Диагностика с помощью ядерного магнитного резонанса (стр. 2 из 4)

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 устройства исходные данные поступают в форме слов из 4 бит в эквивалентный интервал времени экспозиции . С этой целью табличные данные вводят в запоминающее устройство только для считывания (ROM). Организация последнего имеет вид 16 слов ´ 8 бит, так что любое значение дискретного сигнала в форме слова из 4 бит в случае 16 градаций яркости адресует одно слово из 8 бит в указанной таблице. Затем слова из 8 бит загружают в восьмиразрядный счетчик импульсов, который управляется тактовыми импульсами таким образом, что время необходимое для сброса показателей счетчика импульсов до нуля, пропорционально логарифму значения дискретного сигнала в соответствии с законом Вебера– Фехнера для зрения. В таком устройстве тактовая частота равна 10 МГц , ширина полосы частот дисплея 5 МГц . Формирование ЯМР- изображения на дисплее с растром 128´128 элементов занимает около 1/4 с. Цифровой- аналоговый конвентор имеет десятиразрядные слова. Чтобы отображать на дисплее данные, интенсивность которых превышает заданное значение, используют параллельно программируемый ROM.

Псевдоцветное ЯМР- изображение найдет широкое применение в клинике, так как оно облегчает установку точного диагноза и уменьшает напряжение, с которым должен работать оператор. Псевдоцветное изображение формируют на цветном телевизионном мониторе. Особый интерес для медицины имеет система одновременного отображения спиновой плотности f (x) и времен спин- решеточной релаксации Т₁ (х). Вариации Т₁передаются в цветовой шкале, а спиновая плотность f - в шкале интенсивности. Интерфейс дисплея синхронизирует управляющие сигналы и постоянно в режиме быстрого обновления изображения конвентирует цифровые значения интенсивности ЯМР- изображения в видеосигнал.

5

Фотографические копии ЯМР- изображения можно получить либо непосредственно с экрана цветного монитора, либо при помощи фотосканера, управляемого компьютером. На фотобумаге получают как черно- белые, так и цветные копии ЯМР- изображений. Устройство содержит традиционный графопостроитель, соединенный через интерфейс с миникомпьютером. Цветная копия ЯМР- изображения создается при помощи трех источников света различного спектрального состава, при этом свет доходит до фотографической бумаги размером 20 ´ 20 см через волоконно- оптический кабель. Время получения монохромной копии ЯМР- изображения составляет 3 минуты , а цветного 12 минут . Имеется возможность уменьшить это время в 3 раза .

ПРИМЕНЕНИЕ ЯМР - ИНТРОСКОПИИ В МЕДИЦИНЕ

При сопоставлении различных методов получения ЯМР- изображений обычно указывают три характеристических параметра :

1. Отношение сигнала к шуму .

2. Время получения ЯМР- изображения .

3. Пространственное разрешение .

Отношение сигнала к шуму равно отношению ЭДС , индуцированной в приемной РЧ- катушке , к средней квадратической амплитуде тепловых шумов U_n :

S / N = x / U_n ,

где

U_n = (4kT_cRDn)^1/2 ;

T_c -– абсолютная температура катушки ; R – электрическое сопротивление ; Dn – ширина полосы частот всей приемной системы . Так как ЯМР- сигналы регистрируют фазово- чувствительным детектором, то в формулу для отношения S / N входит отношение амплитуд сигналов , а не энергий . ЭДС равна

x @ (В₁)_ху М w₀ V_s » w₀ B₀(B₁)_xyV_s » w₀² V_s(B₁)_xy

при n_о ³ 5 МГц . В РЧ- катушке соленоидального вида поле В₁ для единичного тока равно

В₁⁰ =

´

n >> 1 ,

где а - радиус катушки ; 2b - ее высота ; m₀ - восприимчивость свободного пространства ; n - число витков в катушке. С учетом скин - эффекта электрическое сопротивление катушки

R 3/2* h * (r a n²) / (2d g) @ n >> 1,

6

где r - сопротивление катушки ; h » 3 - 6 - фактор близости ; d - толщина скин-слоя. В области частот n₀ £ 1МГц отношение сигнала к шуму измеряется как степень 7/4 от лармовой частоты . При высоких частотах , когда основные потери РЧ- мощности происходят в образце , это соотношение переходит в линейное . Для объектов больших размеров , например для тела человека , необходимо учесть скин- эффект и электрическое сопротивление тканей , которое равно » 1W , а толщина скин- слоя составляет 80 мм при n₀ = 40 МГц . Из-за ослабления РЧ- поля угол нутации q становится функцией глубины z :

q p _{/ 2} = B₁⁰ t_p exp(- z/d ).

Разброс угла нутации по глубине компенсируют , выбирая для каждой глубины z соответствующую амплитуду РЧ- поля.

Моделирующие расчеты эффектов ослабления и сдвига по фазе электромагнитного поля в различных тканях человека показывают , что в ЯМР- интроскопах , предназначенных для получения ЯМР- изображений человека , частота Лармона не должна быть более 10 МГц .

Тело человека , помещенное в РЧ- катушку ЯМР- интроскопа , можно рассматривать как электрическое сопротивление с Z = 1.87 W , которое включено последовательно с электрическим сопротивлением соленоидальной РЧ- катушки , имеющей R = =1.56 W . При этом полное эффективное сопротивление равно R’ = R + Z = 3.43 W . Амплитуда шума U_n возрастает в

=

раза . Именно во столько раз (и не больше!) возрастает отношение сигнала к шуму , если охладить РЧ- катушку до сверхпроводящего состояния . Приведенная выше оценка отношения сигнала к шуму верна для прямого метода сканирования , и во всех интегральных и многопланарных методах получения ЯМР- изображений отношение сигнала к шуму в эквивалентных условиях значительно выше . Указанный фактор позволяет снизить требуемое время получения ЯМР- изображения вплоть до 1с.

Важное преимущество методов интроскопии при помощи ядерного магнитного резонанса в том , что здесь нет ионизирующего излучения . Этот факт стал решающим стимулом быстрого распространения ЯМР- интроскопов в клиниках . В процессе съема данных о ЯМР- изображении тело человека подвергается действию трех агентов : статического магнитного поля , переключаемых или осцилирующих градиентных магнитных полей , а также импульсных радиочастотных полей . Статическое магнитное поле может вызвать генетические или биохимические эффекты , а также эффекты на клеточном уровне . Вплоть до индукции магнитного поля 2 Тл указанных эффектов не наблюдалось . Статическое магнитное поле может изменять скорость распространения импульсов электрического поля по нервам . Согласно теоретическим оценкам , изменение указанного фактора на 10% должно наступить в полях с индукцией 24 Тл и более . В экспериментах , проведенных в магнитном поле 2 Тл в течение 4ч никаких изменений в скорости проводимости нервов обнаружено не было . Искомое явление маскирует эффект изменения температуры тела . Повышение температуры тела на 0.1° С приводило к вариациям рассматриваемого фактора на 2 - 4 %.