Основы МРТ

Глава 9

АППАРАТУРА



Обзор аппаратуры

На рисунке представлена схема основных систем магнитно-резонансного томографа и некоторые из основных разводок. Этот обзор кратко обозначит функцию каждого из них. Некоторые из них будут подробно описаны в этой главе.

Вверху схемы расположены компоненты томографа, находящиеся в комнате сканирования магнитно-резонансного томографа. Поле Bo, необходимое для процесса сканирования, создается магнитом (magnet). Для создания градиента в Bo по направлениям X, Y и Z, внутри магнита расположены градиентные катушки (gradient coils). Внутри градиентных катушек находится РЧ катушка (RF coil). РЧ катушка создает магнитное поле B1, необходимое для поворота спинов на 90o или 180o. РЧ катушка также регистрирует сигнал от спинов внутри тела. Пациент располагается на управляемом компьютером столе пациента (patient table). Точность установки позиции составляет 1 мм. Комната сканирования окружена РЧ экраном (RF shield). Экран предупреждает излучение РЧ-импульсов с большой энергией за пределы клиники. Он также защищает томограф от различных РЧ сигналов от теле- и радиостанций. Некоторые комнаты сканирования окружены также магнитным экраном, который предупреждает магнитное поле от распространения слишком далеко по территории клиники. Современные магниты имеют магнитный щит, встроенный в магнит.

"Сердцем" томографа является компьютер (computer). Он контролирует все компоненты томографа. Источник РЧ-импульсов (RF source) и программатор импульсов (pulse programmer) являются РЧ компонентами, находящимися под контролем компьютера. Источник генерирует синусоиду нужной частоты. Программатор импульсов придает им форму sinc импульсов. РЧ усилитель (RF amplifier) увеличивает мощность импульсов от милливатт до киловатт. Компьютер также управляет программатором градиентных импульсов (gradient pulse programmer), который определяет вид и амплитуду каждого из трех градиентных полей. Градиентный усилитель (gradient amplifier) увеличивает мощность градиентных импульсов до уровня, достаточного для управления градиентными катушками.

Матричный процессор (array processor), имеющийся у некоторых томографов - это устройство, позволяющее проводить двумерное преобразование Фурье за доли секунды. Компьютер передает преобразование Фурье этому, более быстрому, устройству.

Оператор томографа производит ввод в компьютер через консоль управления (control console). Отображающая последовательность выбирается и модифицируется на консоли. Оператор может просматривать изображения на дисплее, расположенном на консоли, или распечатывать их на фотопринтере (film printer).

Следующие три части этой главы дают более подробное описание магнита, градиентных катушек, РЧ катушек и РЧ детекторе магнитно-резонансного томографе.

Магнит

Магнит является самой дорогой частью магнитно-резонансного томографа. Большинство магнитов являются сверхпроводящими. Это фотография сверхпроводящего магнита томографа силой 1.5 Тл. Сверхпроводящий магнит - это электромагнит сделанный из проводника, обладающего сверхпроводимостью. Провод, сделанный из сверхпроводящего материала, охлажденный жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273.15o C или 0 K), имеет почти нулевое сопротивление. После пропускания тока по катушке, он продолжает проходить по ней пока катушка содержится при температуре жидкого гелия. (Некоторые потери происходят в связи с бесконечно малым сопротивлением катушки. Эти потери за год имеют размерность миллионных долей от основного магнитного поля.)

На следующем рисунке показано поперечное сечение сверхпроводящего магнита томографа. Длина сверхпроводящей проволоки обычно составляет несколько километров. Катушка провода охлаждается до температуры 4.2К, погружением в жидкий гелий (liquid helium). Катушка и жидкий азот находятся в большом криостате (или сосуде Дьюара). Этот сосуд обычно окружен сосудом Дьюара с жидким азотом (77.4К), который выполняет роль термоизолятора между комнатной температурой (293К) и жидким гелием.

Градиентные катушки

Градиентные катушки создают градиенты в магнитном поле Bo. Эти катушки содержатся при комнатной температуре. Они создают необходимый градиент благодаря своей конфигурации. Так как наиболее часто используется сверхпроводящий магнит с горизонтальной осью, система градиентных катушек будет описана именно для него.

Пользуясь стандартной в магнитном резонансе координатной системой, градиент Bo по направлению Z достигается антигельмгольцевой катушкой. Ток проходит в противоположных направлениях в двух катушках, создавая градиент магнитного поля между двумя катушками. Поле В одной катушки прибавляется к полю Bo, в то время как поле В в центре другой катушки отнимается от поля Bo.

