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Die experimentelle Verbesserung der makroskopischen Eigenschaften (z. B. thermische oder mechanische Eigenschaften) von Keramiken ist aufgrund der zahlreichen erforderlichen Experimente zeitaufwändig und kostenintensiv. Simulationen hingegen können die Korrelation von Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften nutzen, um die Eigenschaften von beliebigen Gefügekompositionen zu berechnen. In bisherigen Simulationen wurden meist stark vereinfachte Modelle herangezogen, welche die Mikrostruktur einer Keramik nur sehr grob widerspiegeln und deshalb keine zuverlässigen Ergebnisse liefern.
In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelation der drei wichtigsten Nicht-Oxid-Keramiken untersucht. Dies sind Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si3N4) und Siliciumcarbid (SiC). Diese drei Keramiktypen vertreten die häufigsten Mikrostrukturtypen, welche bei Nicht-Oxid-Keramiken auftreten können. Zu jedem Keramiktyp liegen zwei verschiedene Proben vor.
Alle drei untersuchten Keramiktypen sind zweiphasig. Die Hauptphase von AlN und Si3N4 besteht aus keramischen Körnern, die Nebenphase erstarrt während der Sinterung aus den zugesetzten Sinteradditiven. Die Restporosität von AlN und Si3N4 wird als vernachlässigbar angesehen und in den Simulationen nicht berücksichtigt. Bei den SiC-Proben handelt es sich um Keramiken mit bimodaler Korngröÿenverteilung. Durch Infiltration mit flüssigem Silicium wurden die Hohlräume zwischen den Körnern aufgefüllt, um porenfreie SiSiC-Proben zu erhalten.
Anhand von Simulationen werden zunächst reale Mikrostrukturen in Anlehnung an vorliegende Vergleichsproben nachgebildet. Diese Modelle werden durch Abgleich mit rasterelektronenmikroskopischen 2D-Aufnahmen der Proben verifiziert. An den Modellen werden mit der Methode der Finite-Element-Simulation makroskopische Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl) der Keramiken simuliert und mit experimentellen Messungen an den vorliegenden Proben abgeglichen.
Der Vergleich der Mikrostruktur von den computergenerierten Gefügen und den vorliegenden Proben zeigt in der Mustererkennung durch das menschliche Auge und quantitativ in den Gefügeparametern eine gute Übereinstimmung. Für die makroskopischen Eigenschaften wird auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche zu den Materialparametern der beteiligten Phasen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen und den simulierten Eigenschaften erreicht. Evtl. auftretende Abweichungen zwischen Experiment und Simulation können damit erklärt werden, dass die Proben Verunreinigungen enthalten, da aus der Literatur bekannt ist, dass Verunreinigungen eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit bewirken.
Nachdem die Gültigkeit der Modelle verifiziert ist, wird der Einfluss von charakteristischen
Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit, den Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Keramiken untersucht. Hierzu werden die Mikrostrukturparameter von AlN und Si3N4 gezielt um die Parameter der vorliegenden Vergleichsproben variiert. Bei beiden Keramiktypen werden die Volumenanteile der beteiligten Phasen sowie die mittlere Sehnenlänge der keramischen Körner verändert. Bei den AlN-Keramiken wird zusätzlich der Dihedralwinkel variiert, welcher Auskunft über den Benetzungsgrad der Flüssigphase gibt; bei den Si3N4-Keramiken ist das Achsenverhältnis der langgezogenen Si3N4-Körner von Interesse und wird deshalb ebenfalls variiert. Es zeigt sich, dass die Aufteilung der Teilvolumina zwischen den zwei Phasen den größten Einfluss auf die Eigenschaften der Keramik hat, während die übrigen Mikrostrukturparameter nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Um die Qualität der Simulationen zu überprüfen, wird die Simulationsreihe an AlN mit unterschiedlicher Aufteilung der Volumina zwischen den beiden Phasen in Relation zu etablierten Modellen aus der Literatur (Mischungsregel und Modell nach Ondracek) gesetzt. Alle Simulationsergebnisse für die Wärmeleitfähigkeit und den Elastizitätsmodul liegen innerhalb der jeweils oberen und unteren Grenze beider Modelle. Es konnte also eine Verbesserung gegenüber den etablierten Modellen erzielt werden.
An allen drei Keramiktypen wird der Einfluss der Materialeigenschaften der Haupt- und Nebenphase auf die makroskopischen Eigenschaften der Keramik untersucht. Hierfür werden die Wärmeleitfähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Phasen getrennt voneinander über einen größeren Bereich variiert. Es stellt sich heraus, dass es vom Keramiktyp und dem Volumenanteil der Nebenphase abhängt, wie stark der Einfluss einer Komponenteneigenschaft auf die Eigenschaft der Keramik ist.
Mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wird der Einfluss von Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften berechnet. Auf der Grundlage dieser Simulationen können die Architektur des Gefüges simuliert und die Eigenschaften von Keramiken für individuelle Anwendungen berechnet werden. Dies ist die Basis für die Produktion von maßgeschneiderten Keramiken. Zudem können mit den validierten Mikrostrukturmodellen die Eigenschaften von unbekannten Mischphasen ermittelt werden, was experimentell oft nicht möglich ist.
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges tomographisches Bildgebungsverfahren,
welches in der Lage ist, dreidimensional die Verteilung von superparamagnetischen
Nanopartikeln zu detektieren. Aufgrund des direkten Nachweises
des Tracers ist MPI ein sehr schnelles und sensitives Verfahren [12] und benötigt für
eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalität
wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die
strukturelle Einordnung wird häufig mit dem Fusion-Imaging-Verfahren durchgeführt,
bei dem die Proben separat in den Geräten vermessen und die Datensätze
retrospektiv korreliert werden [75][76]. In einem ersten Experiment wurde bereits
ein Traveling-Wave-MPI-Scanner (TWMPI) [17] mit einem Niederfeld-MRI-Scanner
kombiniert und die ersten Hybridmessung durchgeführt [15]. Der technische Aufwand,
zwei separate Geräte aufzubauen sowie die Tatsache, dass ein MRI-Gerät
bei 30mT sehr lange benötigt, diente als Motivation für ein integriertes TWMPIMRI-
Hybridsystem, bei dem das dynamische lineare Gradientenarray (dLGA) eines
TWMPI-Scanners intrinsisch das B0-Feld für ein MRI-Gerät erzeugen sollte.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlagen für einen integrierten TWMPI-MRIHybridscanner
zu schaffen. Die Geometrie des dLGAs sollte dabei nicht verändert
werden, damit TWMPI-Messungen weiterhin ohne Einschränkungen möglich sind.
Zusammenfassend werden hier noch mal die wichtigsten Schritte und Ergebnisse
dieser Arbeit aufgezeigt.
Zu Beginn dieser Arbeit wurde mittels Magnetfeldsimulationen nach einer geeigneten
Stromverteilung gesucht, um allein mit dem dLGA ein ausreichend homogenes
Magnetfeld erzeugen zu können. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten,
dass bereits zwei unterschiedliche Ströme in 14 der 20 Einzelspulen des dLGAs
genügten, um ein Field of View (FOV) mit der Größe 36mm x 12mm mit ausreichender
Homogenität zu erreichen. Die Homogenität innerhalb des FOVs betrug
dabei 3000 ppm. Für die angestrebte Feldstärke von 235mT waren Stromstärken
von 129A und 124A nötig.
Die hohen Ströme des dLGAs erforderten die Entwicklung eines dafür angepassten
Verstärkers. Das ursprüngliche Konzept, welches auf einem linear angesteuerten
Leistungstransistors aufbaute, wurde in zahlreichen Schritten so weit verbessert,
dass die nötigen Stromstärken stabil an- und ausgeschaltet werden konnten.
Mithilfe eines Ganzkörper-MRIs konnte erstmals das B0-Feld des dLGAs, welches
durch den selbstgebauten Verstärker erzeugt wurde, gemessen und mit der Simulation
verglichen werden. Zwischen den beiden Verläufen zeigte sich eine qualitativ
gute Übereinstimmung.
Das Finden des NMR-Signals stellte wegen des selbstgebauten Verstärkers eine
Herausforderung dar, da zu diesem Zeitpunkt die nötige Präzision noch nicht erreicht
wurde und der wichtigste Parameter, die Magnetfeldstärke im dLGA, nicht
gemessen werden konnte. Dagegen konnte die Länge der Pulse für die Spin-Echo-
Sequenz sehr gut gemessen werden, jedoch war der optimale Wert noch nicht bekannt.
Durch iterative Messungen wurden die richtigen Einstellungen gefunden,
die nach Änderungen an der Hardware jeweils angepasst wurden.
Die Performanz des Verstärkers konnte anhand wiederholter Messungen des NMRSignals
genauer untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Präzision weiter verbessert
werden musste, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Mithilfe des
NMR-Signals konnten auch das B0-Feld ausgemessen werden. Es zeigte eine gute
Übereinstimmung zur Simulation. Mithilfe von vier Segmentspulen des dLGAs
war es möglich einen linearen Gradienten entlang der z-Achse zu erzeugen. Ein
Gradient wurde zusätzlich zum B0-Feld geschaltet und ebenfalls ausgemessen.
