Многочастотная приемо-передающая катушка для магнитно-резонансной томографии

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно представляет собой совокупность приемно-передающих антенн со специальным типом настройки рабочей частоты для клинического или доклинического томографа с уровнем постоянного магнитного поля 7 Тесла и выше и предназначена для обеспечения в задачах томографии и спектроскопии возможности передачи радиочастотных импульсов возбуждения ядерного магнитного резонанса и приема радиочастотные сигналы отклика ядер на частотах Ларморовой прецессии набора из трех и более различных ядер.
Известен универсальный многослойный многочастотный РЧ-датчик для МРТ и МРС (Патент US 6081120A, МПК G01R 33/3635, дата приоритета 20.05.1998, дата публикации 27.06.2000), в котором для возбуждения и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса множественных ядер используется конструкция из двух рамочных антенн, выполненных в виде проводящих секций на двух сторонах тонкой печатной платы, набора соединенных с ними фиксированных сосредоточенных емкостей и высокоскоростной схемы коммутации. В этом устройстве наличие схемы коммутации позволяет изменять порядок подключения рамочных антенн, что изменяет индуктивность резонансного контура устройства, а также величину емкости, подключенной к одной или двум рамочным антеннам, что позволяет варьировать емкость резонансного контура. Недостатком данного устройства является в первую очередь использование всех его конструктивных элементов для настройки рабочей частоты датчика на одну Ларморову частоту выбранного ядра. Таким образом, в каждый момент времени данный датчик позволяет возбуждать и регистрировать сигнал ядерного магнитного резонанса одного изотопа. С другой стороны, высокоскоростная коммутация не позволяет провести точную настройку на несколько резонансных частот и независимо контролировать стабильность данной настройки. Другим недостатком является использование в рассматриваемом устройстве дорогостоящих схем высокоскоростной коммутации и понижающей отношение сигнал/шум сосредоточенной емкости. В результате этого на основе данного технического решения невозможно построить приемно-передающее устройство возбуждения и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса двух и более ядер.
13
1
Также известна двухчастотная система РЧ-катушек для МРТ (Патент US 8193811 B2, МПК G01R 33/3415, дата приоритета 29.05.2009, дата публикации 5.06.2012), состоящая из ряда несвязанных составных элементов, где каждый из элементов представляет собой две концентрические рамочные антенны, настроенные каждая на Ларморову частоту ядер определенного типа (например, внешняя антенна - на частоту ядер С, внутренняя - на частоту ядер Н), объединенных в единую структуру схемами развязки и коммутации. Наличие несвязанных конструктивных элементов позволяет построить указанным методом крупногабаритное приемно-передающее устройство для регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса изотопов двух ядер. Недостатком данного устройства является фиксированная настройка рамочных антенн на определенную Ларморову частоту, вследствие чего в отдельно взятом объеме пространства возможна регистрация сигнала ядерного магнитного резонанса только от двух изотопов. При этом, несмотря на возможность использования конструкции, как в качестве приемной, так и в качестве передающей антенны, возможность перестройки рабочей частоты каждого антенного элемента в указанном устройстве не предусмотрена. Другим недостатком является использование в рассматриваемом устройстве дорогостоящих схем коммутации и развязки, рамочных антенн низкой добротности и понижающей отношение сигнал/шум сосредоточенной емкости. В результате этого на основе данного технического решения невозможно построить приемно-передающее устройство возбуждения и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса более чем двух ядер в одной области пространства.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является радиочастотная катушка магнитно-резонансного томографа (Патент RU 183997 U1, МПК А61В 5/055, дата приоритета 13.12.2017, дата публикации 11.10.2018), включающая в себя, по меньшей мере: резонатор радиочастотной катушки, состоящий из системы периодически расположенных немагнитных элементов одинаковой длины и средство связи радиочастотной катушки с приемо-передающим устройством магнитно-резонансного томографа в виде радиочастотных кабелей, при этом периодически расположенные немагнитные элементы выполнены в виде протяженных металлических проводников длиной не более пяти длин волн радиочастотного сигнала в воздухе и диаметром поперечного сечения не менее четырех ширин скин-слоя на Ларморовой частоте магнитно-резонансного томографа и не превышающим расстояние между проводниками, расположенных на нескольких соосных цилиндрических поверхностях на расстоянии не более четверти длины волны радиочастотного сигнала на Ларморовой частоте магнитно-резонансного томографа в воздухе друг от друга, концы соседних проводников с одной стороны соединены друг с другом при помощи системы изолированных металлических дорожек, размещенных как минимум в одном слое печатной платы на изолирующей подложке, при этом с другой стороны концы соседних проводников соединены электрически, а средство связи радиочастотной катушки с приемо-передающим устройством выполнено посредством радиочастотных кабелей через рамочные антенны. Однако, использование в указанном техническом решении постоянной по величине распределенной емкости значительно ограничивает диапазон перестройки рабочей частоты предлагаемого устройства, фиксируя его около двух Ларморовых частот двух заранее выбранных ядер. Таким образом, существенным недостатком указанного решения является невозможность использования устройства подобной конструкции для возбуждения и регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса более чем двух различных ядер.
