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,
Страницы: 1, 2, 3