Градиенты X и Y в поле Bo создаются парой катушек имеющих вид восьмерки (figure-8 coil). Катушки, имеющие вид восьмерки, по направлению Х создают градиент в Bo по этому направлению, благодаря направлению тока, проходящего через катушки. Катушки, имеющие вид восьмерки, по направлению Y создают аналогичный градиент в Bo вдоль оси Y.

РЧ катушки

РЧ катушки создают поле B1, которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. Они также регистрируют поперечную намагниченность, в то время как она прецессирует в плоскости XY. РЧ катушки можно разделить на три основные категории: 1) и передающие и принимающие катушки, 2) только принимающие катушки и 3) только передающие катушки. И передающие и принимающие катушки служат излучателями полей B1 и приемниками РЧ энергии от отображаемого объекта. Только передающая катушка используется для создания поля B1 и только принимающая катушка используется в сочетании с предыдущей для детекции или приема сигнала от спинов отображаемого объекта. Существует несколько разновидностей каждой из катушек. РЧ катушку томографа можно сравнить с объективами фотоаппарата. Фотограф использует один объектив для снимка с близкого расстояния и другой для широкоугольного снимка с дальнего расстояния. Как хороший фотограф имеет несколько объективов, так и в хорошем томографическом кабинете имеется несколько отображающих катушек для того, чтобы можно было справиться с разными ситуациями в томографии.

Отображающая катушка должна резонировать или эффективно накапливать энергию при частоте Лармора. Все отображающие катушки состоят из индуктора, индуктивных элементов и емкостных элементов. Резонансная частота, , РЧ катушки определяется индуктивностью (L) и емкостью (C) индуктивно-емкостной цепи.

Некоторые типы отображающих катушек должны настраиваться для каждого пациента физическим изменением емкости переменного конденсатора. Другим требованием отображающей катушки является то, что поле B1 должно быть перпендикулярным магнитному полю Bo.

Некоторые из наиболее распространенных отображающих катушек изображены на рисунках. Описано направление поля B1, метод использования и применение.

Соленоидальная катушка

Поверхностная катушка
Поверхностные катушки широко распространены, так как они являются только принимающими катушками и имеют хорошее отношение сигнал-шум для близлежащих к катушке тканей. Вот пример изображения нижнего отдела позвоночника человека, полученного поверхностной катушкой.

Вот изображение плоской круглой катушки с соединяющим кабелем. Кабель подключается к томографу. Вот изображение поверхностной катушки, согнутой для соответствия задней стороне ноги на уровне коленного сустава.

Катушка "птичья клетка"
Катушка "птичья клетка" является одной из катушек для отображения головы или мозга. Вот изображение человеческой головы внутри катушки типа "птичьей клетки". Все изображения головы в этом гипертекстовом учебнике были получены с использованием катушки "птичья клетка".

Одновитковая соленоидальная катушка
Одновитковая соленоидальная катушка используется для отображения конечностей, таких как запястье, и молочных желез. На фотографии показана одновитковая соленоидальная катушка вокруг запястья человека.

Седловидная катушка

Соленоидальная катушка, катушка "птичья клетка", одновитковая соленоидальная и седловидная катушки обычно работают как передатчики и приемники РЧ энергии. Поверхностная катушка обычно работает только как принимающая катушка. При использовании поверхностной катушки, в томографе используется большая катушка для излучения РЧ энергии в виде 90o- и 180o-импульсов.

Фазочувствительный детектор

Фазочувствительным детектором является устройство, которое отделяет сигналы Mx' и My' от сигнала РЧ катушки. Таким образом, его можно представить как преобразователь лабораторной системы координат во вращающеюся. Основой фазочувствительного детектора является устройство, получившее название двойного балансированного преобразователя частоты. Двойной балансированный преобразователь частоты имеет два входа и один выход. Если сигналами на входе являются Cos(A) и Cos(B), то на выходе получаются 1/2 Cos(A+B) и 1/2 Cos(A-B). Поэтому, это устройство часто называют детектором произведения, так как произведением Cos(A) и Cos(B) является то, что получается на выходе.

Фазочувствительный детектор обычно состоит из двух двойных балансированных преобразователей частоты, двух фильтров, двух усилителей и 90o преобразователя фазы. На устройстве имеются два входа и два выхода. На входы подаются частоты и o и на выходе получают составляющие поперечной намагниченности MX и MY. Существует несколько потенциальных проблем, которые могут произойти с этим устройством и привести к артефактам изображения. Они будут описаны в главе 11.

Безопасность

Хотя для получения изображений в МРТ ионизирующее излучение не используется, существуют важные положения о безопасности, которые необходимо знать. К ним относятся использования сильных магнитных полей, радиочастотного излучения, меняющихся со временем магнитных полей, криогенных жидкостей и градиентов магнитного поля.

