Беспроводная локальная приёмо-передающая катушка для магнитно-резонансной томографии

Полезная модель относится к медицинской технике и представляет собой приемно-передающую радиочастотную (РЧ) катушку, состоящую из активного элемента, предназначенного для создания и регистрации РЧ магнитного поля, и беспроводной РЧ катушки, локализующей созданное магнитное поле. Устройство предназначено для отклонения ядерной намагниченности путем, путем передачи энергии ядрам атомов в области исследования на рабочей (Ларморовской) частоте магнитно-резонансного (MP) томографа, и регистрации MP сигнала, который является суммарным откликом ядер на внешние воздействия магнитными полями.
Известна приемно-передающая радиочастотная-катушка для магнитно-резонансного томографа (Патент RU 188624 U1, МПК G01R 33/422, дата приоритета 27.12.2019, дата публикации 18.04.2019), состоящая из активного элемента, расположенного внутри пассивного экранирующего элемента, который выполнен в виде металлического цилиндрического экрана с кольцеобразными металлическими дисками на основаниях. Внутренняя поверхность пассивного экранирующего элемента снабжена тонкими металлическими шайбами, а пространство между ними заполнено диэлектриком. Данная реализация позволяет противофазно складывать поля, выходящие за пределы объема катушки, что приводит к увеличению эффективности создания магнитного поля внутри объема катушки, а также к повышению чувствительности катушки в режиме приема. Недостатком данного технического решения является увеличение размера катушки при добавлении экранирующего элемента. Такое техническое решение возможно применять для больших приемо-передающих катушек, встраиваемых в туннель томографа, но нерационально применять в локальных катушках для частей тела, так как данное техническое решение ведет к значительному увеличению массогабаритных характеристик.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является беспроводная радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии (Патент US 9753106 B2, МПК G01R 33/3692, дата приоритета 10.11.2011, дата публикации 5.09.2017), включающая в себя активный элемент, сконфигурированный для создания и регистрации магнитного поля Ларморовской частоты, которое обеспечивает напряжение питания в блоке беспроводной радиочастотной катушки. Беспроводная РЧ-катушка, используемая для передачи, приема или приемно-передачи радиочастотного сигнала, состоит из двух кольцеобразных проводников, электрически соединенных множеством проводников стержневого типа, которые разделены емкостями. Геометрические размеры беспроводной РЧ-катушки и значение емкостей строго заданы и определяют ее рабочую частоту. Емкости могут находиться в проводниках кольцевого типа, как указано в патенте, либо непосредственно в проводниках стержневого типа. Такие конфигурации РЧ-катушки называются катушкой типа птичья клетка. Помимо активного элемента и блока беспроводной РЧ-катушки устройство включает систему контроля, состоящую из переключателя, обеспечивающего наличие или отсутствие связи между активным элементом и блоком беспроводной радиочастотной катушки, датчика, сконфигурированного для обнаружения сигналов, исходящих из пространства, в котором расположен блок беспроводной радиочастотной катушки, и контроллера, сконфигурированного для включения или отключения блока беспроводной радиочастотной катушки путем управления переключателем в соответствии с результатом работы датчика. Существенным недостатком данного технического решения является нестабильность работы устройства, а именно, внесение объекта исследования в беспроводную РЧ-катушку создает дополнительные емкости между проводниками стержневого типа, из-за чего рабочая частота беспроводной РЧ-катушки будет отличаться от необходимой в МРТ Ларморовской частоты. Вследствие этого, устройство в целом будет работать менее эффективно. Другим недостатком данного технического решения является ориентация беспроводной РЧ-катушки: требуется, чтобы она была ориентирована вдоль главной оси туннеля томографа, что не позволяет проводить MP-исследования таких сагиттально направленных частей тела, как молочные железы, мужской половой орган и ступни.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является компенсация нестабильности рабочей частоты беспроводной РЧ-катушки и повышение эффективности ее работы.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в компенсации дополнительного емкостного сопротивления между объектом исследования и проводниками стержневого типа беспроводной РЧ катушки.
Данный технический результат достигается благодаря тому, что беспроводная локальная приемо-передающая катушка для магнитно-резонансной томографии, состоит из активного элемента и беспроводной радиочастотной катушки, которая выполнена в виде двух проводников, электрически соединенных множеством проводников стержневого типа, разделенных емкостями, при этом один из проводников, ориентированный к объекту исследования, выполнен в виде металлического экрана с отверстием, наружная поверхность экрана имеет диэлектрическое покрытие, проводники стержневого типа выполнены с возможностью изменения их длины, а емкости расположены на другом проводнике, который выполнен в виде сплошной проводящей поверхности.
