Мрт катушки каналы и элементы
РЧ катушки необходимы для передачи и приема радиочастотных волн, используемых в МР сканерах. РЧ катушки — один из наиболее важных компонентов, оказывающих влияние на качество изображения. Современные МРТ сканеры имеют ряд РЧ катушек, позволяющих получать изображения всех частей тела. Существует два типа РЧ катушек: объемные и поверхностные.
Объемные РЧ катушки.
Конструкция объемной катушки имеет седловидную форму, которая гарантирует однородность РЧ поля внутри катушки. Объект исследования помещается внутрь объемной катушки. Они используются для передачи и приема сигнала, хотя иногда катушки применяются только для приема сигнала.
На рисункахпредставлены две объемные катушки. | |
Катушка для головы передающая / принимающая | Коленная катушка только принимающая сигнал |
Поверхностные катушки.
Из названия следует, что поверхностные катушки помещаются над областью исследования, такой как височно-нижнечелюстной сустав, орбита или плечо. Катушка состоит из отдельного или двойного кольца медного провода. Они имеют высокое отношение сигнал — шум (SNR) и обеспечивают формирование изображения с очень высоким разрешением. Недостатком таких катушек является быстрая потеря однородности сигнала по мере удаления от катушки. В случае круглой поверхностной катушки, глубина проникновения равняется приблизительно половине ее диаметра.
На рисунках представлено несколько примеров поверхностных катушек:
 Поверхностные катушки | Плечевая катушка |
  Катушка для шеи | Катушка для позвоночника |
Квадратурные катушки.
Квадратурные катушки или катушки с круговой поляризацией могут быть седловидной формы или относиться к поверхностным катушкам. Общей чертой этих катушек является содержание не менее двух проводов, помещенных под определенными углами друг к другу. Преимущество этой конструкции состоит в том, что они формируют сигнал в v2 раз больший по сравнению с катушками с одним проводом. В настоящее время, большинство объемных катушек — квадратурные катушки. Представленные на рисунке ранее объемные катушки — квадратурные.
Катушки с фазовой решеткой.
Катушки с фазовой решеткой состоят из многочисленных поверхностных катушек. Поверхностные катушки обладают самым высоким отношением сигнал — шум, но имеют ограниченную область чувствительности. Путем объединения 4 или 6 поверхностных катушек можно создать катушку с большой областью чувствительности.
Квадратурная катушка с решеткой для всего тела | Квадратурная катушка с решеткой для позвоночника |
Квадратурная катушка с решеткой для всего тела относится к объемным катушкам, тогда как катушка с решеткой для позвоночника — к поверхностному типу. Катушки с фазовой решеткой формируют сигнал почти в v2 раз больший по сравнению с квадратурными катушками. Современные системы МРТ поставляются с квадратурными катушками и катушками с фазовой решеткой.
Другие аппаратные средства
Для функционирования системы МРТ требуется большое количество аппаратных средств. Очень важную роль играет радиочастота цепь (РЧ), которая генерирует РЧ сигнал, зондирующий пациента, и принимает РЧ сигнал от пациента. Фактически, приемная катушка является частью РЧ цепи. Частотный диапазон, применяемый в МРТ — тот же самый, который используется для передач радио волн. Именно поэтому МРТ сканеры помещаются в клетку Фарадея, чтобы предотвратить проникновение радиоволн в помещение сканера, вызывающих артефакты в МРТ изображениях. Кто-то однажды сказал: «МРТ — подобно просмотру телевизора с радио».
Кроме того, требуется процессор для обработки полученного сигнала и управления сложной операцией сканирования.
Градиентные катушки представляют собой набор проводов в магните, которые позволяют создавать дополнительные магнитные поля, в некотором отношении, накладывающиеся на главное магнитное поле B0.