Магнитные поля от больших магнитов могут буквально поднимать и притягивать большие ферромагнитные предметы в отверстие магнита. Меры предосторожности должны быть приняты, чтобы не допустить присутствия ферромагнитных предметов вблизи магнита по двум следующим причинам. Во-первых, они могут ранить или убить человека, находящегося внутри отверстия магнита. Во-вторых они могут серьезно повредить магнит и отображающие катушки. Сила, оказываемая на большой металлический объект, такой как швабра, может повредить концентрические криогенные сосуды Дьюара внутри магнита. Кинетическая энергия такого объекта, затягиваемого в магнит, может разбить РЧ отображающую катушку.

Схожие силы действуют на ферромагнитные металлические имплантанты из чужеродного вещества в процессе отображения. Эти силы могут вытягивать эти объекты, разрезая и сдавливая здоровые ткани. По этим причинам, лица с чужеродными металлическими предметами не могут подвергаться магнитно-резонансной томографии. Существуют также дополнительные положения о воздействии магнитных полей на электронные цепи, в особенности на кардиостимуляторы. Сильное магнитное поле, действующее на человека с кардиостимулятором, может индуцировать токи в цепях кардиостимулятора, которые, в свою очередь, могут вызвать отказ последнего и, возможно, смерть. Магнитные поля также затирают кредитные карточки и магнитные носители информации.

Положения о безопасности United States Food and Drug Administration (USFDA) утверждают, что поля силой не превышающие 2.0 Тесла могут использоваться в обычном порядке. Лица с кардиостимуляторами не могут находиться в магнитном поле, превышающем 5 Гаусс. Магнитное поле в 50 Гаусс затирает магнитные носители информации.

Радиочастотная энергия отображающей частоты может вызывать нагревание тканей тела. USFDA рекомендует ограничение времени РЧ облучения. Ограничением является удельная скорость поглощения (specific absorption rate - SAR) УСП.

УСП = Джоуль РЧ / Секунда / кг веса тела = Ватт/кг

Рекомендуемое ограничение по УСП зависит от анатомических особенностей пациента. Для всего тела УСП должна быть меньше чем 0.4 Ватт/кг. Усредненное значение УСП для головы должно быть меньше, чем 3.2 Ватт/кг. Любая последовательность импульсов не должна поднимать температуру более чем на 1o Цельсия и не более чем 38o C для головы, 39o C для туловища и 40o C для конечностей. Некоторые РЧ катушки, например поверхностные, в неисправном состоянии могут вызывать ожоги у пациента. Для должной работы этих катушек, за ними необходим уход.

Рекомендации USFDA по скорости изменения магнитного поля утверждают, что dB/dt системы должно быть меньше, чем требуется для возбуждения периферических нервных окончаний.

Отображающие градиенты производят высокого уровня акустический шум. OSHA ограничивает пиковый акустический шум 200 Паскалями или 140 dB по отношению к 20 микропаскалям. Далее представлены примеры звуков, возникающих при включении и выключении градиентов магнитного поля в различных отображающих последовательностях.

Последовательность TR (мс) TE (мс) Срезов Звук
Спин-эхо 500 35 1
200 1
15 10
Эхо-планарная 120 54 10
Градиентное эхо 16.7 4 19

 

Фантомы

МР-фанотомом является искусственный объект, который может отображаться для проверки работы магнитно-резонансного томографа. Фантомы используются вместо "нормативного человека", так как намного проще установить стандартный фантом на каждом из множества МРТ по всему миру, чем перевозить "нормативного человека" для исследования из одного места в другое. Фантомы сделаны из материалов, имеющих магнитно-резонансный сигнал. Многие материалы в МР-фантомах используются в качестве веществ, поддерживающих сигнал. Некоторыми из них являются водные парамагнитные растворы: чистые желатиновые гели, агар, поливиниловый спирт, силикон, полиакриламид или агароза; гели с органическими добавками, гели с парамагнитными добавками и обратные растворы мицелле.

В МР-фантоме вода чаще всего используется в качестве поддерживающего сигнал вещества. Часто бывает необходимо настраивать времена спин-решеточной (T1) и спин-спиновой (T2) релаксаций водных растворов, так чтобы можно было получать изображения за подходящие периоды времени (например короткое TR). Парамагнитные ионы металлов обычно используются для настройки времен релаксаций ядер водородов в воде. В таблице приведены приблизительные значения T1 и T2 водных растворов различных парамагнитных веществ при 1,5 Тл.

