Способ увеличения однородности радиочастотного поля датчика среднеполевого магнитно-резонансного томографа и катушка для его осуществления
METHOD FOR INCREASING THE HOMOGENEITY OF THE RADIO FREQUENCY FIELD OF A MID-FIELD MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHIC SCANNER AND A COIL FOR ITS IMPLEMENTATION

Настоящее техническое решение относится к медицинской физике, а именно к приемно-передающей системе магнитно-резонансного томографа (МРТ), в котором основное магнитное поле расположено ортогонально продольной оси датчика, для получения сигнала ядерного магнитного резонанса с последующим формированием изображений. Предложенное решение может быть использовано для получения магнитно-резонансного изображения пациента в специализированном среднеполевом МРТ.
Однородность возбуждающего радиочастотного поля ЯМР дает возможность применения различных методик получения изображений с минимизацией проявления артефактов, связанных с неточностью угла вращения вектора намагниченности при воздействии радиочастотных импульсов. Однородность поля, «создаваемого» приемным контуром, обеспечивает равномерность яркости и контрастности получаемых изображений по всему рабочему пространству датчика. Использование среднеполевых установок МРТ с индукцией поля 0.2-0.5 Т устанавливает специфические требования к конструкции передающих и приемных радиочастотных катушек. Обычно используются либо катушки в виде седловидных витков, либо катушки соленоидальной конструкции. Недостатком седловидной катушки является невозможность обеспечения высокой однородности поля вдали от центра области наблюдения. Соленоидальная катушка имеет большую область однородности, но только при значительном числе последовательно соединенных витков, которое в случае средних полей создает слишком большую индуктивность для работы на частотах 10-20 МГц. Для таких частот при размере катушки около 200 мм приемлемое число витков не более 1-2. В этом случае используется параллельное соединение витков и становится существенным способ подвода возбуждающего сигнала к виткам катушки или съема принимаемого сигнала.
Известен специализированный приемный датчик для формирования изображения магнитно-резонансной томографии предплечья [US 5185577 A, 09.02.1993]. Датчик содержит обмотку в форме седла, которая намотана вокруг полого корпуса. Корпус имеет сужающийся концевой участок. Диаметр корпуса датчика увеличивается по направлению к кисти пациента в соответствии с исследуемой областью, так, чтобы спиральный элемент мог располагаться ближе к предплечью пациента. Недостатком данного решения является то, что катушка в форме седла не позволяет добиться высокой однородности в большом объеме, в отличие от соленоидальной.
Описан датчик с конформной соленоидальной катушкой с параллельной намоткой [US 5543710 A, 06.08.1996]. Форма катушки приближена к исследуемой области: рука, запястье и нога. Недостатком данного решения является то, что равномерно распределенные проводники не могут создать однородное радиочастотное поле в большом объеме. Из-за этого при диагностике на магнитно-резонансном томографе может потребоваться многократное перемещение катушки. Неоднородное поле, кроме того, искажает изображение, вследствие чего ухудшается достоверность диагностики.
Из [RU 2192165 C1, 10.11.2002] известен датчик с приемной радиочастотной катушкой, предназначенный для магнитно-резонансной томографии голеностопа. Увеличение отношения сигнал/шум достигается приближением витков датчика к объекту исследования. Данное решение направлено на диагностику конкретных анатомических областей (голеностоп) и оказывается неприемлемым для диагностики других частей тела человека: кисть, локоть, колено.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, выбранному заявителем в качестве прототипа, является описанное в патенте [RU 2738132 C1, 08.12.2020]. В нем используется приемная соленоидальная катушка из 8 параллельно соединенных витков, взаимное расположение которых рассчитано и оптимизировано с помощью компьютерного моделирования создаваемых полей. Исходя из принципа симметрии при использовании катушки в качестве передающей будет создаваться радиочастотное поле, приближающееся к однородному. Недостатком решения является то, что небольшое число витков создает волнообразные неоднородности поля в области наблюдения, особенно при приближении точки контроля к виткам катушки. Кроме того, радиочастотное поле рассеивается через большие расстояния между витками и взаимодействует с элементами магнитной системы томографа. Это приводит к уменьшению добротности контура и увеличению помех, что требует дополнительного экранирования датчика.