Существует много факторов, которые влияют на качество изображения МРТ снимков. Сам аппарат – это главный фактор, который включает силу напряжения магнитного поля и программное обеспечение, но еще одним очень важным компонентом является катушка. Катушки используют как антенны для усиления и получения радиочастотного сигнала. Поскольку стоимость МРТ аппаратов значительно возрастает при сравнении 1,5Т и 3Т, медицинские учреждения не могут себе позволить обновлять свое оборудование на технологию следующего поколения.
Апгрейд катушек тоже может быть достаточно дорогим, если вы покупаете оригинальные катушки от ведущих производителей GE, Toshiba и т.д., поэтому покупать от независимого источника становится более подходящим вариантом. Следует упомянуть, что апгрейд катушки на более гибкую с большим количеством каналов может существенно влиять на качество снимков и соотношение сигналшум.
На сегодняшний день, многофункциональные катушки не ограничены специфическими анатомическими структурами и могут применяться в медицинских центрах для улучшения комфорта пациента, а также дают возможность сканировать много частей тела с помощью одной катушки. “Чем ближе расположение катушки к исследуемой области, тем сильнее сигнал. Поэтому близкая, гибкая позиция с анатомической структурой пациента улучшит визуализацию, – прокомментировал Андреас Мельцер, врач, хирургстоматолог, радиолог, профессор и основатель Института медицинской науки и технологии (Institute for Medical Science and Technology – IMSaT). – Мы пришли к выводу, что открытая, гибкая конструкция катушек DuoFLEX обеспечивает высококачественную визуализацию для снимков под разными углами. Они также дают возможность проводить различные вмешательства на брюшной полости, коленах, запястьях, спине и плечах. С другой стороны, обычные жесткие катушки часто закрытые, с ремешками, которые мешают делать проколы, термальную абляцию или вводить вещества”.
Жесткие катушки, специфические к конкретной части тела, когдато считались эталоном и каждый радиологический центр имел 57 их разных видов. Недостатком владения фирменными индивидуальными катушками для каждой части тела есть то, что если одну нужно поменять, придётся обращаться к производителю МРТ. Но сейчас вы имеете возможность поменять различные жесткие специфические к конкретной части тела катушки на одну гибкую универсальную катушку.
Еще одно преимущество неоригинальных катушек заключается в том, что производители МРТ обычно не считают нужным предлагать апгрейды на старые модели МРТ аппаратов. Но теперь независимые компании предлагают новые 8ми канальные, универсальные катушки для обновления моделей старого поколения. Другая причина, почему доступность гибких многофункциональных катушек ограничена – это сложный многогранный процесс проверки производственного процесса. От них требуют СЕ, FDA одобрение, а также одобрение от оригинального МРТ производителя для клинического применения.
Первой независимой компанией, которая сумела преодолеть требования на GE 1,5Т МРТ аппараты была MR Instruments, которая выпустила свой комплекс 8ми канальных катушек – DuoFLEX. Эти катушки доступные в двух размерах (10см и 24см) и имеют удобный гибкий дизайн. На данный момент компания разрабатывает универсальные катушки к Siemens 1,5Т и Siemens, GE 3Т, которые планирует выпустить в 2015 году. “Гибкие МРТ катушки по сравнению с жесткими имеют потенциал сэкономить время на подготовку, – сказал Мельцер, подводя итоги. – Они бы хорошо подошли для быстрых, индивидуальнозафиксированных установок катушек, включая сканирование всего тела в случае рака, для индивидуализированного педиатрического сканирования всего тела или для вмешательств под МРТ контролем”.
Для того чтобы еще лучше понять, как проводится диагностика, давайте остановим наше внимание на устройстве магнитно-резонансного томографа.
Необходимое для магнитного резонанса оборудование включает в себя следующие элементы:
- магнит;
- градиентные катушки;
- приемник радиоимпульсов;
- передатчик (генератор) радиоимпульсов;
- фарадеевский экран;
- источник питания, охлаждающая система;
- система обработки данных.
На рисунке представлено изображение аппарата с указанием на основные его составляющие.
Рассмотрим детальнее каждый элемент МР-томографа.
Магнит
Для выполнения магнитного резонанса необходимо однородное, постоянное и стабильное магнитное поле. Величина напряженности поля измеряется в Теслах и является основной характеристикой мощности прибора, т.е. от нее зависит качество и скорость получения изображения. В соответствии с этим МРТ аппараты делятся на основные группы:
- ультранизкие (напряженностью ниже 0,1 Тл)
- низкопольные (0,1-0,5 Тл);
- среднепольные ( от 0,5 до 1 Тл);
- высокопольные (от 1 до 2 Тл);
- сверхвысокопольные (напряженностью свыше 2 Тл).
Сам магнит в аппарате может быть постоянным, сверхпроводящим электрическим или резистивным электрическим.
Постоянные магнитывыполнены из сплавов с ферромагнитными свойствами. Такие магниты обладают важным преимуществом – не требуют энергии для поддержания магнитного поля, и, следовательно, не требуют охлаждения. Эксплуатационные и капитальные затраты на такие магниты невелики. Кроме этого, достоинством является то, что по сравнению с двумя другими системами, они имеют небольшое поле рассеяния. Что касается недостатков, к ним можно отнести большой вес системы на основе постоянного магнита, небольшую напряженность создаваемого магнитного поля – 0,2-0,3 Тл, чувствительность к изменениям температуры и более низкую, однако не конкурентноспособную стоимость в сравнении с другими системами.
Интерес к постоянным магнитам в настоящее время связан с тем, что они легко конфигурируются в аппаратах открытого типа, что является важным для прохождения обследования пациентами, страдающими клаустрофобией или имеющим большие размеры тела.
Сверхпроводящий магнит представляет собой катушкуиз ниобий-титанового сплава, который теряет сопротивление к электрическому току при охлаждении жидким гелием до температуры -269°С. Таким образом, через такой магнит можно пропускать большие токи, которые создают высокостабильные магнитные поля высокой напряженности. В состав конструкции магнита входит двойная охлаждающая система с жидким азотом в первом термосе и жидким гелием во втором (т.н. дьюар, или криостат).
Сверхпроводящие магниты не потребляют электроэнергию, однако расходуют охлаждающую жидкость. Основными преимуществами такой системы являются высокое отношение сигнал/шум, высокие однородность и напряженность поля. Недостатками являются большие эксплуатационные расходы, необходимость экранирования в связи с создаваемыми большими полями рассеяния, высокая стоимость и необходимость охлаждения жидким гелием. Кроме того, бывают редкие случаи, когда при исчезновении магнитного поля такого магнита его катушка внезапно теряет свойства сверхпроводимости, что приводит к моментальному повышению температуры, вскипанию охлаждающей жидкости и выбрасыванию гелия из криостата. Такой процесс носит название квенча, против которого существуют меры предосторожности: система специальных предохранительных клапанов, с помощью которой можно вывести инертные газы из МРТ-помещения.
Резистивные, или электромагниты, создаются на основе одной или нескольких катушек, через которые проходит большой ток. При условии точного соблюдения определенной геометрии катушек создается гомогенное поле. Электромагниты потребляют большую мощность, поэтому для них необходима мощная система охлаждения. Диапазон создаваемой напряженности колеблется в пределах 0,3-0,7 Тл, а вес магнита равен около 5 тонн. Создаваемое поле рассеяния требует экранирования с помощью железного экрана, однако это еще больше повышает вес магнита. Преимуществами резистивных систем являются отсутствие криогенных жидкостей, выполнение сложных методов получения изображения, возможность выключения поля, к примеру, когда существует опасность или система не работает.
Также редко используются гибридные магниты – промежуточные между резистивными и постоянными, которые обладают большей напряженностью, чем последние, но уступающие по качествам сверхпроводящим.
Следует отметить, что ни один из перечисленных магнитов не создает абсолютно однородного магнитного поля. Поэтому для улучшения характеристик последнего используются шиммирующие катушки, при пропускании тока через которые происходит коррекция поля, что компенсирует изначальную его неоднородность. Катушки для шиммирования могут размещаться в жидком гелии, так и быть без охлаждения.
Подобный эффект можно создать при размещении небольших кусков ферромагнетика внутри или снаружи апертуры поля. Каждый из кусочков будет влиять на магнитное поле, и при сохранении его симметрии, можно добиться высокой однородности. Такой способ называется пассивным шиммированием.
Градиентные катушки
Из-за своей конфигурации катушки создают однородное линейное и управляемое изменение поля в конкретном направлении. Главное значение катушек заключается в создании изображения за счет добавления к общему однородному магнитному полю градиентного магнитного возмущения, что обеспечивает локализацию ЯМР-сигнала и точное соотношение полученных данных и исследуемой области. Градиент обеспечивает выборочное возбуждение протонов в нужной области. От мощности и скорости действия катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность томографа.
Градиентные катушки обладают различными конфигурациями и бывают следующих типов:
- катушка Голея (создает градиенты магнитного поля перпендикулярно главному полю);
- катушка в форме восьмерки;
- катушка Гельмгольца (две катушки с током, которые создают однородное магнитное поле в центре между ними);
- сдвоенная седлообразная катушка;
- катушка Максвелла (градиенты поля по направлению главного магнитного поля).
Передатчик
Для возбуждения ядер используют радиочастотный импульс с частотой, близкой к ларморовой. РЧ-колебания и импульсы формируются передатчиком, а необходимая частота колебаний создается синтезатором частоты, сигнал с которого в последствии модулируется для создания требуемой для РЧ-возбуждения формы импульса, которая в свою очередь влияет на контраст получаемого изображения. Импульсы бывают прямоугольными и сложной формы. Первые имеют широкий спектр и являются полезными в аналитических применениях. Однако для создания тонкого среза используется специальная форма импульса, с помощью которой создается почти прямоугольный профиль слоя. Более подробно про физику МРТ можно прочитать здесь.
На этом этапе также выбирается фаза импульса для поворота вектора намагниченности на 0º, 90º, 180º, 270º.
Приемник
В качестве этого элемента используется высокочувствительный малошумящий усилитель сигнала, который работает в области сверхвысоких и высоких частот. Снимаемый ЯМР-сигнал с амплитудой несколько микровольт в приемнике усиливается от 500 до 1000 раз, после чего преобразуется из высокой частоты (МГц) в низкую (кГц).
РЧ-катушки
Необходимы для создания переменного магнитного поля, которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. В большинстве магнитов основное поле направлено вдоль отверстия магнита, поэтому катушка создает переменное магнитное поле, которое перпендикулярно отверстию. Наиболее часто встречаются катушки «птичья клетка», седловидной, соленоидальной (создает поле вдоль своей оси), поверхностной (имеют хорошее соотношение сигнал/шум для близлежащих к ней тканей) геометрии.
Система сбора данных
Полученный сигнал должен быть преобразован в цифровой код, который является удобным для обработки на компьютере. Такая оцифровка выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя, и на выходе получают цифровую версию FID, которая после оцифровки запоминается на устройстве памяти компьютера.
В заключение необходимо отметить, что комната сканирования окружена экраном, который не пропускает РЧ-излучение с большой энергией за пределы клиники. А также выполняет роль защиты томографа от сигналов теле- и радиостанций. Кроме того, современные томографы обладают магнитным щитом, который предупреждает распространение магнитного поля далеко по территории клиники.
На нашем сайте Вы также можете подробнее узнать про историю развития МРТ, историю развития компьютерной томографии.
В 1973 году американский химик Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью под названием «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позднее британский физик Питер Мэнсфилд предложит более совершенную математическую модель получения изображения целого организма, а в 2003 году исследователи получат Нобелевскую премию за открытие метода МРТ в медицине.
Немалый вклад в создание современной магнитно-резонансной томографии внесет и американский ученый Реймонд Дамадьян, отец первого коммерческого аппарата МРТ и автор работы «Обнаружение опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса», опубликованной в 1971 году.
Но справедливости ради стоит отметить, что задолго до западных исследователей, в 1960 году, советский ученый Владислав Иванов уже подробно изложил принципы МРТ, тем не менее авторское свидетельство он получил лишь в 1984 году… Давайте же оставим споры об авторстве, и рассмотрим наконец в общих чертах принцип работы магнитно-резонансного томографа.
В наших организмах очень много атомов водорода, а ядро каждого атома водорода — это один протон, который можно представить в виде маленького магнитика, существующего благодаря наличию у протона ненулевого спина. То что ядро атома водорода (протон) имеет спин, — это значит что оно как бы вращается вокруг своей оси. При этом известно, что у ядра водорода есть положительный электрический заряд, а вращающийся вместе с наружной поверхностью ядра заряд — это подобие маленького витка с током. Получается, что каждое ядро атома водорода — это миниатюрный источник магнитного поля.
Если теперь много ядер атомов водорода (протоны) поместить во внешнее магнитное поле, то они начнут пытаться сориентироваться по этому магнитному полю подобно стрелкам компасов. Однако в процессе такой переориентации ядра начнут прецессировать, (как прецессирует ось гироскопа при попытке его наклонить), потому что магнитный момент каждого ядра оказывается связан с механическим моментом ядра, с наличием у него упомянутого выше спина.
Допустим, ядро водорода поместили во внешнее магнитное поле с индукцией 1 Тл. Частота прецессии в этом случае составит 42,58 МГц (это так называемая ларморовская частота для данного ядра и для данной индукции магнитного поля). И если теперь оказать дополнительное воздействие на это ядро электромагнитной волной с частотой 42,58 МГц, возникнет явление ядерного магнитного резонанса, то есть амплитуда прецессии возрастет, поскольку вектор общей намагниченности ядра станет больше.
И таких ядер, способных прецессировать и попадать в резонанс, в наших телах миллиард миллиардов миллиардов. Но поскольку в режиме обычной повседневной жизни магнитные моменты всех ядер водорода и других веществ в нашем теле друг с другом взаимодействуют, то общий магнитный момент всего тела равен нулю.
Действуя радиоволнами на протоны, получают резонансное усиление колебаний (увеличение амплитуд прецессий) этих протонов, а по окончании внешнего воздействия протоны стремятся вернуться к своем исходным состояниям равновесия, и тогда уже они сами излучают фотоны радиоволн.
Таким образом в аппарате МРТ тело человека (или какое-нибудь другое исследуемое тело или предмет) превращается периодически то в набор радиоприемников, то в набор радиопередатчиков. Исследуя таким образом участок за участком тела, аппарат строит пространственную картину распределения атомов водорода в теле. И чем более высока напряженность магнитного поля томографа — тем больше атомов водорода, связанных с другими атомами, расположенными рядом, можно исследовать (тем выше разрешение магнитно-резонансного томографа).
Современные медицинские томографы в качестве источников внешнего магнитного поля содержат электромагниты на сверхпроводниках, охлаждаемые жидким гелием. В некоторых томографах открытого типа для этой цели используются постоянные неодимовые магниты.
Оптимальная индукция магнитного поля в аппарате МРТ составляет сегодня 1,5 Тл, она позволяет получать довольно качественные снимки многих частей тела. При индукции менее 1 Тл не получится сделать качественный снимок (достаточно высокого разрешения), например малого таза или брюшной полости, однако для получения обычных снимков МРТ головы и суставов подходят и такие слабые поля.
Для правильной пространственной ориентации, в магнитно-резонансном томографе кроме постоянного магнитного поля используются еще и градиентные катушки, создающие дополнительное градиентное возмущение в однородном магнитном поле. В результате наиболее сильный резонансный сигнал локализуется более точно в том или ином срезе. Мощность и параметры действия градиентных катушек — наиболее значимые показатели в МРТ — от них зависит разрешение и быстродействие томографа.
Электрик Инфо — электротехника и электроника в простом и доступном изложении.