МАГНИТОРЕЗОНАНСНЫЙ ТОМОГРАФ С ПЕРЕНОСОМ НАМАГНИЧЕННОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к области технических средств визуализации невидимой внутренней структуры исследуемого объекта по результатам специальным образом организованного эксперимента и может быть использована для исследования биологических гетероструктур при неинвазивной медицинской диагностики внутренних органов человека, в экспериментах по физиологии животных и растений.
Известны технические средства аналогичного назначения, использующие различные конструктивные реализации для достижения технического результата, в том числе использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Поскольку в биологических гетероструктурах обязательно присутствует свободная и связанная вода, то сигнал ЯМР биологических гетероструктур представляет собой суперпозицию двух наложенных друг на друга спектральных линий, совмещенных максимумами и имеющих существенно разную ширину. А именно, протоны свободной воды имеют узкую линию, являющуюся информативной, а протоны связанной воды имеют широкую линию, которая снижает контрастность томографического изображения биологической гетероструктуры.
Известны устройства - магнитнорезонансные томографы, предназначенные для неинвазивной медицинской диагностики внутренних органов взрослого человека ("Magnetom Vision" фирмы Siemens Medical Systems, Eriangen; Germany; "Vectra", GEMS, Milwaukee, USA; "Gyroscan", Philips MS, Best, the Netherlands; "Magniscan", Thomson Medical, Lonsen, Belgique; "Электом", ГП НИИЭФА, Санкт-Петербург, Россия), которые с целью повышения чувствительности и спектрального разрешения используют для получения сигналов ЯМР магнитное поле порядка 1-3 Тл, являющееся по принятой в исследованиях по магнитному резонансу терминологии «сильным» и для получения которого служат сверхпроводящие магниты. Частота ЯМР в таких устройствах составляет 40-80 МГц. Такие томографы описаны, например, в: Р.А.Rink. «Magnetic resonance in medicine». Berlin-Vienna: Blackwell Wissenschafts-Verlag, 2001, 245 с.; «Медицинский магнитно-резонансный томограф Magnetom Vision-1,5». Техническое описание. Siemens Medical Systems. Eriangen, Germany, 1999.; «Магнитно-резонансный томограф «ЭЛЕКТОМ». Васильченко И.Н., Гришина Т.Р. // Современные достижения медицинской радиологии: тезисы докл. Научн. конф. ЦНИРРИ. СПб, 1996, с.26). Магнитнорезонансные томографы со сверхпроводящим магнитом содержат собственно магнит (соленоид с дополнительными обмотками, компенсирующими неоднородность магнитного поля); катушки, создающие градиентные импульсные магнитные поля; систему возбуждения тока; криогенную систему, охлаждающую обмотки магнита до температуры 4,2 К или ниже; индукционный датчик ядерного магнитного резонанса; коммутатор; импульсный радиочастотный генератор; приемник; ЭВМ, обеспечивающую управление процессом сканирования интересующей области объекта и выполняющая обработку, преобразование и представление данных в виде магнитнорезонансного изображения. Положительными признаками таких устройств являются высокая чувствительность при исследовании биологических гетероструктур из-за слабого влияния протонов связанной воды на амплитуду сигнала протонов свободной воды, и, следовательно, достигается большая скорость медицинского обследования, а также возможность спектральных исследований и получения информации на ядрах, отличных от ядер водорода.
Недостатками магнитнорезонансных томографов со сверхпроводящим магнитом являются ограничение диагностических возможностей вследствие ослабления релаксационного контраста магнитнорезонансных изображений в сильном магнитном поле, что затрудняет дифференциацию различных видов тканей организма, в особенности здоровых и патологически измененных тканей; ограничение роста чувствительности прибора при увеличении магнитного поля вследствие высокочастотных электрических потерь в тканях организма, а также возможность вредного воздействия на пациента сильного статического магнитного поля и высокочастотного электромагнитного поля, невозможность обследования пациентов с металлическими имплантантами и вживленными электронными устройствами.