1
2
13
23
31
1
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является возможность использовать совокупность катушек в качестве приемо-передающего устройства для возбуждения и наблюдения сигнала ядерного магнитного резонанса следующих ядер: Н, Н, С, Na, Р. Для постоянного магнитного поля, например, 11.7 Т это соответствует частоте 500 МГц для ядра Н и диапазону Ларморовых частот от 76 до 203 МГц для остальных ядер.
Технический результат заключается в расширении частотного диапазона перестройки резонатора на основе периодической структуры из ряда металлических проводников, соединенных конструктивными емкостными нагрузками переменной емкости и включении в совокупность приемно-передающих антенн независимой рамочной катушки типа "бабочка" для возбуждения и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса ядер
Сущность заключается в том, что многочастотная приемно-передающая катушка для магнитно-резонансной томографии включает в себя, по меньшей мере, резонатор радиочастотной катушки, состоящий из системы периодически расположенных немагнитных элементов одинаковой длины, радиочастотную питающую рамочную катушку для резонатора из периодически расположенных немагнитных элементов, радиочастотную поверхностную рамочную катушку типа "бабочка" и средство связи радиочастотных катушек с приемо-передающим устройством магнитно-резонансного томографа в виде радиочастотных кабелей, при этом один из структурных элементов распределенной емкости резонатора, состоящий из системы периодически расположенных немагнитных элементов, реализован в виде системы металлических дорожек на изолирующей подложке и он неподвижен, а второй структурный элемент переменной распределенной емкости образован расположенными с обеих сторон от первого структурного элемента металлизированными с одной стороны пластинами из диэлектрика, которые установлены с возможностью перемещения относительно металлических дорожек на изолирующей подложке вдоль главной оси устройства.
!
Данный технический результат достигается с одной стороны тем, что помимо распределенной емкости, реализованной в виде системы металлических дорожек на изолирующей подложке, к которым с обеих своих сторон присоединяются концы проводников, добавляется распределенная емкость, образованная металлизированными с одной стороны пластинами из диэлектрика, расположенными сверху и снизу от подложек с металлическими дорожками. Пластины установлены с возможностью перемещения относительно подложки с металлическими дорожками. С другой стороны, достижению данного результата служит использование для возбуждения и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса ядер Н рамочной катушкой типа "бабочка", создающей радиочастотное переменное поле, перпендикулярное полю катушки для возбуждения и регистрации ядерного магнитного резонанса ядер остальных изотопов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами, где на:
фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства;
фиг. 2 представлена обратная поверхность нижней катушки типа "бабочка".
В состав предлагаемого устройства входят две РЧ-катушки, одна из которых расположена над объектом сканирования, а вторая-под ним, параллельно плоскости, образованной структурой металлических проводников 1. Верхняя катушка представляет собой немагнитный многомодовый резонатор на основе периодической структуры металлических проводников 1 и служащую для его питания рамочную катушку 2. Рамочная катушка 2 установлена над плоскостью, образованной множеством проводников 1, в центральной ее части. Радиочастотный кабель 3 соединяет рамочную катушку 2 с приемо-передающим устройством томографа (на фиг.не показано). Концы проводников 1 с обеих своих сторон присоединяются к распределенной емкости, один из структурных элементов которой реализован в виде системы металлических дорожек на изолирующей подложке 4. Второй структурный элемент переменной распределенной емкости образован металлизированными с одной стороны пластинами из диэлектрика 5, расположенными сверху и снизу от подложек с металлическими дорожками 4.