Сущность конструкции предлагаемой полезной модели поясняется фигурами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид одного из вариантов предлагаемого устройства;
фиг. 2. - беспроводная РЧ катушка.
Условные обозначения на фигурах: 1 - беспроводная РЧ катушка, 2 - активный элемент, 3 - схема согласования, 4 - делитель мощности, 5 - проводники стержневого типа переменной длины, 6 - металлический экран, 7 - диэлектрическое покрытие экрана, 8 - металлические сегменты, 9 - диэлектрик, 10 - металлизация. Активный элемент 2, представленный катушкой типа «птичья клетка», соединен с приемно-передающим трактом MP томографа через делитель мощности 4 и схемы согласования 3. Беспроводная РЧ-катушка 1 состоит из двух проводников, один из которых выполнен в виде металлического экрана 6 с отверстием, а другой представлен сплошной металлизацией 10, соединенных проводниками стержневого типа 5, которые находятся в электрическом контакте с металлическим экраном 6 и сегментами 8. Сегменты 8 и металлизация 10 образуют конструктивные емкости (8-10 конденсаторы), заполненные диэлектриком 9.
Устройство работает следующим образом.
В режиме передачи радиочастотный сигнал подается на активный элемент 2 через делитель мощности 4 и схемы согласования 3. Активный элемент 2 создается радиочастотное магнитное поле на рабочей (Ларморовской) частоте, обеспечивающее работу беспроводной РЧ катушки 1, возбуждая ее основную моду (устойчивое в пространстве распределение электромагнитного поля на рабочей частоте), которая характеризуется наиболее однородным магнитным полем. Проводники стержневого типа 5, длина которых определяет индуктивное сопротивление, и конструктивные емкости, состоящие из сегментов 8, диэлектрика 9 и металлизации 10, образуют колебательные контуры. Рабочая частота беспроводной РЧ катушки 1, которая является совокупностью колебательных контуров, изменяется путем изменения длины проводников стержневого типа 5 и должна соответствовать рабочей (Ларморовской) частоте магнитно-резонансного томографа. При внесении объекта исследования в беспроводную РЧ катушку 1 между проводниками стержневого типа 5 возникают дополнительные емкости, которые компенсируются путем изменения длины проводников стержневого типа 5, при этом рабочая частота беспроводной РЧ катушки 1 будет соответствовать Ларморовской частоте. Металлический экран 6 уменьшает дополнительные емкостные сопротивления между объектом исследования вне объема беспроводной РЧ катушки 1 и проводниками стержневого типа 5. Диэлектрическое покрытие 7 металлического экрана 6 необходимо для соблюдения норм безопасности при проведении магнитно-резонансной томографии. Активный элемент 2 создает первичное магнитное поле на рабочей (Ларморовской) частоте, пронизывающее беспроводную РЧ катушку 1. Беспроводная РЧ катушка 1 является резонансной. Это означает, что на определенной (резонансной) частоте ее реактивное сопротивление ровняется нулю, что приводит к созданию, под действием первичного магнитного поля, в проводниках стержневого типа 5 значительных токов, которые создают вторичное магнитное поле внутри беспроводной РЧ катушки 1, амплитуда вторичного поля выше, чем у первичного. Вторичное магнитное поле используется для отклонения ядерной намагниченности в рамках магнитно-резонансной томографии. В режиме приема, вращение ядерной намагниченности индуцирует в беспроводной РЧ катушке 1 токи, которые создают РЧ магнитное поле, регистрируемое активным элементом 2 с большей чувствительностью, чем в отсутствие локализующего элемента. Рост чувствительности приемной катушки 2 приводит к увеличению МР-сигнала.
В качестве примера практической реализации предлагаемого технического решения далее приводятся параметры беспроводной РЧ катушки для MP исследований мужского полового органа в томографах с напряженностью основного магнитного поля 1.5 Тл и соответствующей Ларморовской частотой 63.8 МГц. Резонансная структура состоит из восьми проводников стержневого типа 5 и сегментов 8. Диэлектрик 9 представлен слоем текстолита толщиной 0.508 мм с диэлектрическую проницаемость 3.38.
Геометрические параметры:
Длина проводников 5: Н = 130 мм с возможностью изменения ±30 мм;
Расстояние между соседними проводниками 5: W = 33 мм;
Длина стороны квадратного экрана 6: L = 200 мм;
2
Площадь каждого металлического сегмента 8: S = 380 мм
Таким образом, заявляемая полезная модель может быть использована в качестве эффективного приемо-передающего устройства в магнитно-резонансной томографии таких сагиттально направленных частей тела, как молочные железы, мужской половой орган и ступни.