Весьма существенным недостатком, препятствующим распространению магнитнорезонансных томографов является крайне высокая их стоимость (миллионы долларов), обусловленная в первую очередь наличием в составе томографа дорогостоящей криогенной системы больших размеров (криокулера), а также усложнением конструкции из-за высоких требований к обеспечению безопасности его эксплуатации (предотвращение квенча). Также велики эксплуатационные затраты за счет постоянного расхода достаточно дорогих хладагентов (жидких гелия и азота). Кроме того, для обслуживания такой системы необходима специальная подготовка персонала. Стоимость эксплуатации таких томографов возрастает также из-за необходимости более длительной подготовки пациента к обследованию (Ерегин В.Е., Зейдлиц В.Н., Колтовой А.В., Кочетовский С.М. «Сравнительный анализ эффективности эксплуатации резистивных и сверхпроводящих магнитнорезонансных томографов». Препринт НИИЭФА П-0956. М.: ЦНИИатоминформ, 1997, 9 с.).
Известны также магнитнорезонансные томографы, которые используют для получения сигналов ЯМР значительно более слабое магнитное поле порядка 0,05-0,25 Тл ("Magnaview", фирма Instrumentarium, Finland; "Торосе", ЗАО ИМТ-Сервис, Москва; серия "Образ", ЗАО НПФ "Аз", Москва), для создания которого служат резистивные магниты с водяным охлаждением (Р.А.Rink. «Magnetic resonance in medicine. Berlin-Vienna»: Blackwell Wissenschafts-Verlag, 2001, 245 с.; Ерегин В.Е., Зейдлиц В.Н., Колтовой А.В., Кочетовский С.М. «Сравнительный анализ эффективности эксплуатации резистивных и сверхпроводящих магнитнорезонансных томографов». Препринт НИИЭФА П-0956. М.: ЦНИИатоминформ, 1997, 9 с.). Частота ЯМР в таких устройствах составляет от 2 до 10 МГц.
Недостатком магнитнорезонансных томографов с резистивными магнитами являются сложность конструкции, которая обусловлена сильным нагревом обмоток магнита, приводящим к необходимости включения в его состав системы охлаждения и термостатирования магнита и источника его питания, а также создающим проблемы нестабильности статического и градиентных магнитных полей. В случае медицинских применений возникает также необходимость в специальном кондиционировании помещения и рабочей области томографа. По этим причинам стоимость прибора и его эксплуатации удается снизить не более, чем в 2-5 раз по сравнению с магнитнорезонансными томографами со сверхпроводящим магнитом.
Известен магнитнорезонансный томограф "Образ-3" (Ерегин В.Е., Зейдлиц В.Н., и др. «Сравнительный анализ эффективности эксплуатации резистивных и сверхпроводящих магнитнорезонансных томографов». Препринт НИИЭФА П-0956. М.: ЦНИИатоминформ, 1997, 9 с.) разработки ЗАО НПФ "Аз", наиболее близкий к предлагаемой полезной модели и принятый в качестве прототипа, который использует для получения сигналов ЯМР на частоте 5 МГц резистивный магнит с водяным охлаждением, создающий магнитное поле около 0,12 Тл. Томограф содержит источник магнитиного поля в виде резистивного магнита, внутри которого находится система катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей и индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса, системы питания резистивного магнита и градиентных катушек, генератор радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса, усилитель и детектор сигнала ядерного магнитного резонанса, контроллер и ЭВМ.
Недостатком известного устройства, как и всех низкопольных магнитнорезонансных томографов является уменьшение контрастности изображения на томограмме из-за снижение чувствительности, т.е. ослабления интенсивности сигнала прецессирующей ядерной намагниченности, главным образом, протонов свободной воды в измеряемом объекте, связанного с понижением уровня рабочего поля и соответствующего уменьшения частоты ЯМР. Частично этот недостаток можно компенсировать увеличением времени обследования, что не всегда приемлемо для обследования живых систем.
Задачей, решаемой в полезной модели, является увеличение сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый томограф, также, как и известный, содержит источник магнитного поля в виде резистивного магнита, внутри которого находится система катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей и индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса, систему питания резистивного магнита и градиентных катушек, генератор радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса, усилитель и детектор сигнала ядерного магнитного резонанса, контроллер и ЭВМ. Предлагаемый томограф отличается от известного тем, что резистивный магнит снабжен дополнительной обмоткой и дополнительно введен источник питания, соединенный с дополнительной обмоткой и коммутатором.
