Abstract:
Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor.
Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. ... mehrDie behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist.
Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert.
Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte.
Abstract (englisch):
The central theme of this work is developing and integrating flexible electronics for micro Magnetic Resonance (MR) applications. Two crucial applications have been covered within this dissertation; one application in the field of Magnetic Resonance Imaging (MRI) and the other in the field of Nuclear Magnetic Resonance (NMR). The MRI application focus on solving the safety and reliability issues involved with MR-catheters. The NMR application introduces a novel approach for enhancing the NMR spectroscopy throughput.
The first part of the dissertation covers the various developed technologies to fabricate flexible electronics on the micro-scale. ... mehrThe covered MR applications required the fabrication of inductors, capacitors, and diodes on flexible substrates. Hence, the first covered technology within the frame of micro-fabrication is depositing of conductive seed-layers onto flexible substrates. Several techniques have been tested and compared. The developed technology enables multi-layer fabrication for the conductive structure on a flexible substrate (50 $\mu$m thickness) suitable for wrapping around the slender tube (> 0.5 mm diameter). The second covered method is inkjet printing of high-density low loss coefficient capacitors. Two custom polymer-based dielectric inks were synthesized, by the dispersion of TiO$_2$ and BaTiO$_3$ in benzocyclobutene (BCB) polymer. The inkjet-printed capacitors show a relatively high capacitance per unit area up to 69 pFmm$^{-2}$ while achieving quality factor (Q) up to 100. Moreover, a technique was developed for an inkjet-printed rectifying Schottky diode. The last covered technology is the electroplating of the conductive seed-layers. Electroplating is a well-explored technology and a very crucial process in the field of micro-fabrication. However, it is highly dependent on the operator's level of experience. In addition, precision control of the electroplating power is required, particularly when creating small structures, where pulse electroplating has proven to provide a high degree of control over the deposited structure. In this context, a highly versatile current source was developed based on a microcontroller unit to bring accuracy into the generation of optimal plating recipes. The current source was built based on a Modified Howland Current Source (MHCS) configuration using a high-power operational amplifier. As a result, the current source was validated and verified, and its high capability was demonstrated by conducting some unique applications, most important of which is enhancing the adhesion of the inkjet-printed seed-layer on flexible substrates.
The second part of the dissertation addresses interventional MRI using MR-Catheter. MR-Catheters potentially have a significant impact on the field of minimally invasive medical operations. Implanted elongated transmission conductors and detector coils act as an antenna, that couple to the MR radio frequency (RF) transmit field, thereby making the catheter visible during use in an MRI scanner. However, this coupling potentially heats the conductors, causing possible tissue damage, and has prevented this technology from finding widespread use. An alternative approach is to couple a resonator on the catheter tip inductively coupling to a wired surface coil outside of the body. However, The micro-resonator on the catheter's tip could heat during the excitation phase. Moreover, as the catheter axial orientation changes during motion, the visibility of the catheter tip changes and can be lost if the wireless resonator and external coil's magnetic fields are orthogonal. In this contribution, the tuning capacitance of the catheter's micro detector is controlled wirelessly via pulse sequence control sent to an RF tuning circuit integrated with a detector coil. The integrated circuit generates direct current (DC) from the transmitted RF for controlling capacitance remotely, creating an intelligent embedded tunable detector on the catheter tip. During RF transmission, decoupling is done by adjusting the micro-detector operating frequency away from the Larmor frequency. Additionally, a novel detector design is introduced based on two perpendicularly oriented micro-saddle coils that maintain constant visibility of the catheter for the entire range of axial orientations with no dead angle. The system was experimentally verified in a 1T MR scanner.
The third part of the dissertation addresses NMR spectroscopy throughput. Flow-based NMR is a promising technique for improving NMR throughput. However, a common challenge is the relatively large dead volume in the flow tube feeding the NMR detector. In this contribution, a novel approach is introduced for fully automated high throughput NMR spectroscopy with enhanced mass sensitivity. The developed approach is accomplished by taking advantage of microfluidic technologies combined with thin-film micro-NMR detectors. A customized NMR probe head is developed with a microfluidic system featuring: i) a micro-saddle detector for NMR spectroscopy and ii) a pair of flow sensors flanking the NMR detector and interfaced to a microcontroller unit. A microfluidic tube is used to transport a sample series through the probe head, comprising an unlimited number of different sample plugs separated by an immiscible fluid. The developed system tracks the samples' position and velocity in this dual-phase flow and synchronizes the NMR acquisition. The developed custom build probe head is plug-and-play ready with market-available NMR systems. The system was successfully utilized for automating flow-based NMR measurement in a 500 MHz NMR system. The developed micro-NMR detector enables high-resolution spectroscopy with NMR sensitivity of 2.18 nmol s$^{1/2}$ with the flow sensors in operation. The flow sensors featured high sensitivity to an absolute difference of 0.2 in relative permittivity, enabling differentiation between most common solvents. It was illustrated that a fully automated NMR spectroscopy of nine different 120 $\mu$L samples could be achieved within 3.6 min or effectively 15.3 s per sample.
