Магниторезонансный томограф с динамической поляризацией ядер

Магнитно-резонансный 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, синхронизатор 14, устройство изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов 15, устройства изменения частоты 16 контура возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, контроллер 3 и ЭВМ 4. Техническим результатом является увеличение чувствительности, т.е. повышение интенсивности сигналов прецессирующей ядерной намагниченности и, следовательно, контрастности томографического изображения.

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, 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 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 (Р.A.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.

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 по совокупности существенных признаков 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, систему питания резистивного 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.

Задачей, решаемой в полезной модели, является создание низкопольного томографа, в котором достигается увеличение в измеряемом объекте сигнала прецессирующей ядерной намагниченности.

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, радиочастотный генератор 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.Но, в отличие от известного, в схему прибора введены устройство изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов, соединенное с высокочастотным генератором импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, устройство изменения частоты высокочастотного контура, соединенное с высокочастотным контуром и синхронизатор, соединенный с указанными устройствами и коммутатором.

Технический результат - увеличение чувствительности, т.е. повышение интенсивности сигналов прецессирующей ядерной намагниченности и, следовательно, контрастности томографического изображения. При этом достигается контрастность томографического изображения одного порядка с аналогичным параметром ЯМР-томографов с высокопольными магнитами при существенно (в десятки раз) меньших энергетических затратах и ценовых характеристиках и, соответственно, широкой доступности использования томографического оборудования в медицинской практике.

Схема магнитно-резонансного 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 высокочастотного 6 генераторов и управляемого источника питания градиентных катушек 7, выход которого подсоединяется к системе катушек для создания импульсных градиентных магнитных полей 8; выход высокочастотного генератора 6 подсоединяется к возбуждающему высокочастотному 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, вход синхронизатора 14 соединен с одним из выходов коммутатора 10 и выходы синхронизатора соединены с входом устройства изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов 15, соединенное с высокочастотным генератором 6 импульсов с частотой заполнения равной частоте электронного парамагнитного резонанса и входом устройства изменения частоты высокочастотного контура 16, соединенное с высокочастотным контуром 9.

Работа магнитно-резонансного 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. По команде с коммутатора 10 синхронизатор 14 через устройство изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов 15 и устройство изменения частоты высокочастотного контура 16 изменяет частоту заполнения высокочастотного генератора 6 импульсов с частотой заполнения равной частоте электронного парамагнитного резонанса и частоту настройки высокочастотного контура 9. Далее процесс формирования сигнала прецессирующей ядерной намагниченности повторяется для установленного нового значения частоты электронного парамагнитного резонанса и соответственно достигается, отличный от предыдущего новый уровень усиления сигнала прецессирующей ядерной намагниченности.

Повторяя, описанный процесс получения сигнала прецессирующей ядерной намагниченности, увеличенного за счет динамической поляризации ядер, на различных частотах электронного парамагнитного резонанса, будет определена частота электронного парамагнитного резонанса при которой достигается наибольшее усиление сигнала прецессирующей ядерной намагниченности за счет динамической поляризации ядер, т.е. максимальное для данного объекта значение сигнала прецессирующей ядерной намагниченности.

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 прецессирующей ядерной намагниченности через контроллер 3, генерирует в системе градиентных катушек 8 импульсы градиентного магнитного поля, действующие так, что обеспечивает пространственное кодирование имеющих максимальное значение сигналов прецессирующей ядерной намагниченности.

Сформированный таким образом имеющий максимальное значение сигнал прецессирующей ядерной намагниченности 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 магнитно-резонансного изображения (томограммы).

Как видно из описания работы предлагаемого томографа, включение в состав магнитно-резонансного томографа устройства изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов равной частоте электронного парамагнитного резонанса, генерируемых высокочастотным генератором импульсов, устройства изменения частоты высокочастотного контура, и синхронизатора приводит к получению имеющего максимальное для данного объекта значение сигнала прецессирующей ядерной намагниченности и, тем самым, достигается увеличение чувствительности, и следовательно, контрастности томографического изображения.

Магнитно-резонансный 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, систему питания резистивного магнита и градиентных катушек, генератор радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса, контур возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, генератор высокочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, усилитель и детектор сигнала ядерного магнитного резонанса, контроллер и ЭВМ, отличающийся тем, что в схему томографа введены устройство изменения частоты заполнения высокочастотных импульсов, соединенное с высокочастотным генератором импульсов с частотой заполнения, равной частоте электронного парамагнитного резонанса, устройство изменения частоты контура возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, соединенное с этим контуром, и синхронизатор, соединенный с указанными устройствами и коммутатором.