Магниторезонансный томограф с динамической поляризацией ядер

Магниторезонансный томограф с динамической поляризацией ядер относится к области технических средств визуализации невидимой внутренней структуры исследуемого объекта по результатам специальным образом организованного эксперимента и может быть использована для неинвазивной медицинской диагностики внутренних органов человека, в экспериментах по физиологии животных и растений, для изучения структуры пористых сред и материалов, для получения характеристик движения жидкости в каналах сложной конфигурации. Устройство содержит источник питания 1 магнита 2, систему катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей 8, источник их питания 7, индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса 11, генератор радиочастотных импульсов 5 с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса, усилитель 12 и детектор сигнала ядерного магнитного резонанса 13, контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля 9, генератор высокочастотных импульсов 6 с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, коммутатор 10, контроллер 3 и ЭВМ 4. Техническим результатом является повышение чувствительности и, следовательно, контрастности томографического изображения. Достигнутый технический результат позволяет упростить конструкцию и эксплуатацию томографа, снизить его стоимость и эксплуатационные расходы по сравнению с мировыми и отечественными аналогами, и, таким образом, расширить диапазон применений и доступность магнитнорезонансной томографии в медицинской и научно-производственной практике,

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 неинвазивной медицинской диагностики внутренних органов человека, в экспериментах по физиологии животных и растений, для изучения структуры пористых сред и материалов, для получения характеристик движения жидкости в гидравлических системах и химических реакторах.

Известны технические средства аналогичного назначения, использующие различные конструктивные реализации для достижения технического результата, в том числе использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Известны устройства - магнитнорезонансные томографы, предназначенные для неинвазивной медицинской диагностики внутренних органов взрослого человека (Magnetom Vision фирмы Siemens Medical Systems, Erlangen; 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: P.A.Rink. «Magnetic resonance in medicine». Berlin-Vienna: Blackwell Wissenschafts-Verlag, 2001, 245 c; «Медицинский магнитно-резонансный томограф Magnetom Vision-1,5». Техническое описание. Siemens Medical Systems. Erlangen, 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 K 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 и, следовательно, 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 (P.A.Rink. «Magnetic resonance in medicine. Berlin-Vienna»: Blackwell Wissenschafts-Verlag, 2001, 245 c.; Ерегин В.E., 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, систему питания резистивного градиентных катушек, генератор радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса, усилитель и детектор сигнала ядерного магнитного резонанса, контроллер и ЭВМ. Потребляемая томографом электрическая мощность составляет 55 кВт и расход воды - 40 л/мин, что в условиях постоянного роста цен на электро- и водоснабжение приводит к большим эксплуатационным расходам.

Недостатком известного устройства, как и всех низкопольных магнитнорезонансных томографов является снижение чувствительности, т.е. ослабление интенсивности сигналов ядерного магнитного резонанса, по мере понижения уровня рабочего поля и связанное с этим уменьшение контрастности изображения на томограмме. 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 тем, что внутри системы катушек, создающих градиентные магнитные поля, располагается контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, в зону действия которого помещен датчик ядерного магнитного резонанса, а в схему томографа введен генератор высокочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса.

Технический результат - увеличение чувствительности, т.е. повышение интенсивности сигналов ядерного магнитного резонанса и, следовательно, контрастности томографического изображения. При этом достигается контрастность томографического изображения, соизмеримая с аналогичным параметрам ЯМР-томографов со сверхпроводящими магнитами.

Схема магниторезонансного томографа с динамической поляризацией ядер 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 сверхвысокочастотного 6 генераторов и управляемого источника питания градиентных катушек 7, выход которого подсоединяется к системе катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей 8; выход сверхвысокочастотного 6 генератора подсоединяется к возбуждающему СВЧ-контуру 9; выход радиочастотного генератора 5 подключается к коммутатору 10, с которым соединены датчик сигналов ЯМР 11 и усилитель 12; а выход усилителя 12 соединяется со входом детектора 13, выход которого соединяется со входом контроллера 3.

Работа магниторезонансного томографа с динамической поляризацией ядер осуществляется следующим образом.

Однородное постоянное магнитное поле резистивного магнита 2, который подключен к источнику питания магнита 1, создает в исследуемом объекте ядерную намагниченность. Высокочастотный генератор 6, подключенный к соответствующему выходу контроллера 3 по команде контроллера 3, вход которого соединен с выходом ЭВМ 4 так, что ЭВМ 4 управляет работой контроллера 3, генерирует импульс с высокочастотным заполнением, который возбуждает подключенный к нему контур 9 и создает в исследуемом объекте высокочастотное электромагнитное поле, вызывающее динамическую поляризацию ядер, взаимодействующих с неспаренными электронами. После этого радиочастотный импульс, вырабатываемый радиочастотным генератором 5, вход которого подключен к соответствующему выходу контроллера 3, по команде последнего, поступает на коммутатор 10. Один из входов коммутатора 10 соединен с выходом радиочастотного генератора 5, а его выход подключен к датчику ЯМР 11 так, что радиочастотный импульс с выхода генератора 5 воздействует на датчик ЯМР 11 и возбуждает в объекте сигнал прецессирующей ядерной намагниченности, увеличенный за счет динамической поляризации ядер. Один из выходов коммутатора 10 подключен к входу усилителя 12 и соответствующий вход коммутатора 10 соединен с выходом датчика ЯМР 11 и при этом сигнал прецессирующей ядерной намагниченности с датчика ЯМР 11 поступает на вход усилителя 12 через коммутатор 10, только после окончания действия радиочастотного импульса. Сигнал с датчика ЯМР 11 усиливается усилителем 12, с выхода которого он поступает на детектор 13.

Источник питания градиентных катушек 7, 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 13, 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 динамической поляризации ядер магнитнорезонансного изображения (томограммы).

Как видно из описания работы предлагаемого томографа, включение в состав магниторезонансного томографа генератора высокочастотных импульсов и контура, создающего высокочастотное электромагнитное поле, воздействующее на исследуемый объект, и вызывающее динамическую поляризацию ядер при их взаимодействием с неспаренными электронами, приводит к увеличению сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в объекте и, тем самым, достигается увеличение чувствительности, и следовательно, контрастности томографического изображения.

Магниторезонансный томограф с динамической поляризацией ядер, содержащий источник магнитного поля в виде резистивного магнита, внутри которого находятся система катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей и индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса, система 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, отличающийся тем, что внутри системы катушек, создающих градиентные магнитные поля, располагается контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, в зону действия которого помещен датчик ядерного магнитного резонанса, а в схему томографа введен генератор высокочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса.