УСТРОЙСТВО ЯМР-ДИАГНОСТИКИ

1
Полезная модель относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности путем определения времени спин-решеточной (продольной) релаксации T в крови с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее монокулярную трубу, строго фиксированной длины 330 нм, в которой расположены источники спектрального излучения, выполненные в виде светодиодов АЛ 360 красного и желтого цвета. Патент Российской Федерации №2023270, МПК: G 01 N 33/66, 1994г.
На глаз пациента с нормальным цветовосприятием воздействуют фиксированной пиковой яркостью импульсов желтого и красного цветов, определяют критическую частоту слияния мельканий, а затем рассчитывают искомую концентрацию. Устройство дает возможность определить отклонение содержания глюкозы в крови по величине производной.
Применение устройства ограничено при нарушении цветовосприятия, при миопии и гиперметропии, когда глаз перестает быть оптическим прибором.
Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик и анализатор, датчик выполнен в виде высокочастотного генератора, анализатор в виде измерительного моста и чувствительный индуктивный элемент, включенный в диагональ моста.
Измерения и анализ проводят с использованием высокочастотных колебаний, посредством воздействия пальца руки на
чувствительный индуктивный элемент анализатора. Патент Российской Федерации №2088927, МПК: G 01 N 33/49, 1997г.
В данном устройстве палец человека является сердечником, изменяющим индуктивность чувствительного элемента анализатора.
Эти изменения зависят от размеров пальца, от поверхности кожного покрова, которая может быть и мягкой, и грубой, что привносит существенные изменения в индуктивность.
Известно устройство ЯМР - диагностики для определения содержания сахара в крови человека, содержащее анализатор на основе ЯМР - спектрометра, генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор синусоидальных колебаний для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком ЯМР, микропроцессор, блок программного управления. Патент Российской Федерации на полезную модель №33235, МПК: G 01 N 33/49, А 61 В 5/00, 2003г. Прототип.
Аналоги не обладают высокой точностью оценки содержания глюкозы в крови, а прототип дает возможность определить только содержание сахара в крови.
Полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность неинвазивной диагностики для любых (в том числе инфицированных) пациентов, повышение точности и сокращение времени измерений, расширение функциональных возможностей прибора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве ЯМР -диагностики, содержащем генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор импульсов низкочастотной модуляции с катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, датчик
ЯМР для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, магнит и компьютер, в качестве генератора изменения магнитного поля установлен генератор прямоугольных импульсов, а магнит выполнен с неоднородным магнитным полем в соответствии с условием:
-4
-1
0
0
0
р
p
2·10<δH/H<10, Н=Н, H=f/γ, где:
0
δН - неоднородность магнитного поля,
0
Н - напряженность постоянного магнитного поля,
f - частота высокочастотного генератора,
γ - гиромагнитное отношение (для ядер водорода γ=42,58 МГц/Тл),
р
1
Н - резонансное значение магнитного поля. Сущность полезной модели поясняется на фиг.1-3. На фиг.1 схематично представлена блок-схема измерений, где введены обозначения: 1 - исследуемый образец, в частности палец, 2 - катушка-датчик, 3 - генератор высокочастотных колебаний, 4 - генератор звуковой частоты, 5 - катушки модуляции магнитного поля, 6 - катушки для создания импульса магнитного поля, 7 - генератор прямоугольных импульсов, 8 - амплитудный детектор, 9 - предварительный усилитель, 10 - резонансный усилитель, 11 -компьютер, 12 - магнит. На фиг.2 представлена диаграмма для определения времени релаксации t для цельной крови. На фиг.3 представлена диаграмма следования полученных импульсов для определения ритмов сердца.
1
Основой определения содержания сахара в крови человека, включающий измерения на основе ЯМР-диагностики времени релаксации T, является прямая зависимость этого времени от концентрации глюкозы в крови.
Палец руки человека представляет собой идеальный объект для измерений. В пальцах имеется множество капилляров, в которых
1
1
1
скорость движения крови небольшая 0,5-1,2 мм/с, это сводит к минимуму влияние артефактов от движения. Отношение объема, занимаемого межклеточной жидкостью, кровью и мышечной тканью, к объему, занимаемому костной тканью достаточно большое. Это позволяет получать амплитуды сигналов ЯМР от жидкостной компоненты пальца достаточные для дальнейшего усиления и обработки. Состав межклеточной жидкости и крови по отношению к глюкозе совершенно идентичен. От костной ткани сигнал ЯМР не возникает, поскольку в ней нет свободных протонов. Для мышечной ткани время релаксации t около 0,05 сек, и изменения количества этой ткани, которые могут быть у разных людей, не вносят заметных изменений в величину времени релаксации t. Таким образом, при регистрации сигнала от пальца, фактически измеряется сигнал от крови и межклеточной жидкости, а поскольку они по отношению к глюкозе идентичны по своему составу, то поведение времени релаксации T непосредственно связано с концентрацией глюкозы в крови человека. Палец выполняет функцию сосуда, не влияющего на измерения диагностических параметров.