Водный раствор никеля
T1(с) = 1/(632 [Ni (моль/л)] +0.337)
T2(с) = 1/(691 [Ni (моль/л)] + 1.133)
Никель в 10 вес.% желатине
T1(с) = 1/(732 [Ni (моль/л)] +0.817)
T2(с) = 1/(892 [Ni (моль/л)] + 4.635)
Водный раствор кислорода
T1(с) = 1/(0.013465 [O2 (мг/л)] + 0.232357)
Водный раствор марганца
T1(с) = 1/(5722 [Mn (моль/л)] +0.0846)
T2(с) = 1/(60386 [Mn (моль/л)] + 3.644)

Существуют два основных вида МР-фантомов: разрешающий и РЧ-однородностный. Как следует из названий, первый используется для тестирования разрешения, а другой - РЧ-однородности.

Разрешающие фантомы
Разрешающий фантом может использоваться для тестирования нескольких пространственных характеристик томографа. Эти пространственные характеристики включают: плоскостную разрешающую способность, толщину срезов, линейность и отношение сигнал-шум в зависимости от положения. Разрешающие фантомы обычно сделаны из пластмассы. Участки внутри фантома удаляются для формирования тестового рисунка. Фантом заполняется водным раствором. При отображении, полученное изображение отображает сигнал от воды в тех участках, где пластик удален. Некоторые фантомы имеют также стандарты сигналов с известными значениями T1, T2 и r, что позволяет использовать эти фантомы для проверки соотношений контраст-шум.

На рисунке представлен пример разрешающего фантома. Изображение аксиального среза данного фантома с полем обзора равным 24 см отражает следующие элементы. Ряды одинаковых по размеру квадратов, использующихся для проверки линейности. Плоскостная разрешающая способность определяется с помощью группы тонких областей, поглощающих сигнал. Три стандарта сигнала содержат жидкость, с известными значениями T1, T2 и r. Толщина среза (Thk) оценивается с помощью клиновидного выреза в пластике. Ширина изображенного клина увеличивается по мере увеличения толщины среза. Следующие схематичные диаграммы фантомов, отображенных с малой и большой толщиной среза, демонстрируют, как это помогает измерять толщину среза. Здесь представлены изображения разрешающего фантома, полученные с толщиной среза равной 3 , 5 и 10 мм . Заметьте, как изменяется ширина измерителя среза.

РЧ-однородностные фантомы
Однородностные фантомы используются для тестирования пространственной однородности передаваемых и принимаемых радиочастотных магнитных полей. Передаваемым РЧ-полем (B1T) является поле B1, которое используется для вращения намагниченности. Принимаемым РЧ-полем (B1R) является чувствительность РЧ-катушек к сигналу от прецессирующих спиновых пакетов. В идеале, для большинства передающих/принимающих катушек B1T должно быть пространственно однородно для одинакового вращения спинов и B1R должно быть пространственно однородно для одинаковой чувствительности по всему отображаемому объекту. Здесь представлено изображение однородностного фантома диаметром 27 см. Группы сфер могут использоваться для измерения однородности в большем объеме. Далее представлен ряд фантомов, которые используются для измерения гомогенности поля B1R от поверхностной катушки предназначенной для исследования позвоночника.

Для измерения однородности B1T и B1R.необходимо несколько изображений РЧ-однородностного фантома. Щелкните на значке подробного описания для более подробной информации по этим расчетам.


Контрольные вопросы

  1. Определенная отображающая катушка имеет резонансную частоту равную 63.85 MГц. Мы видим, что поперек катушки индуктивности она имеет емкость равную 50 пикофарадам. Чему равен размер катушки индуктивности в единицах Генри?
  2. Две антигельмгольцевых катушки Z градиентной катушки находятся на расстоянии 1 метра. Чему равна величина градиента, если каждая катушка создает в своем центре градиент магнитного поля в 50 Гаусс?
  3. Какие из следующих импульсных последовательностей, в соответствии с нормативами USFDA SAR могут применяться для отображения головы?
    Последовательность = многослойная, спин-эхо
    TR = 500 мс
    TE = 25 мс
    Толщина = 5 мм
    Число срезов = 10
    Энергия одного 90o-импульса = 5 Дж
    Ширина 90o-импулься = 50 mс
    Время регистрации сигнала = 10 мс
    Вес пациента = 72 кг
  4. На один из каналов фазочувствительного детектора томографа подается опорный сигнал частотой 63.85 МГц. На сигнальный канал подается сигнал частотой 63.86 МГц. Какая частота частот получится на выходе из детектора?

Перейти к: [следующей главе | началу главы | предыдущей главе | титульному листу ]

Copyright © 1996-99 J.P. Hornak.
All Rights Reserved.