Диагностика с помощью ядерного магнитного резонанса (стр. 1 из 4)
1 
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·nс·Vc)[ГАсГ1] 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 / pno ,
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 µ 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 dВ 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.