CMOS based optoelectronic catheter localization system for magnetic resonance imaging environment

Abstract

Minimal girişimsel ameliyatlar gün geçtikçe yaygınlaşarak ve daha büyük bir önem kazanmaya başlamıştır. Bu ameliyatlarda kullanılan kateterlerin tespiti ise ameliyatın başarılı olması için en önemli unsur teşkil etmektedir. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), bu tip ameliyatlar için çok güvenli bir ortam sunmaktadır. Öte yandan, MRG de yer alan yüksek şiddetteki manyetik alan ve kullanılan radyo frekansı (RF) darbe işaretleri katater yer tespiti gerçekleştirecek sistemlerin tasarımı için önemli kısıtlamalar getirmektedir. Bu tip cihazlarda uzun iletken hatların kullanımı, iletken üzerinde yüksek sıcaklıklara sebebiyet vermesi nedeniyle mümkün olmamaktadır. Bu tez MRG ortamında yer tespitini iletken kablolar olmaksızın optik iletişim yöntemleri kullanarak gerçekleştirecek aktif bir mikro-sistem tasarımını ve MRG ortamında başarı ile gerçekleşen deneylerin sonuçlarını sunmaktadır. Mikro-sistem bir 0.18um üçlü kuyu CMOS teknolojisinde üretilmiş bir RF tümdevre ile bunun etrafına yerleştirilmiş optoelektronik komponentlerden oluşmaktadır. RF tümdevre içerisinde bir RF alıcı sistemi ve bu alıcıya güç sağlayan bir optik güç kaynağı bulunmaktadır. Optik güç 660nm dalga boyundaki bi lazer tarafından sağlanmaktadır. RF alıcı sürekli ve aralıklı olarak çalıştırılabilmektedir. 2mm çapında bir mikro-anten bağlı olan RF alıcı 120dB kazanca sahiptir ve çok düşük güçlü MRG işaretlerini çıkışta yer alan 1310nm dalga boyunda ışık üreten bir LED aracılığı ile dışarı aktarmaktadır. Dışarıda yer alan optik alıcı ve işaret işleme üniteleri ile gelen işaretin frekans değerinden katater 3T gücündeki bir MRG tarayıcıda başarı ile tespit edilmiştir. Yapılan hesaplamalar MRG alıcının çözünürlüğünün 350um olduğunu göstererek mikro-sistemin minimal girişimsel ameliyatlarında başarı ile kullanıbileceğini ortaya koymuştur.

The use of minimally invasive medical techniques has greatly reduced risks to patients and has increased our understanding of how the body works. Detection of catheters is one of the most important tasks in these techniques. Magnetic resonance imaging provides a safe environment for catheter driven operations. On the other hand, implementation of catheter localization architectures are problematic due to the impossibility of long conductor usage due to RF induced heating problem in MRI environment. There is a need for devices that use transmission systems other than electrical for realizing catheter driven operations in MRI environment. This thesis presents design and implementation of a micro-system that uses optical transmission for localization of catheters in MRI environment. The micro-system is composed of a radio frequency (RF) integrated circuit (IC) designed in 0.18um triple well CMOS technology and optoelectronic components. The RF integrated circuit covers an RF receiver architecture and an optical power supply unit that provides power to the receiver. The power to the system is served by a laser with a wavelength of 660nm. RF receiver is connected to a micro-coil antenna with a diameter of 2mm, and it can transmit very low powered magnetic resonance signals to the external environment via a fiber-coupled LED with a wavelength of 1310nm. The external optical receiver and signal processing unit detect the location of the catheter using the frequency information of the received signal. The implemented system is tested successfully in 3T MRI environment. The tests show that the system has 350um spatial resolution, which proves that the implemented system can be used for the catheter driven minimally invasive operations.