-2
Устройство работает следующим образом. Палец пациента 1 размещают в цилиндрической катушке-датчике 2, расположенной в неоднородном (~10) магнитном поле, направление которого перпендикулярно к оси катушки. Разброс неоднородности магнитного поля обусловлен границами возможности измерений, чувствительности и точности измерений.
Катушка-датчик 2 является задающим контуром генератора высокой частоты 3. Этот генератор малых колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью, благодаря которой поддерживается непрерывная генерация.
Схема чувствительна к небольшим изменениям добротности контура. Магнитное поле модулируют с помощью генератора звуковой частоты 4 и соответствующих катушек 5, размещенных в магните (в экспериментальной установке эта частота равна 5000Гц). Напряженность неоднородного рабочего магнитного поля обычно меньше резонансного значения. Напряженность магнитного поля может быть и больше резонансного значения это зависит от знака магнитного поля, создаваемого импульсным генератором или условиями подключения катушек 6 к генератору импульсов тока 7.
В общем случае резонанс достигается при изменении напряженности магнитного поля путем подачи импульса тока на катушки 6 от генератора импульсов тока 7.
р
р
Резонансные условия определяются формулой f=γ·Н, где f -частота высокочастотного генератора, Н - напряженность резонансного магнитного поля, γ - гиромагнитное отношение (для протонов γ=42,58 МГц/Тл).
На катушки 6, расположенные в электромагните или в постоянном магните 12 от генератора импульсов 7 подают прямоугольный импульс тока, чтобы возникающее в катушках 6 магнитное поле сложилось с постоянным полем магнита 12 и заведомо превысило бы резонансное значение Нр.
0
0
-1
Передний фронт этого импульса должен быть значительно меньше, чем время (γ·δН), где δН - неоднородность магнитного поля. Напряженность создаваемого поля в катушках 6 зависит от того, насколько мы отстоим от резонанса. Время прохождения через резонанс определено фронтом импульса, поэтому фронт импульса должен быть по возможности меньше и не превышать время
релаксации. В нашем случае фронт импульса составил около 1 млсек.
В момент наступления ядерного магнитного резонанса изменяется добротность катушки и происходит модуляция высокочастотного поля по амплитуде. Сигнал поступает с контура генератора высокой частоты 3 на амплитудный детектор 8, где преобразуется в низкочастотный сигнал переменного тока - сигнал ЯМР, который представляет собой один импульс или череду импульсов.
1
1
Если необходимо измерить время релаксации T, то амплитуду импульса выбирают такой, чтобы создаваемое соответствующими катушками магнитное поле было больше, чем резонансное значение. Если же необходимо измерить ритмы работы сердца, то амплитуду импульса генератора 7 выбирают такой, чтобы результативное (суммарное) поле соответствовало резонансному значению в пределах указанной выше неоднородности. Длительность импульса выбирают исходя из соображения экономии времени. Для измерения времени релаксации t достаточным является условие, при котором длительность импульса равна удвоенному времени релаксации. При измерении ритмов работы сердца длительность импульса выбирают с учетом возможного проведения статистического анализа погрешности измерений. Опыт показал, 10-15 сек вполне достаточно, для такого анализа.
1
Сигнал ЯМР, если это необходимо, подают на предварительный усилитель 9 и узкополосный усилитель 10, настроенный на звуковую частоту (в нашем случае такая частота 5000 Гц). Затем сигнал передают в компьютер 11. Компьютер 11 обрабатывает полученные сигналы, и выдает результат в виде показателя степени экспоненты, характеризующей время релаксации t сравнивает с
градуировочными (эталонными) измерениями или выдает параметры, характеризующие ритмы работы сердца.
С помощью устройства, представленного на фиг.1, обеспечивается высокая чувствительность. От импульсного генератора 7 на катушки 6 подали импульс тока с длительностью больше секунды (для измерения времени релаксации длительность импульса должна быть в 4-5 раз больше, чем время релаксации). В данном случае длительность импульса тока составила 5 сек. Одиночный импульс (фиг.4), характеризует время релаксации крови человека. Группа импульсов (фиг.5) демонстрирует ритмы работы сердца. Из этой диаграммы следует, что период деятельности сердца равен около 0,9 сек. Расстояние между импульсами 0,2 сек, а время релаксации в крови составило 0,48 сек.