Диагностика с помощью ядерного магнитного резонанса

Амплитуда РЧполя в однородном соленоиде В1=300(W · Q · n с · Vc) [ГАсГ1] 1/2 , где В1 выражено в мк Тл , РЧ - мощность W в Вт , объём РЧ - катушки V c в см 3 . Постоянная времени нарастания напряжения в таком соленоиде t H =2Q / p n o , 2 где Q - добротность РЧ - катушки.

Одиночная РЧ - катушка создает самую большую амплитуду В1 РЧ - поля в образце заданного объема V c . 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 ЯМРинтроскопах , в которых используют импульсные методы формирования ЯМР - изображений , добротность ограничена. Чтобы получить однородное РЧ - поле по объему образца , были построены седловидные РЧкатушки 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 РЧкатушки 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 РЧполя 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 РЧполя на частоте v o = 270 MГц.

Сравнительный анализ соленоидальной и седловидной РЧкатушек для ЯМРинтроскопов, в которых используют импульсные методы формирования ЯМРизображений, показывает, что отношение сигнала к шуму в соленоидальной РЧкатушке примерно в 3 раза, а добротность Q примерно в 2 раза больше, чем в седловидной РЧкатушке на частотах 20 МГц.

Причина этого в том, что магнитная энергия в седловидной РЧкатушке концентрируется вблизи проводников и не проходит через образец, который находится в центре РЧкатушки. В импульсных ЯМРинтроскопах образец возбуждается импульсами РЧполя с пиковой мощностью порядка 10 2 —10 3 Вт при среднем квадратическом напряжении 100 В. Между тем мощность регистрируемого сигнала равна всего 10 - 6 Вт. Чтобы подавить остаточные осцилляции тока на 180 d В в скрещенных РЧкатушках, требуется время восстановления около 14 t d, где t d – постоянная времени спада резонансной цепи, равная 2Q/w o , а в случае одной РЧкатушки это время возрастает до 21 t d. Блокирование полезной информации в течение времени восстановления приводит к амплитудным и фазовым искажениям в регистрируемом сигнале ССИ. Передающеприемная РЧкатушка ЯМРинтроскопа 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 РЧкатушки для головы человека были созданы в Абердине.

Статическое магнитное поле абердинского ЯМРинтроскопа ориентировано вертикально, а магнитное РЧполе 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 РЧполя 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 РЧкатушки после помещения пациента, между головой пациента и РЧкатушкой 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 РЧкатушки. Чтобы центральная трансаксиальная плоскость была эквипотенциальной под нулевым потенциалом, РЧкатушка 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 РЧкатушки равна 1.7 МГц, добротность Q 0 = 460 без пациента и Q 0 = 330 с пациентом. Из этих значений следует, что индуктивные потери составляют 1/3 полных потерь в процессе формирования ЯМРизображений головы человека. Чтобы уменьшить размер РЧкатушки и тем самым увеличить отношение сигнала к шуму, была разработана РЧкатушка в форме скрещенных элипсов рис.4. Обмотка состояла из двух витков медной проволоки, намотанных на цилиндрический каркас либо последовательно, либо параллельно. РЧполе в ней могло быть направлено как параллельно оси цилиндрического каркаса, так и перпендикулярно. Если генератор РЧполя 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. РЧкатушка с параллельной обмоткой характеризуется тем, что РЧнапряжение, приложенное к клеммам ab, практически не создает напряжения на клеммах cd, и наоборот.

Поэтому РЧмощность можно передавать через одну пару клемм.

Возможна также схема, в которой переключательдуплексор соединен с каждой парой клемм, так что можно одновременно регистрировать ЯМРсигналы 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 В 1,АВ и В 1,CD одновременно.

Конструкция РЧкатушек, используемых в методе ЯМРинтроскопии с градиентом РЧполя по объему образца, показана на рисунке 5. Передающая РЧкатушка, которая формирует градиент РЧполя, состоит из четырех витков в верхней части и одного витка в нижней части. приемная РЧ-катушка выполнена в форме соленоида.

Основной недостаток такой конструкции РЧкатушек в том, что для образцов, длина которых соизмерима с длиной передающей РЧкатушки, возникают артефакты на ЯМРизображениях.

