Диагностика с помощью ядерного магнитного резонанса

1 [pic][pic]

ПРЕДИСЛОВИЕ

Работа посвящена методам интроскопии непрозрачных для видимого света

объектов при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Чтобы наблюдать

это явление , объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают

действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке

индуктивности , окружающей исследуемый объект , возникает переменная

электродвижущая сила (ЭДС) , амплитудно-частотный спектр которой и

переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной

плотности резонирующих атомных ядер , а также о других параметрах ,

специфических только для ядерного магнитного резонанса . После обработки

на ЭВМ эта информация переходит в ЯМР-изображение , которое характеризует

плотность химически эквивалентных ядер , времена релаксации ядерного

магнитного резонанса , распределение скоростей потока жидкости , диффузию

молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Контраст ЯМР-изображений можно увеличить , вводя в организм различные

парамагнитные вещества . Методы ЯМР-интроскопии позволяют следить за

процессами поступления в организм и удаления из него атомных ядер ,

например фтора-19 , которые в нормальных условиях либо отсутствуют в

организме , либо содержатся в ничтожных концентрациях . Благодаря указанным

свойствам ЯМР-интроскопия стала самым мощным и многогранным методом

диагностики в медицине , вытеснив на второй план реконструктивную

рентгеновскую томографию , а также акустоскопию .

ЯМР-интроскопия развивается стремительными темпами . Этому , в

частности , способствует то , что данный метод диагностики безвреден для

здоровья человека . В отличие от рентгеновских методов диагностики ЯМР-

интроскопия дает возможность получать как отдельные ЯМР-изображения, так и

кинокадры , содержащие большое число ЯМР-изображений. Было зафиксировано

несколько случаев , когда злокачественная опухоль в мозгу человека

своевременно обнаруживалась при помощи ЯМР-интроскопии , в то время как

рентгеновские методы диагностики выявляли эту болезнь на более поздней

стадии , и лечение становилось невозможным . Есть все основания

предполагать , что методом ЯМР-интроскопии будет решена проблема ранней

диагностики рака , а также многих других болезней человека .

РАДИОЧАСТОТНЫЕ КАТУШКИ

Радиочастотные (РЧ) катушки ЯМР-спектрометров и ЯМР-интроскопов

предназначены для подвода РЧ-поля к образцу и для съема РЧ- отклика

системы спинов. Эти функции разделены в скрещенных РЧ- катушках , которые

перпендикулярны друг к другу. Обе указанные функции может выполнять одна РЧ-

катушка , если в передающей приемной системе имеется дуплексер или

эквивалентная развязывающая цепь. В ЯМР- интроскопах используют как

соленоидальные , так и седловидные РЧ- катушки. Амплитуда РЧ- поля в

однородном соленоиде

В1=300(W( Q((с(Vc)1/2 ,

где В1 выражено в мкТл , РЧ - мощность W в Вт , объём РЧ - катушки Vc в

см3. Постоянная времени нарастания напряжения в таком соленоиде

tH=2Q / ((o ,

2

где Q - добротность РЧ - катушки. Одиночная РЧ - катушка создает самую

большую амплитуду В1 РЧ - поля в образце заданного объема Vc.

Отношение сигнала к шуму S/N в цепи настроенной РЧ - катушки

изменяется как корень квадратный из Q , и поэтому целесообразно иметь

более высокое Q. Однако время , затрачиваемое на разделение двух соседних

циклов облучения , пропорционально добротности. Поэтому в ЯМР- интроскопах

, в которых используют импульсные методы формирования ЯМР - изображений ,

добротность ограничена.

Чтобы получить однородное РЧ - поле по объему образца , были

построены седловидные РЧ- катушки взамен однородных соленоидальных.

Вариации амплитуды магнитного поля по объему образца минимальны , если

h/D=1.6554 , c=120.76(, (рис 1) , и магнитное поле перпендикулярно оси

цилиндра. В оптимальной конфигурации седловидной РЧ- катушки производные от

центрального поля второго порядка по координате обращаются в нуль для

любого направления. Заметим , что седловидную геометрию с противоположными

направлениями электрических токов используют также в градиентных катушках

магнитного поля.

