Implantable sub-cm wireless resonators for MRI: From circuit theory to medical imaging

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.