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, импульсный источник питания 14 резистивного магнита 2, 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: Р.А.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 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 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 (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 c; Ерегин В.E., Зейдлиц В.Н. и др. «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.
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", который использует для получения сигналов ЯМР на частоте 5 МГц резистивный магнит с водяным охлаждением, создающий магнитное поле около 0,12 Тл.
Недостатком приведенных 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.
Кроме того, недостатком 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.
Частично проблема повышения чувствительности и соответственно увеличения интенсивности сигнала ядерного магнитного резонанса решена в известном магниторезонансном томографе «Магниторезонансный томограф с динамической поляризацией ядер» (Богачев Ю.В., Драпкин В.З. и др., патент 
105149, опубликованный 10.06.2011 г. в Бюл. 16), являющийся наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятый в качестве прототипа, который использует для получения сигнала ЯМР на частоте 300 кГц резистивный магнит, не требующий водяного охлаждения и создающий магнитное поле 75 мТл. 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, контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, генератор высокочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, коммутатор, контроллер и ЭВМ.
Недостатком известного устройства, как и всех низкопольных магнитнорезонансных томографов является низкий уровень рабочего поля и связанное с этим низкое значение частоты ЯМР приводящее к снижению чувствительности, т.е. ослаблению интенсивности сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте,
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, контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, генератор высокочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, коммутатор, контроллер и ЭВМ. Предлагаемый томограф отличается от известного тем, что дополнительно введен импульсный источник питания, соединенный с резистивным магнитом 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. 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 динамической поляризацией ядер представлена на чертеже.
Выход источника питания магнита 1 подключен к резистивному магниту 2; выход контроллера 3 соединен с цифровой шиной с интерфейсом ЭВМ 4, а аналоговые выходы контроллера 3 соединены с управляющими входами радиочастотного 5 и сверхвысокочастотного 6 генераторов и управляемого источника питания 7, который соединен с системой катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей 8; выход сверхвысокочастотного генератора 6 подсоединен к возбуждающему СВЧ-контуру 9; выход радиочастотного генератора 5 подключен к коммутатору 10, с которым соединены датчик сигналов ЯМР 11 и усилитель 12; а выход усилителя 12 соединен с входом детектора 13, выход которого соединен с входом контроллера, вход импульсного источника питания 14 соединен с одним из выходов коммутатора 10 и выход импульсного источника питания 14 соединен с резистивным магнитного поля 2.
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 окончания действия импульса с высокочастотным заполнением по команде контроллера 3 через коммутатор 10 осуществляется циклирование магнитного поля путем включения импульсного источника питания 14 соединенного с резистивным магнитом. На время действия импульса тока от импульсного источника питания поле создаваемое резистивным магнитом принимает более высокое по сравнению со стационарным значением и на время действия этого импульса создается радиочастотный импульс, вырабатываемый радиочастотным генератором 5 на частоте ЯМР, соответствующей величине магнитного поля, созданной во время действия импульса тока. При этом вход радиочастотного генератора 5 подключен к соответствующему выходу контроллера 3, по команде которого, сигнал с выхода радиочастотного генератора 5 поступает на один из входов коммутатора 10, соединенног 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 и циклирования магнитного поля и соответствующего увеличения частоты ЯМР. 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.
Как видно из описания работы предлагаемого томографа, включение в состав магниторезонансного томографа импульсного источника питания резистивного магнита, вызывает воздействие на исследуемый объект циклируюшего магнитного поля, имеющего существенно более высокое по сравнению со стационарным значение. При этом во время действия циклирующего поля, увеличивается резонансное значение частота радиочастотного импульса ЯМР, что 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 дополнительно введен импульсный источник питания, соединенный с резистивным магнитом и коммутатором.