Однако оптимальные значения h/D и ( будут другими. Оптимизацию геометрии в

этом случае определяет некоторая комбинация производных от центрального

магнитного поля по координате третьего порядка.

Для расширения области однородного РЧ- поля в соленоидальной

катушке вводят переменный шаг между витками. Анализ показал, что радиальная

неоднородность сравнима с аксиальной неоднородностью или меньше ее, и обе

указанные неоднородности улучшаются, если оптимально уменьшать шаг намотки

к краям соленоида. Геометрия такого соленоида фиксируется при помощи

четырех гребенок, изготовленных из нитрида бора. Таким образом, было

получено двукратное увеличение однородности РЧ- поля на частоте vo= 270

MГц.

Сравнительный анализ соленоидальной и седловидной РЧ- катушек для

ЯМР- интроскопов, в которых используют импульсные методы формирования ЯМР-

изображений, показывает, что отношение сигнала к шуму в соленоидальной РЧ-

катушке примерно в 3 раза, а добротность Q примерно в 2 раза больше, чем в

седловидной РЧ- катушке на частотах 20 МГц. Причина этого в том, что

магнитная энергия в седловидной РЧ- катушке концентрируется вблизи

проводников и не проходит через образец, который находится в центре РЧ-

катушки.

В импульсных ЯМР- интроскопах образец возбуждается импульсами РЧ-

поля с пиковой мощностью порядка 102—103 Вт при среднем квадратическом

напряжении 100 В. Между тем мощность регистрируемого сигнала равна всего 10

- 6 Вт. Чтобы подавить остаточные осцилляции тока на 180 (В в скрещенных РЧ-

катушках, требуется время восстановления около 14 td, где td( постоянная

времени спада резонансной цепи, равная 2Q/wo, а в случае одной РЧ- катушки

это время возрастает до 21td. Блокирование полезной информации в течение

времени восстановления приводит к амплитудным и фазовым искажениям в

регистрируемом сигнале ССИ.

Передающе- приемная РЧ- катушка ЯМР- интроскопа для объектов большого

размера показана на рисунке 2. Это седловидная катушка Гельмгольца,

содержащая всего два витка медной полоски, намотанных на цилиндр диаметром

30 см. специальные соленоидальные РЧ- катушки для головы человека были

созданы в Абердине. Статическое магнитное поле абердинского ЯМР- интроскопа

ориентировано вертикально, а магнитное РЧ- поле горизонтально вдоль оси

ложа, на котором лежит пациент(рис.3). Два соленоида с шагом обмотки 1.1 см

и диаметром 27.6 см имеют участок

3

длиной 5.5 см, свободный от витков. Вариации амплитуды РЧ- поля в описанной

конструкции сдвоенного соленоида составляют около 9( на длине 14 см, что в

4.4 раза меньше вариации в однородном соленоиде тех же размеров. Чтобы не

допустить расстройки РЧ- катушки после помещения пациента, между головой

пациента и РЧ- катушкой помещался экран Фарадея, который одновременно

уменьшал диэлектрические потери в теле пациента. Экран состоял из 90 медных

проводников диаметром 1.8 мм, равномерно уложенных параллельно оси РЧ-

катушки. Чтобы центральная трансаксиальная плоскость была эквипотенциальной

под нулевым потенциалом, РЧ- катушка для головы человека работала в

электрически сбалансированном режиме. Поэтому не было необходимости

заземлять проводники экрана Фарадея, и каждый проводник мог быть

электрически изолирован. Резонансная частота РЧ- катушки равна 1.7 МГц,

добротность Q0 = 460 без пациента и Q0 = 330 с пациентом. Из этих значений

следует, что индуктивные потери составляют 1/3 полных потерь в процессе

формирования ЯМР- изображений головы человека.