Технической проблемой, решаемой созданием заявляемого изобретения, является уменьшение неоднородности радиочастотного поля радиочастотной катушки, работающей в режиме передачи, в максимальной области наблюдения для обеспечения оптимальных условий возбуждения спин-системы и обеспечение равномерной чувствительности радиочастотной катушки, работающей в режиме приема, к сигналам от источников из разных точек области наблюдения для получения однородной яркости и контрастности изображений, а также уменьшение рассеивания радиочастотного поля и его взаимодействия с элементами магнитной системы МРТ для увеличения добротности радиочастотных катушек датчика и снижения помех.
Технический результат состоит в оптимизации конструкции заявляемой радиочастотной катушки датчика среднеполевого МРТ, включая взаиморасположение, размеры и соотношения ее элементов, а также в новом способе подвода возбуждающего электрического сигнала к соединенным параллельно виткам передающей радиочастотной катушки или съема сигнала с витков приемной радиочастотной катушки, что приводит к устранению указанных недостатков аналогов и прототипа.
Техническая проблема решается, и технический результат достигается заявляемой радиочастотной катушкой датчика среднеполевого МРТ, содержащей обмотку из электрически соединенных параллельно один другому витков, имеющих электрическое соединение проводников с оборудованием МРТ и размещенных на пустотелом каркасе, где витки ориентированы ортогонально относительно продольной оси каркаса, особенность которой состоит в том, что витки распределены равномерно, соединяющие их проводники замкнуты в петли с наружной стороны каркаса таким образом, что нижняя часть петли, соединяющая витки, находится на каркасе, верхняя отстоит от нее на расстоянии, превышающем зазор между петлями более, чем в 2 раза, проводники соединены между собой посередине верхней части петли элементом для подачи или съема сигнала, а взаимное расположение элементов оптимизировано расчетным путем.
Заявляемая конструкция радиочастотной катушки может быть использована как для передающей, так и для принимающей катушки, поскольку действует принцип симметрии при распространении электромагнитных полей, причем функции передающей и приемной катушки в датчике могут быть как разделены, так и совмещены в одной катушке с использованием соответствующих средств согласования и развязки сигналов.
Техническая проблема также решается, и технический результат достигается заявляемым способом увеличения однородности радиочастотного поля датчика среднеполевого МРТ, включающим подвод возбуждающего электрического сигнала к соединенным параллельно виткам передающей радиочастотной катушки или съем сигнала с витков приемной радиочастотной катушки, при котором возбуждающий сигнал подается или снимается между центрами верхних частей петель проводников, когда сигнал подается или снимается, в первую очередь, с крайних витков радиочастотной катушки, а радиочастотная катушка датчика среднеполевого МРТ представляет собой описанную ранее радиочастотной катушку - расположенную на пустотелом каркасе обмотку из электрически соединенных параллельно один другому витков, ориентированных ортогонально относительно продольной оси каркаса, концы витков соединены проводниками, имеющими электрическое соединение с оборудованием МРТ, проводники замкнуты в петли с наружной стороны каркаса таким образом, что нижняя часть петли, соединяющая витки, находится на каркасе, а верхняя отстоит от нее на некотором расстоянии, превышающем зазор между петлями более, чем в 2 раза, проводники соединены между собой посередине верхней части петли элементом для подачи или съема сигнала, витки распределены равномерно, а взаимное расположение элементов оптимизировано расчетным путем.
Общая конструкция радиочастотной катушки датчика показана на фигуре 1. Радиочастотная катушка представляет собой некоторое количество одинаковых, равномерно и плотно расположенных на пустотелом каркасе 1 цилиндрической формы из диэлектрического материала перпендикулярно оси цилиндра витков 2. Каждый виток 2 представляет собой полоску из листового металла с высокой проводимостью, прикрепленную к каркасу 1 и охватывающую его почти на 360 градусов, но не замкнутую концами. Листовой материал выбран из соображений повышения добротности радиочастотной катушки за счет большей площади поверхности витков, что уменьшает эффективное сопротивление высокочастотным токам. Концы витков 2 с каждой стороны соединены между собой параллельно полосками из того же материала по образующей цилиндрического каркаса -соединительными проводниками 3. Длина соединительных проводников 3 более чем вдвое превышает длину цилиндрического каркаса 1, для того, чтобы концы соединительных проводников 3 могли быть загнуты на краях каркаса 1 наружу (вверх) и замкнуты в петли (фигура 2) так, что верхний край петель соединительных проводников 3 отстоит от поверхности каркаса 1 на некоторое расстояние (высота петли). Петли параллельно расположенных соединительных проводников 3 соединены между собой в верхней части 4 посередине соединительных проводников 3 (по центру каркаса 1) элементом 5 для подачи или съема сигнала, который является схемой согласования, состоящей из конденсаторов и диодов, используемой для настройки контура радиочастотной катушки в резонанс на рабочей частоте датчика и обеспечения эффективной передачи мощности от передатчика МРТ. Для приемной радиочастотной катушки схема обеспечивает подавление сигнала от передающей радиочастотной катушки в момент подачи возбуждающего импульса и максимальное резонансное усиление при приеме сигнала ЯМР.
Для моделирования полей использовалось компьютерное приложение для трехмерного электродинамического моделирования «CSTStudioSuiteStudentEdition», Computer Simulation Technology, Германия. Использовался вариант низкочастотного моделирования с получением пространственного распределения магнитной составляющей радиочастотного поля внутри радиочастотной катушки. Оптимизация проводилась многократным выполнением расчетов с заданием различных параметров конструкции радиочастотной катушки, таких как ширина витка, зазор между витками, ширина соединительного проводника и петли, зазор между петлями подвода сигнала. По результатам расчетов строились графики распределения напряженности поля по прямым, параллельным оси радиочастотной катушки на различных расстояниях от центра. По графикам был выбран вариант с наилучшими результатами по однородности. Моделирование выполнялось для нескольких вариантов диаметров радиочастотной катушки, результаты оптимизации соотношения высоты петли и зазора между петлями совпадают.
С использованием компьютерного моделирования были получены оптимальные параметры зазоров и высоты петель соединительных проводников 3 и других параметров конструкции радиочастотной катушки при размерах 220×195 мм (длина и диаметр каркаса):
• Зазор между параллельно расположенными замкнутыми в петли соединительными проводниками 3 - не более 2 мм, поскольку больший зазор ухудшает однородность поля (увеличивается поле в середине радиочастотной катушки) и увеличивает рассеяние;
• Высота петли соединительных проводников 3, включая толщину ленты - от 4 до 10 мм, ограничена допустимыми габаритами датчика, меньший размер ухудшает однородность поля аналогично влиянию размера зазора;
• Ширина витков 2 и соединительных проводников 3 - 8 мм;
• Толщина витков 2 и соединительных проводников 3 - 0.2 мм (выбрана из расчета толщины скин-слоя электромагнитного поля на рабочей частоте);
• Зазор между витками 2 - 2 мм.
Моделирование также выполнялось для других диаметров радиочастотной катушки - 130 и 90 мм, результаты оптимизации соотношения высоты петли и зазора между петлями совпадают.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Подводимый сигнал подают на заявляемую радиочастотную катушку между серединами верхней стороны 4 петель соединительных проводников 3 через элемент 5 для подачи или съема сигнала (фигура 3). При заявляемой конструкции радиочастотной катушки ток, в первую очередь, передается на витки, расположенные по торцам радиочастотной катушки, в результате чего витки, расположенные ближе к краю, принимают большую силу тока и создают более сильное поле, чем витки в центре радиочастотной катушки, которые имеют большую индуктивность из-за взаимного влияния. Это компенсирует уменьшение напряженности поля на краях, вызванное уменьшением эффективной плотности витков к торцам радиочастотной катушки.
При воздействии на датчик градиентных импульсов от магнитной системы МРТ в витках радиочастотных катушек возникают токи Фуко, которые ограничивают скорость изменения градиентных полей. С этой точки зрения ширина витков должна быть как можно меньше, чтобы минимизировать возникающие кольцевые токи. В то же время, уменьшение ширины и зазора между витками и увеличение количества витков увеличивают технологические затраты и трудоемкость изготовления радиочастотных катушек. Моделирование при различных параметрах ширины витков показало, что при указанной ширине (8 мм) влияние радиочастотной катушки на градиентные импульсы незначительно.
На распределение токов также влияют размеры и зазоры в конструкции петель, поскольку токи в петлях на радиочастотах создают взаимодействующие поля. При заявленном отношении высоты петли к зазору между петлями соединительных проводников 3, составляющим более двух, поля внутри петель взаимно компенсируются и не оказывают существенного влияния на распределение токов в витках радиочастотной катушки.
На фигуре 4 показаны графики зависимости напряженности продольной компоненты магнитного поля в единицах А/м при возбуждении током 1 А на частоте 17.5 МГц от смещения вдоль цилиндра при различных расстояниях от его оси (0, 50, 70 мм) в вертикальной плоскости по результатам компьютерного моделирования для модели ранее указанных размеров. При смещениях в горизонтальной плоскости результаты практически не отличаются. Как видим, при среднем смещении от центра напряженность поля вдоль оси фактически постоянна на значительном протяжении, что обеспечивает оптимальные условия возбуждения спин-системы в объеме наблюдаемого объекта. При смещениях в горизонтальной плоскости результаты практически не отличаются.
Для иллюстрации изобретения был изготовлен датчик с заявляемой радиочастотной катушкой. Цилиндрический каркас 1, изготовленный из диэлектрического материала, в этом примере реализации изобретения был выполнен из полистирола длиной 220 мм с круглым поперечным сечением диаметром 195 мм. На цилиндрическом каркасе 1 плотно друг к другу расположены охватывающие каркас 1 почти на 360 градусов, но не замкнутые в кольцо витки 2 шириной 8 мм с зазором между ними 2 мм в количестве 22 штук. Концы витков 2 с каждой стороны соединены между собой расположенными параллельно образующей цилиндрического каркаса 1 соединительными проводниками 3 шириной 8 мм, замкнутыми в петли таким образом, что верхний край петель соединительных проводников 4 отстоит от поверхности каркаса 1 на расстояние 5 мм (высота петли). Зазор между проводниками петель - 2 мм. Витки 2, соединительные проводники 3 и петли 4 выполнены из листовой электротехнической меди. Толщина медной ленты для витков и проводников выбирается из соображения величины скин-слоя на рабочей частоте 17.5 МГц и составляет 0.2 мм. Необходимо выбирать толщину материала не менее двух величин скин-слоя, учитывая, что ток протекает по проводнику со всех сторон.
На фигуре 5 приведены результаты экспериментальной проверки на макете передающей радиочастотной катушки. Измерения проводились при помощи зонда в виде обмотки без сердечника, помещаемой внутрь датчика при подаче радиочастотного сигнала на петли передающей радиочастотной катушки. Приведены зависимости амплитуды детектируемого сигнала в милливольтах от расположения зонда вдоль оси на различном расстоянии от нее. Как видим, результаты замеров в целом соответствуют расчетам, искажения могут быть вызваны влиянием окружения и подводящих проводов зонда.
Таким образом, предложенные способ увеличения однородности радиочастотного поля датчика среднеполевого МРТ, характеризующийся положением элемента подвода мощности и съема сигнала, а также конструкция радиочастотной катушки датчика обеспечивают лучшую однородность радиочастотного поля, создаваемого передающей радиочастотной катушкой, а также постоянство чувствительности приемного контура по области наблюдения датчика. Кроме того, плотное расположение витков радиочастотной катушки обеспечивает минимальное рассеяние поля через межвитковые зазоры и хорошее экранирование от помех со стороны магнитной системы МРТ. Также изобретение направлено на расширение арсенала устройств для формирования изображения в магнитно-резонансной томографии.