Технический результат - увеличение сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте т.е. увеличение чувствительности, повышение интенсивности сигналов ядерного магнитного резонанса и, следовательно, контрастности томографического изображения, достигается тем, что введение дополнительной катушки и источника ее питания позволяет осуществить сдвиг магнитного поля на величину несколько превышающую полуширину лини ЯМР протонов свободной воды и действие последовательности радиочастотных импульсов на протоны связанной воды приводит к насыщению, а следовательно, и уменьшению сигнала ЯМР этих протонов и усилению сигнала ЯМР протонов свободной воды. При этом достигается контрастность томографического изображения, одного порядка с аналогичным параметрам ЯМР-томографов со сверхпроводящими магнитами при существенно (в десятки раз) меньших энергетических затратах и ценовых характеристиках, благодаря чему обеспечивается расширение использования томографического оборудования в медицинской практике.
Схема магниторезонансного томографа с переносом намагниченности представлена на чертеже.
Выход источника питания магнита 1 подключается к резистивному магниту 2; выход контроллера 3 соединяется цифровой шиной с интерфейсом ЭВМ 4, а аналоговые выходы контроллера соединяются с управляющими входами радиочастотного 5 и управляемого источника питания градиентных катушек 6, выход которого подсоединяется к системе катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей 7; выход радиочастотного генератора 5 подключается к коммутатору 8, с которым соединены датчик сигналов ЯМР 9 и усилитель 10; а выход усилителя 10 соединяется со входом детектора 11, выход которого соединяется со входом контроллера 3, резистивный магнит 2 снабжен дополнотельной обмоткой 12, которая подключена к выходу источника питания 13, вход которого соединен с коммутатором 8.
Работа магниторезонансного томографа с переносом намагниченности осуществляется следующим образом.
Однородное постоянное магнитное поле резистивного магнита 2, который подключен к источнику питания магнита 1, создает в исследуемом объекте ядерную намагниченность. Радиочастотный импульс, вырабатываемый радиочастотным генератором 5, вход которого подключен к соответствующему выходу контроллера 3, по команде последнего, поступает на коммутатор 8. Один из входов коммутатора 8 соединен с выходом радиочастотного генератора 5, а его выход подключен к датчику ЯМР 9 так, что радиочастотный импульс с выхода генератора 5 воздействует на датчик ЯМР 9 и возбуждает в объекте сигнал прецессирующей ядерной намагниченности, После окончания действия радиочастотного импульса по команде контроллера 3 коммутатор 8 включает источник питания 13 дополнительной обмотки 12 и одновременно по команде контроллера 3 коммутатор 8 включает генератор радиочастотных импульсов 5. Один из выходов коммутатора 8 подключен к входу усилителя 8 и соответствующий вход коммутатора 8 соединен с выходом датчика ЯМР 9 и при этом сигнал прецессирующей ядерной намагниченности с датчика ЯМР 9, усиленный за счет переноса намагниченности с ядер свободной воды на ядра связанной воды, поступает на вход усилителя 10 через коммутатор 8, только после окончания действия радиочастотного импульса. Сигнал с датчика ЯМР 9 усиливается усилителем 10, с выхода которого он поступает на детектор 11.
Источник питания градиентных катушек 6, соответствующий вход которого подключен к соответствующему выходу контроллера 3, по команде с ЭВМ 4, подаваемой во время действия радиочастотного импульса и приема сигнала ЯМР через контроллер 3, генерирует в системе градиентных катушек 8 импульсы градиентного магнитного поля, действующие так, что обеспечивает пространственное кодирование сигналов ЯМР.
Сформированный таким образом сигнал ЯМР с детектора 11, выход которого подключен к соответствующему входу контроллер 3, с выхода контроллер 3 поступает в ЭВМ 4, где происходит математическая обработка сигнала с целью реконструкции усиленного с помощью переноса намагниченности ядер магнитнорезонансного изображения (томограммы).
Как видно из описания работы предлагаемого томографа, включение в состав магниторезонансного томографа дополнительной обмотки и источника ее питания приводит к увеличению сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в объекте и, тем самым, достигается увеличение чувствительности, и следовательно, контрастности томографического изображения.