Чтобы уменьшить размер РЧ- катушки и тем самым увеличить отношение

сигнала к шуму, была разработана РЧ- катушка в форме скрещенных элипсов

рис.4. Обмотка состояла из двух витков медной проволоки, намотанных на

цилиндрический каркас либо последовательно, либо параллельно. РЧ- поле в

ней могло быть направлено как параллельно оси цилиндрического каркаса, так

и перпендикулярно. Если генератор РЧ- поля подсоединен к клеммам ab, то

возбуждается поперечное В1(a,b) поле, а если к генератору подсоединены

клеммы cd, то возбуждается продольное В1(c,d) поле. РЧ- катушка с

параллельной обмоткой характеризуется тем, что РЧ- напряжение, приложенное

к клеммам ab, практически не создает напряжения на клеммах cd, и наоборот.

Поэтому РЧ- мощность можно передавать через одну пару клемм. Возможна также

схема, в которой переключатель- дуплексор соединен с каждой парой клемм,

так что можно одновременно регистрировать ЯМР- сигналы от двух различных

ядер, гиромагнитные отношения которых не сильно отличаются друг от друга,

например, ядра 1Н и 19F. Известно, что в этом случае статическое магнитное

поле должно быть ориентировано вдоль оси х (рис.4) перпендикулярно векторам

В1,АВ и В1,CD одновременно.

Конструкция РЧ- катушек, используемых в методе ЯМР- интроскопии с

градиентом РЧ- поля по объему образца, показана на рисунке 5. Передающая РЧ-

катушка, которая формирует градиент РЧ- поля, состоит из четырех витков в

верхней части и одного витка в нижней части. приемная РЧ-катушка выполнена

в форме соленоида. Основной недостаток такой конструкции РЧ- катушек в том,

что для образцов, длина которых соизмерима с длиной передающей РЧ- катушки,

возникают артефакты на ЯМР- изображениях. Причиной возникновения этих

атерфактов в том, что фазы сигналов, идущих от различных частей образца,

различаются.

СЪЕМ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Отсчитывание аналоговых ЯМР- сигналов ведут на регулярной

последовательности дискретных моментов времени, идущих с тактовым периодом,

который удовлетворяет классической теореме отсчетов. Перед каждым очередным

отсчитыванием производят интегрирование ЯМР- сигнала практически в течение

всего тактового периода. Накопленный сигнал сбрасывают перед началом

очередного цикла накопления. Тактовая частота может достигать 107 Гц, а

диапазон измеряемых частот около 10 кГц. Проинтегрированные сигналы

обрабатывались в аналогово- цифро

4

вом преобразователе, которые принимают вид набора двоичных знаков от 5 до

14 разрядов. Чтобы зафиксировать цепочку цифр, используют быстрое

устройство накопления цифровой информаци.

Компьютер процессор в ЯМР- интроскопии используют для выполнения

дискретного преобразования Фурье большого массива данных, а также для

выполнения других математических операций, которые возникают в процессе

получения ЯМР- изображений. Только в ЯМР- интроскопах прямого сканирования

либо при использовании топического метода искомые данные получают при

помощи простой перетасовки данных в заданном формате. Наибольший объём

вычислений выполняют при использовании проекционно- реконструктивного

метода ЯМР- интроскопии. Большой объём промежуточных данных хранят в

больших системах памяти и возвращают обратно в память после проведения

соответствующих вычислительных операций.

ЯМР- изображения, поступившие из ЯМР- интроскопа, могут быть

подвергнуты апостериорной обработке в целях повышения контраста и качества

изображения, а также для распознавания образов, корреляционного и других

методов диагностики. Подробный анализ методов цифровой обработки ЯМР-

изображений выходит за рамки данной работы.

СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ

ЯМР- изображения в своем первичном виде отображаются на экране

катодно- лучевой трубки или растрового дисплея, управляемого компьютером.

Изображение на экране катодно- лучевой трубки формируют модуляцией во

времени интенсивности электронного пучка. Чтобы повысить число различных

градаций, используют метод модуляции времени экспозиции. На вход такого

Страницы: 1, 2