286-304, 2012

Ausbildung
02.2013-jetzt

MPI Tübingen

Promotion

09.2007-12.2012

Universität Stuttgart

Studium Elektro-und Informationstechnik

Vertiefung in Hochfrequenztechnik und elektronische Systeme

Abschluss als Diplom-Ingenieur

06.2007 Abitur am Christophorus-Gymnasium Altensteig


Auszeichnungen
06.2015 ISMRM Merit Award Summa Cum Laude
10.2010

Anton-und-Klara-Röser-Stiftungpreis

06.2007

Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

Ferry-Porsche Preis

Präferenzen: 
Referenzen pro Seite: Jahr: Medium:

  
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Artikel (4):

Avdievich N, Pfrommer A, Giapitzakis IA und Henninmg A (Oktober-2017) Analytical modeling provides new insight into complex mutual coupling between surface loops at ultrahigh fields NMR in Biomedicine 30(10) 1-13.
Avdievich NI, Giapitzakis I-A, Pfrommer A und Henning A (Juni-2017) Decoupling of a tight-fit transceiver phased array for human brain imaging at 9.4T: Loop overlapping rediscovered Magnetic Resonance in Medicine Epub ahead.
Pfrommer A und Henning A (Mai-2017) On the Contribution of Curl-Free Current Patterns to the Ultimate Intrinsic Signal-to-Noise Ratio at Ultra-High Field Strength NMR in Biomedicine 30(5) 1-16.
Avdievich NI, Hoffmann J, Shajan G, Pfrommer A, Giapitzakis IA, Scheffler K und Henning A (Februar-2017) Evaluation of transmit efficiency and SAR for a tight fit transceiver human head phased array at 9.4 T NMR in Biomedicine 30(2) 1-12.

Beiträge zu Tagungsbänden (1):

Pfrommer A und Henning A (Mai-2015) Optimal Arrangement of Finite Element Loop Arrays for Parallel Magnetic Resonance Imaging in the Human Head at 400 MHz, IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS 2015), IEEE, Piscataway, NJ, USA, 1-4.

Poster (4):

Pfrommer A, Avdievich NI und Henning A (Mai-11-2016): Effect of the RF Shield on the Mutual Coupling Between Adjacent and Non-Adjacent Array Elements, 24th Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2016), Singapore.
Avdievich NI, Pfrommer A, Giapitzakis IA und Henning A (Mai-10-2016): Analytical Modeling of the Coupling within a Human Head Surface Loop Transmit Phased Array at Ultra-High Fields, 24th Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2016), Singapore.
Pfrommer A und Henning A (Juni-1-2015): Optimal Arrangement of Finite Element Loop Arrays for Parallel Imaging in a Spherical Geometry at 9.4 T, 23rd Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2015), Toronto, Canada.
Pfrommer A, Avdievich N und Henning A (Mai-12-2014): Four Channel Transceiver Array for Functional Magnetic Resonance Spectroscopy in the Human Visual Cortex at 9.4 T, Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB 2014, Milano, Italy.

Vorträge (7):

Pfrommer A und Henning A (September-13-2017) Abstract Talk: On the Superlinear Increase of the Ultimate Intrinsic Signal-to-Noise Ratio with Regard to Main Magnetic Field Strength in a Spherical Sample, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2017), IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (IEEE APWC 2017) OMMUNICATIONS, Verona, Italy.
Pfrommer A und Henning A (April-26-2017) Abstract Talk: The ultimate intrinsic SNR in a spherical phantom with regard to an open-pole surface current distribution at 9.4T, 25th Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2017), Honolulu, HI, USA 460.
Pfrommer A und Henning A (Oktober-1-2016) Abstract Talk: Comparison of the ultimate intrinsic SNR in a spherical phantom vs a realisitc human head model at 9.4 T, 33rd Annual Scientific Meeting of the European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology (ESMRMB 2016), Wien, Austria, Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 29(Supplement 1) S308-S309.
Pfrommer A, Avdievich NI und Henning A (Mai-9-2016) Abstract Talk: About the Ultimate SNR for Cylindrical and Spherical RF Arrays in a Realistic Human Head Model, 24th Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2016), Singapore(0175).
Avdievich NI, Giapitzakis IA, Pfrommer A und Henning A (Mai-9-2016) Abstract Talk: Optimization of the Transceiver Phased Array for Human Brain Imaging at 9.4T: Loop Overlapping Rediscovered, 24th Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2016), Singapore(0169).
Pfrommer A und Henning A (Juni-4-2015) Abstract Talk: On the Contribution of Electric-Type Current Patterns to UISNR for a Spherical Geometry at 9.4 T, 23rd Annual Meeting and Exhibition of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2015), Toronto, Canada(0856).
Avdievich NI, Pfrommer A, Hoffmann J, Chadzynski GL, Scheffler K und Henning A (Mai-14-2014) Abstract Talk: Tranceive Phased Array with High Transmit Performance for Human Brain Application at 9.4 T, Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB 2014, Milano, Italy(0622).

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Last updated: Montag, 22.05.2017