Причиной возникновения этих атерфактов в том, что фазы сигналов, идущих от различных частей образца, различаются. СЪЕМ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ Отсчитывание аналоговых ЯМРсигналов ведут на регулярной последовательности дискретных моментов времени, идущих с тактовым периодом, который удовлетворяет классической теореме отсчетов. Перед каждым очередным отсчитыванием производят интегрирование ЯМРсигнала практически в течение всего тактового периода.

Накопленный сигнал сбрасывают перед началом очередного цикла накопления.

Тактовая частота может достигать 10 7 Гц, а диапазон измеряемых частот около 10 кГц.

Проинтегрированные сигналы обрабатывались в аналоговоцифро 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 ЯМРинтроскопии используют для выполнения дискретного преобразования Фурье большого массива данных, а также для выполнения других математических операций, которые возникают в процессе получения ЯМРизображений.

Только в ЯМРинтроскопах прямого сканирования либо при использовании топического метода искомые данные получают при помощи простой перетасовки данных в заданном формате.

Наибольший объём вычислений выполняют при использовании проекционнореконструктивного метода ЯМРинтроскопии.

Большой объём промежуточных данных хранят в больших системах памяти и возвращают обратно в память после проведения соответствующих вычислительных операций. ЯМРизображения, поступившие из ЯМРинтроскопа, 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 ЯМРизображений выходит за рамки данной работы. СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ ЯМРизображения в своем первичном виде отображаются на экране катоднолучевой трубки или растрового дисплея, управляемого компьютером.

Изображение на экране катоднолучевой 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 ЯМРизображения на дисплее с растром 128 128 элементов занимает около 1/4 с.

Цифровойаналоговый конвентор имеет десятиразрядные слова. Чтобы отображать на дисплее данные, интенсивность которых превышает заданное значение, используют параллельно программируемый ROM. Псевдоцветное ЯМРизображение 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 спинрешеточной релаксации Т 1 ( х ) . Вариации Т 1 передаются 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 ЯМРизображения в видеосигнал. 5 Фотографические копии ЯМРизображения можно получить либо непосредственно с экрана цветного монитора, либо при помощи фотосканера, управляемого компьютером. На фотобумаге получают как чернобелые, так и цветные копии ЯМРизображений.

Устройство содержит традиционный графопостроитель, соединенный через интерфейс с миникомпьютером.

Цветная копия ЯМРизображения создается при помощи трех источников света различного спектрального состава, при этом свет доходит до фотографической бумаги размером 20 20 см через волоконнооптический кабель. Время получения монохромной копии ЯМРизображения 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 ЯМРизображений обычно указывают три характеристических параметра : 1. Отношение сигнала к шуму . 2. Время получения ЯМРизображения . 3. Пространственное разрешение . Отношение сигнала к шуму равно отношению ЭДС , индуцированной в приемной РЧкатушке , к средней квадратической амплитуде тепловых шумов U n : S / N = x / U n , где U n = (4kT c R D n ) 1/2 ; T c - – абсолютная температура катушки ; R – электрическое сопротивление ; D n – ширина полосы частот всей приемной системы . Так как ЯМРсигналы регистрируют фазовочувствительным детектором, то в формулу для отношения S / N входит отношение амплитуд сигналов , а не энергий . ЭДС равна x @ (В 1 ) ху М w 0 V s » w 0 B 0 (B 1 ) xy V s » w 0 2 V s (B 1 ) xy при n о ³ 5 МГ ц . В РЧкатушке соленоидального вида поле В 1 для единичного тока равно В 1 0 = n > > 1 , где а - радиус катушки ; 2b - ее высота ; m 0 - восприимчивость свободного пространства ; n - число витков в катушке. С учетом скин - эффекта электрическое сопротивление катушки R 3/2 * h * ( r a n 2 ) / (2 d g) @ n > > 1, 6 где r - сопротивление катушки ; h » 3 - 6 - фактор близости ; d - толщина скин-слоя. В области частот n 0 1МГц отношение сигнала к шуму измеряется как степень 7/4 от лармовой частоты . При высоких частотах , когда основные потери РЧмощности происходят в образце , это соотношение переходит в линейное . Для объектов больших размеров , например для тела человека , необходимо учесть скинэффект и электрическое сопротивление тканей , которое равно » 1 W , а толщина скинслоя составляет 80 мм при n 0 = 40 МГц . Из-за ослабления РЧполя угол нутации q становится функцией глубины z : q p / 2 = B 1 0 t p exp(- z/ d ). Разброс угла нутации по глубине компенсируют , выбирая для каждой глубины z соответствующую амплитуду РЧполя.