Нижняя катушка представляет собой рамочную катушку типа "бабочка". Катушка реализована в виде металлических дорожек на пластине из диэлектрика 6 и настраивается на рабочую частоту (Ларморову частоту выбранного ядра) с помощью постоянных и переменных конденсаторов 7. Радиочастотный кабель 8 соединяет рамочную катушку типа "бабочка" с приемо-передающим устройством томографа.
Предлагаемая совокупность приемо-передающих катушек работает следующим образом.
При получении радиочастотного сигнала высокой мощности от передающей системы томографа по радиочастотному кабелю 3, сигнал достигает рамочной катушки 2, которая через, будучи индуктивно связанной со структурой из проводников 1, возбуждает одну из собственных мод периодической структуры из множества проводников 1. Различные собственные моды формируются различным распределением электрических токов, текущих по множеству проводников 1. Вследствие формирования в структуре из проводников распределения токов, соответствующих возбуждаемой моде резонатора в области сканирования непосредственно под множеством проводников 1, где расположен объект сканирования, создается радиочастотное магнитное поле, возбуждающее спины в объекте сканирования. Наиболее эффективной для нужд магнитно-резонансной томографии является первая собственная мода периодической структуры. Она обладает наиболее однородным распределением магнитного поля и максимальной глубиной его проникновения в сканируемый объект. В магнитном поле, создаваемом первой модой периодической структуры в области сканирования, преобладает вертикальная компонента. Для настройки резонатора на рабочую частоту первой моды осуществляется сдвиг пластин 5 вдоль главной оси устройства. При этом изменяется площадь перекрытия пластин 5 и металлических дорожек на изолирующей подложке 4, тем самым, изменяется емкость. Тонкую настройку по частоте можно осуществлять, изменяя индуктивность проводников 1. Для этого они выполнены в виде телескопических немагнитных металлических трубок переменной длины. При передаче радиочастотного сигнала передатчиком томографа по радиочастотному кабелю 8, подсоединенному к металлическим дорожкам на пластине из диэлектрика 6, сигнал достигает рамочной катушки типа "бабочка", и она создает переменное магнитное поле в области сканирования, на частоте, отличной от частоты магнитного поля, создаваемого верхней катушкой 2. В магнитном поле, создаваемом рамочной катушкой типа "бабочка" в области сканирования, преобладает горизонтальная компонента. Настройка рабочей частоты катушки происходит за счет изменения емкости конденсаторов 7. За счет ортогональности распределений магнитного поля в объекте при возбуждении первой собственной моды периодической структуры и катушки типа "бабочка", возможна независимая настройка двух соответствующих резонансных частот на две Ларморовы частоты, определяющиеся типами ядер.
1
В качестве примера практической реализации предлагаемого технического решения далее приводятся геометрические параметры РЧ катушки для МРТ небольших животных в постоянном магнитном поле 11 Тл с частотой Лармора 500 МГц для ядра Н.
Геометрические параметры РЧ катушки:
Длина металлических проводников 1: меняется от 78 мм до 138 мм
Перекрытие системы металлических дорожек на изолирующей подложке 4 металлизированными с одной стороны пластинами из диэлектрика 5: меняется от 3 мм до 33 мм.
Расстояние между рамочной катушкой 2 и плоскостью, образованной множеством проводников 1:10 мм
Расстояние между плоскостью, образованной множеством проводников 1, и пластиной из диэлектрика 6:50 мм.
Количество металлических проводников, образующих периодическую структуру 1:5
В качестве диэлектрика для системы металлических дорожек 4 и металлизированных с одной стороны пластин 5 используется материал марки Arlon AD1000 с диэлектрической проницаемостью 10 и тангенсом угла потерь 0.0023, толщиной 0.508 мм. Пластина с металлическими дорожками 6 реализована в виде печатной платы на подложке марки FR-4 с диэлектрической проницаемостью 4.4, тангенсом угла потерь 0.02, толщиной 1.5 мм.
1
2
13
23
31
1
Таким образом, заявляемая полезная модель может быть использована в качестве приемо-передающего устройства для возбуждения и наблюдения сигнала ядерного магнитного резонанса следующих ядер: Н, Н, С, Na, Р. Для постоянного магнитного поля, например, 11.7 Т это соответствует частоте 500 МГц для ядра H и диапазону Ларморовых частот от 76 до 203 МГц для остальных ядер.