Auch dieser Verlauf zeigte eine gute Übereinstimmung zur Simulation.
Mithilfe des Gradienten wurde erfolgreich die Frequenzkodierung und die Phasenkodierung
implementiert, durch die bei beiden Messungen zwei Proben anhand
des Ortes unterschieden werden konnten. Damit war die Entwicklung des MRIScanners
abgeschlossen.
Der Aufbau des TWMPI-Scanners benötigte neben dem Bau des dLGAs die Anfertigung
von Sattelspulen. Für die MPI-Messungen konnte der fehlende Teil der
Sendekette sowie die gesamte Empfangskette von einer früheren Version benutzt
werden. Auch für das MPI wurde die Funktionalität mithilfe einer Punktprobe und
eines Phantoms überprüft, allerdings hier in zwei Dimensionen.
Die Erweiterung zu einem Hybridscanner erforderte weitere Modifikationen gegenüber
einem reinen TWMPI- bzw. MRI-Scanner. Es musste ein Weg gefunden
werden, die Beschaltung des dLGAs für die jeweilige Modalität zügig anzupassen.
Dafür wurde ein Steckbrett gebaut, das es erlaubt, die Verkabelung des dLGAs in
kurzer Zeit zu ändern. Außerdem mussten innerhalb des dLGAs die Sattelspulen
und die Empfangsspule des TWMPIs sowie die Empfangsspule des MRIs untergebracht
werden. Ein modulares System erlaubte die gleichzeitige Anordnung aller
Komponenten innerhalb des dLGAs. Das messbare FOV des MRIs ist der Homogenität
des B0-Feldes angepasst, das FOV des TWMPI ist ausgedehnter.
Zum Ende dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Hybridmessung durchgeführt. Das
Phantom bestand aus je zwei Kugeln gefüllt mit Öl und mit einem MPI-Tracer
(Resovist). Mit TWMPI war die räumliche Abbildung der Resovistkugeln möglich,
während mit MRI die der Ölkugeln möglich war. Diese in situ Messung zeigte die
erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes für den TWMPI-MRI-Hybridscanner.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Grundlagen für einen TWMPIMRI-
Hybridscanner gelegt. Die größte Schwierigkeit bestand darin, ein ausreichend
homogenes B0-Feld für das MRI zu erzeugen, mit dem man ein gutes NMRSignal
aufnehmen konnte. Mit einer einfachen Stromverteilung, bestehend aus zwei
unterschiedlichen Strömen, konnte ein ausreichend homogenes B0-Feld erzeugt
werden. Durch komplexere Stromverteilungen lässt sich die Homogenität noch verbessern
und somit das FOV vergrößern.
Die MRI-Bildgebung wurde in dieser Arbeit für eine Dimension implementiert und
soll in fortführenden Arbeiten auf 2D und 3D ausgedehnt werden. Letztendlich
soll anhand eines MRI-Bildes die Partikelverteilung des MPI-Tracers in Lebewesen
deren Anatomie zugeordnet werden. In [76][77][78] sind die ersten präklinischen
Anwendungen mit dem TWMPI-Scanner durchgeführt worden. Diese Anwendungen
erlangen eine höhere Aussagekraft durch die zusätzlichen Informationen eines
TWMPI-MRI-Hybridscanners.
In weiteren Arbeiten sollte zusätzlich die Größe des FOVs für das MRI erweitert
werden. Außerdem macht es Sinn, einen elektronischen Schalter zum Umschalten
des dLGAs zwischen MRI und MPI zu realisieren.
Die nächste Version des Hybridscanners könnte beispielsweise ein komplett neu
gestaltetes dLGA enthalten, in dem jede Segmentspule in radialer Richtung einmal
geteilt wird und dadurch in eine innere und eine äußere Spule zerlegt wird. Für
das MRI werden die beiden Spulenteile gegen geschaltet, um ein homogenes Feld
in radialer Richtung zu erhalten. Für das TWMPI werden die Spulenteile gleichgeschaltet,
um einen möglichst starken Feldgradienten zu erreichen.
In dieser Arbeit wurde für die nächste Version eines TWMPI-MRI-Hybridscanners
viel Wissen generiert, das äußerst hilfreich für das neue Design sein wird. Anhand
der Vermessung des B0-Feldes hat sich gezeigt, dass die simulierten Magnetfelder
gut mit den gemessenen Magnetfeldern übereinstimmen. Außerdem wurde viel
gelernt über die Kombination von TWMPI mit MRI.