Моделирующие расчеты эффектов ослабления и сдвига по фазе электромагнитного поля в различных тканях человека показывают , что в ЯМРинтроскопах , предназначенных для получения ЯМРизображений человека , частота Лармона не должна быть более 10 МГц . Тело человека , помещенное в РЧкатушку ЯМРинтроскопа , можно рассматривать как электрическое сопротивление с Z = 1.87 W , которое включено последовательно с электрическим сопротивлением соленоидальной РЧкатушки , 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 РЧкатушку до сверхпроводящего состояния . Приведенная выше оценка отношения сигнала к шуму верна для прямого метода сканирования , и во всех интегральных и многопланарных методах получения ЯМРизображений отношение сигнала к шуму в эквивалентных условиях значительно выше . Указанный фактор позволяет снизить требуемое время получения ЯМРизображения 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 ЯМРинтроскопов в клиниках . В процессе съема данных о ЯМРизображении 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 %. В сильных магнитных полях наблюдают аномалии в электрокардиограмме сердца . При движении крови в магнитном поле возникает дополнительная ЭДС . Наблюдаемый эффект , который растет линейно с индукцией магнитного поля вплоть до 2 Тл и исчезает сразу же после выключения статического магнитного поля , используют для изучения потока крови в сердце . При этом не возникают ни аритмия , ни изменения в 7 частоте сокращения сердца , ни изменения в давлении крови и не происходит никаких химических изменений . Исследование поведения бактерий и генетические исследования лимфоцитов крови человека при помощи методики , очень чувствительной к слабым примесям токсических веществ и к ультрафиолетовому облучению , не позволили обнаружить какиелибо вредные эффекты вплоть до индукции магнитного поля » 1 Тл.

Переключаемые и осцилирующие градиентные магнитные поля могут создать недопустимо высокие значения внутренней ЭДС . При скорости переключения 3 Тл/с возникают электрические токи с плотностью около 3 мкА/см 2 , которые могут вызвать нетепловые биологические эффекты . Количественный анализ показал , что для градиентной катушки диаметром 20 см допустимое значение скорости переключения магнитного поля равно dB/dt = 1 Тл/с . Это значение лежит ниже порога возбуждения нервов ( » 3 * 10 3 мкА/см 2 ), порога свертывания крови в сердце (10 2 - 10 3 мкА/см 2 ), порога наблюдения вспышек света в глазах человека под действием электродов на голове человека ( » 17 мкА/см 2 ), а также порога эффекта магнитных фосфенов ( » 5 мкА/см 2 ). Специальные эксперименты показали , что патологические изменения в крови отсутствуют при скорости переключения магнитного поля » 500 Тл/с . Было замечено , что порог указанных эффектов зависит также от формы функции , описывающей вариации магнитного поля во времени . Синусоидальные сигналы не создают практического вреда в интервале частот 30 - 65 Гц и только асимметричные формы сигналов дают заметные изменения этих факторов на пациентах . Радиочастотное поле ЯМРинтроскопа создает нагрев тканей . Установленный верхний порог равен 4 Вт/кг при времени воздействия менее 10 мин. и 1.5 Вт/кг при длительном облучении.

