Liquid cooled micro-scale gradient system for magnetic resonance

Schaltbare magnetische Feldgradientspulen sind ein geeignetes Werkzeug für die Modulation der Kernspinpräzession in der gepulsten Kernspinresonanzspektroskopie und Bildgebung. Die Magnetresonanztomographie von mikroskopischen Proben benötigt starke, schnell schaltbare Magnetfeldgradienten, um diffusionsbedingte Artefakte zu unterdrücken, Suszeptibilitätseffekte abzuschwächen und um die Messzeit zu verkürzen. Verschiedene Techniken können eingesetzt werden, um eine hohe Gradientenintensität zu erreichen, wie zum Beispiel die Erhöhung der Stromstärke oder die Steigerung der Windungsdichte der Feldspule. ... mehrEin weiterer, geeigneter technischer Ansatz besteht darin, die Gradientenspulen näher an der Probe zu platzieren. Als Konsequenz wird aber die durch die Joule-Erwärmung verursachte Wärmeentwicklung zu einem zentralen Problem.

In dieser Arbeit wird ein neuartiges Design, ein Mikroherstellungsprozess und eine Kernspin-Evaluierung eines Feldgradientenchips präsentiert. Die Gradientenspulen wurden besonders hoch miniaturisiert und durch den Einsatz von verbesserten und neuartigen Strukturierungsverfahren entwickelt. Zuerst wird ein Fertigungsverfahren zur Herstellung einer kompakten Hochfrequenzspule vorgestellt. Durch den Einsatz einer maskenlosen Rückseitenlithographie konnte die Prozesskomplexität reduziert werden. Dieses Verfahren wurde durch Tintenstrahldruck mit Nanopartikeln realisiert, wobei die gedruckten Strukturen selbst als lithographische Maske für die Herstellung einer galvanischen Form dienen. Somit werden die Seitenwände der galvanischen Form durch die gedruckte Seed-Schicht optimal selbst ausgerichtet. Dies ermöglichte eine anisotrope Galvanisierung, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Leiterbahnen zu erzielen.

Aus den Erkenntnissen der ausgearbeiteten Herstellungsprozesse wurde ein optimiertes Spulendesign für ein-axiale sowie drei-axiale linearen Gradientenchips entwickelt. Die einachsige lineare $z$-Gradientenspule wurde mit der Stream-Function-Methode berechnet, wobei die Optimierung darauf abgestimmt wurde, eine minimale Verlustleistung zu erzielen. Die Gradientenspulen wurden auf zwei Doppellagen implementiert, die mittels Cu-Galvanik in Kombination mit fotodefinierbaren Trockenfilm-Laminaten aufgebracht wurden. Bei dem hier vorgestellten Herstellungsverfahren diente die erste Metallisierungschicht gleichzeitig dazu, Widerstands-Temperaturdetektoren zu integrieren. Um niederohmige Spulen zu realisieren wurde der Galvanisierungsprozess soweit angepasst, um eine hohe Schichtdicke zu erzielen. Die Chipstruktur beinhaltet ein aktives Kühlsystem, um dem Aufheizen der Spulen entgegenzuwirken.

Thermographische Aufnahmen in Kombination mit den eingebetteten Temperatursensoren ermöglichen es, die Erhitzung der Spule zu analysieren, um die Strombelastbarkeit zu ermitteln. Die Gradientenspule wurde mit einer Hochfrequenz-Mikrospule in einer Flip-Chip-Konfiguration zusammengebaut, und mit diesem Aufbau wurde ein eindimensionales Kernspinexperiment durchgeführt. Es wurde eine Gradienteneffizienz von 3.15 $T\,m^{−1}\,A^{−1}$ bei einer Profillänge von 1.2 $mm$ erreicht.

Switchable magnetic field gradient coils are a viable tool to modulate the nuclear spin precession in pulsed nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging. Magnetic resonance imaging (MRI) of microscopic samples requires strong, rapidly-switchable magnetic field gradients to suppress diffusion related artefacts, to mitigate susceptibility effects, and to decrease the acquisition time. Several techniques can be used to achieve a high gradient strength, such as increasing the current strength or making the coil windings denser. Bringing the gradient coils physically closer to the specimen is another practical approach. ... mehrAs a consequence, heat dissipation caused by Joule heating becomes then a critical issue.

In this work, a novel design of a magnetic field gradient chip is introduced, and a micro fabrication process and a NMR based evaluation are proposed. The gradient coils were developed at a high level of miniaturisation by applying enhanced and newly-established micro structuring technologies. First, a fabrication technique to establish a micro radio frequency (RF) NMR coil was proposed, which reduces the processing complexity by employing mask-less lithography from the rear. This method was driven by nano-particle ink-jet printing, where the printed tracks themselves act as the mask to define an electroplating mould. Thus, the resulting sidewalls of the mould become self-aligned by the printed seed layer. Anisotropic electroplating was then possible to increase the electrical conductivity of the printed tracks.

The insights gained from the derived manufacturing techniques were applied to develop an optimised coil design for a uni-axial and a tri-axial linear-gradient chip. The uni-axial linear $z$-gradient coil design was computed by a stream-function method with the optimisation to exhibit minimum power dissipation. The gradient coils were implemented on two bi-planes which were built-up with Cu electroplating in combination with photo definable dry-film laminates. In the presented fabrication process, the initial plating seed served for implementing resistive temperature detectors. The coil design and the electroplating process were tailored to enhance the electroplated height to construct low-resistive coils. The consolidated chip structure incorporated an active cooling system to equalise the heat-up of the coils for increased efficiency.

The heat-up was monitored through the combination of thermographic imaging and integrated temperature sensors, in order to analyse the current rating of the coil dual stack. The gradient coil was assembled with a RF micro coil in a flip-chip configuration and the assembly was subjected to a one-dimensional (1D) NMR experiment. Line-image profiles from a micro-engineered phantom were recorded to examine the linearity of the resultant gradient field. A gradient efficiency of 3.15 $T\,m^{−1}\,A^{−1}$ was achieved for a profiled length of 1.2 $mm$.