Основной обогрев происходит на поверхности тела . Тело теряет тепло за счет излучения и прямого охлаждения . При низкой влажности воздуха и мощности облучения 4 Вт/кг в течение 10 мин. температура тела повышается на 0.7 ° С . Тепло , выделяемое в тканях человека во время сеанса облучения РЧполем , измеряют по добротности системы с пациентом и без пациента . Наблюдения за поведением отдельных клеток , поиск генетических повреждений и аберраций в хромосомах показали , что комплекс факторов , характерных для ЯМРинтроскопии , не создает вредных эффектов . ЯМРизображения несут важную информацию о химии физиологических процессов , о структуре и динамике тканей на молекулярном уровне и как следствие этого дают принципиально новые возможности для медицинской диагностики . Это свойство и безвредность ЯМРинтроскопии стали решающим стимулом быстрого внедрения ЯМРинтроскопии в медицинские клиники . Современные ЯМРинтроскопы дают пространственное разрешение 1 1 4 мм при времени получения изображения около 100 с, позволяют одновременно получать локализованные спектры химических сдвигов ядер 31 Р и 13 С в естественной концентрации . Одновременно или с небольшим разрывом во времени можно получить как анатомическую информацию , так и данные об обмене веществ в тканях (метоболизме) . Время получения спектра 31 Р равно 10 и 16 мин. для спектра 13 С . Положение и относительные интенсивности пиков в спектре 31 Р указывают на отклонения от нормы в тканях под действием ишемии , злокачественной опухоли , нарушения обмена и демонстрируют результаты терапии . Спектры 13 С содержат информацию об уровне триглицерида и гликогена . На ЯМРизображениях можно отобразить: 1. Время спинрешеточной релаксации Т 1 ; 8 2.Время спинспиновой релаксации Т 2 ; 3.Коэффициент диффузии молекул ; Особенно ценную информацию несут ЯМРизображения сосудистой системы , спинового мозга , головного мозга , легких и средостения . Все случаи злокачественных опухолей , обнаруживаемых при помощи реконструктивной рентгеновской томографии , идентифицируются на ЯМРизображениях ядра водорода . Накоплен большой опыт клинического исследования головного мозга человека при помощи ЯМРинтроскопии . Всего было обследовано 140 пациентов с широким спектром неврологических заболеваний . Преимущество ЯМРизображений в том , что на них серое вещество мозга отображается с высоким контрастом , который недоступен для рентгеновской реконструктивной томографии . Отсутствуют артефакты , создаваемые костными тканями в рентгеновской реконструктивной томографии , отображаются параметры о потоке жидкостей.

Большой набор параметров на ЯМРизображениях позволяет с высокой достоверностью обнаружить такие патологические процессы , как эдема , инфекции , злокачественные опухоли и перерождения ткани . Особенно высокую чувствительность к мозговой эдеме дают сигналы спинового эха . Главный недостаток ЯМРинтроскопии в том , что на ЯМРизображениях нет информации о структуре костей . Для этой цели необходимо использовать реконструктивную рентгеновскую томографию . ЯМРинтроскопия дает уникальную возможность своевременно обнаружить образование миелита в развивающемся плоде и при оценке мозговых нагноений у детей.

Результаты первого опыта использования ЯМРинтроскопии в педиатрии являются обнадеживающим . При помощи планарного метода получения ЯМРизображений с регистрацией эхосигнала за малые доли секунды получают изображения легких , сердца , и средостение без артефактов движения . Иначе говоря , съем данных ведут в реальном масштабе времени . Время получения изображения с разрешением 6 мм и толщиной 8 мм равно 35 мс . Сигналом - монитором является электрокардиограмма . За 4.5 минуты получают 512 ЯМРизображений - 32 среза с 16 кинокадрами на каждый срез . Таким образом , регистрируемые данные имеют четырехмерную структуру . С помощью ядерного магнитного резонанса получены результаты обследования детей в возрасте от 3 до 14 месяцев и сняты изображения левого желудочного сердца . Методы ангиографии были в этих случаях бессильны . Описаны случаи , когда злокачественные опухоли в головном мозге на раннем этапе развития были обнаружены только на ЯМРизображениях и были едва заметны на рентгеновских томограммах .Эти и другие исследования убедительно свидетельствуют о том , что в нейрологической диагностике наступает новая эра . В других работах было показано экспериментально , что анатомическая информация и данные о метаболизме в головном мозгу человека могут быть получены на одной установке . Вопреки общепринятым представлениям , был построен ЯМРинтроскоп для головного мозга человека на очень высокой резонансной частоте 63.9 МГц при индукции магнитного поля 1.5 Тл и щелевом резонаторе РЧполя . Было достигнуто повышение отношения сигнала к шуму в 11 раз по сравнению с системой , работающей в магнитном поле с индукцией 0.12 Тл . Локализованные ЯМРспектры высокого разрешения 31 Р , 13 С и 1 Н были получены при помощи поверхностной катушки . Таким образом , метод получения совместных данных об анатомии и о биохимии тканей в мозгу человека становится традиционным . 9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ История науки учит нас , что каждое новое физическое явление или новый метод проходит трудный путь , начинающийся в момент открытия данного явления и проходящий через несколько фаз . Сначала почти никому не приходит мысль о возможности , даже весьма отдаленной , применения этого явления в повседневной жизни , в науке или технике . Затем наступает фаза развития , во время которой данные экспериментов убеждают всех в большой практической значимости данного явления.