УСТРОЙСТВО МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА Российский патент 1995 года по МПК G01R33/44 

Изобретение относится к интроскопической технике, основанной на ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и может быть использовано в медицине, биологии и физико-химических исследованиях.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 блок-схема ЯМР-датчика и следящей системы.

Устройство магниторезонансного томографа с импульсным магнитным полем (фиг.1) содержит: электромагнит 1 соленоидального типа, имеющий две обмотки: основную обмотку 2 и компенсирующую обмотку 3, внутри электромагнита 1 расположены корректирующие обмотки 4; градиентные обмотки 5, накопительную конденсаторную батарею 6, соединенную с источником 7 зарядного тока, а разряжаемую через основную обмотку 2 электромагнита 1 с помощью разрядного блока 8; ЯМР-датчик 9 магнитного поля с блоком 10 слежения; блок 11 усиления и пропускания сигнала, шунт 12, источник 13 компенсирующего тока; синтезатор 14 частоты, передатчик 15; высокочастотный (в.ч.) коммутатор 17, соединяющий в.ч. контур 18 с передатчиком 15 и в.ч. усилителем (приемником) 16; два аналого-цифровых преобразователя 19, кодирующих ЯМР-сигнал; три градиентных низкочастотных усилителя 20, соединенные с градиентными катушками 5; блок 21 управления, вырабатывающий основные временные последовательности процессов в томографе и связанный с ЭВМ 22, обеспечивающий управление, накопление данных, их обработку, а также визуализацию. ЯМР-датчик 9 (фиг.2) состоит из сосуда 23 с резонирующей жидкостью, обмотки 24 в.ч. резонансного контура, а также обмотки 25 для создания н.ч. модуляции магнитного поля; усилителя 26 в. ч. колебаний, нагрузки 27 в.ч. контура, с которой снимается ЯМР-сигнал, усиливаемый в.ч. усилителем 28 и демодулируемый детектором 29; фазового детектора 30; н.ч. усилителя 31, на вход которого поступают модуляционные колебания от н. ч. генератора 32; интегратора 33, формирователя 34, элемента 34, элемента И 35.

Устройство магниторезонансного томографа с импульсным полем работает следующим образом.

Перед проведением обследования пациента (фиг.1) заряжается накопительная конденсаторная батарея 6 от источника 7 зарядного тока. После достижения рабочего напряжения на конденсаторной батарее и при условии, что пациент готов к экспозиции, через подсистему управления включается тиратрон разрядного блока 8, при этом в основной обмотке электромагнита начинает нарастать ток, а в рабочей области появляется и увеличивается магнитное поле. Форма импульса магнитного поля определяется параметрами основной обмотки соленоида и накопительной емкости. В момент t₁, когда магнитное поле достигает магниторезонансного значения В_о cрабатывает ЯМР-датчик 9 магнитного поля и на его выходе появляется сигнал. Эти сигналом открывается блок 11 пропускания, через который с шунта 12 на источник 13 компенсирующего тока начинает поступать напряжение, имеющее форму импульса тока (и поля) основной обмотки. В результате в компенсирующей обмотке 3 создается поле В_ком в направлении, обратном полю основной обмотки. Схема регулируется так, что эти поля компенсируются и напряженность рабочего поля В_о остается постоянной до момента t₂, после которого источник 13 компенсирующего тока отключается.

Для обеспечения повышенной стабильности магнитного поля В_о между моментами t₁ и t₂ предусмотрен блок 10 слежения, управляемый ЯМР-датчиком, он выдает сигнал ошибки также на источник компенсирующего тока. Более детальное рассмотрение схемы слежения приводится ниже.

За время экспозиции (t₁ t₂) выполняется типичная для ЯМР-томографа операция накопления информации от определенных сечений (слоев) тела пациента. ЭВМ 22 и блок 21 управления вырабатывают "быструю" последовательность импульсов в.ч. и градиентов магнитного поля, которые поступают на передатчик 15, усилители токов градиентных обмоток 20; возникающие в в.ч. контуре 18 ЯМР-сигналы после приемника 16 и кодирования аналого-цифровыми преобразователями 19 передаются в ЭВМ. Заметим, что дальнейшая обработка информации реконструкция изображения выполняется ЭВМ после ее накопления, т.е. вне интервала t₁ t₂.

Длительность рабочего интервала t₁ t₂ определяется временем, необходимым для получения и накопления ЯМР-информации. В современных методах с быстрым формированием изображения с ограниченным углом нутации, на которые в основном рассчитывается устройство, информация накапливается за время, меньшее 2,5 с.

В данном устройстве интервал t₁ t₂ равен длительности уплощенной вершины импульса магнитного поля, которая составляет примерно 1/5 от полупериода Т/2 переходного процесса; компенсируемая величина ΔВ не превышает 5% от амплитуды резонансного значения поля В_о. Поэтому параметры цепи батарея конденсаторов основная обмотка магнита должны обеспечивать импульс тока длительностью Т/2 5 (t₁ t₂) и компенсирующая обмотка должна создавать компенсирующее поле с напряженностью не более 5% от резонансного значения поля В_о. Это означает, что энергия, поступающая от источника управляющего тока сравнительно невелика. Заметим, что индуктивность компенсирующей обмотки должна быть меньше индуктивности основной обмотки для того, чтобы следящая система успевала отрабатывать; это требование нетрудно выполнить.

Распределение витков в компенсирующей обмотке магнита желательно иметь таким же, как в основной обмотке. Это важно для обеспечения высокой однородности поля в большом объеме.

В структурной схеме ЯМР-датчика с элементами следящей схемы (фиг.2) от синтезатора 14 частоты на усилитель 26 в.ч. поступают резонансные в.ч. колебания с частотой f_о. Они усиливаются и подаются на в.ч. обмотку 24 контура ЯМР-датчика 9, внутри которой находится протонный образец сосуд 23 с водой; магнитное поле в.ч. обмотки перпендикулярно полю магнита B_о, совпадающему с осью Z. Поле В_о модулируется низкочастотными колебаниями (5-10 кГц). Для этого имеется модуляционная катушка, в которую поступают низкочастотные колебания от усилителя 31, питаемого от н.ч. генератора 32 модулирующей частоты. Таким образом, на протонный образец датчика воздействует в.ч. поле и модулированное стационарное поле B_o+B_m^Isinω_н, где B_m^I- амплитуда модулирующего поля, которая устанавливается так, чтобы ширина модуляционного окна 2B_m^I была больше допустимой нестабильности поля. Тогда при нарастании импульсного поля магнита на выходе детектора 29, подключенного к в.ч. усилителю 28 будут наблюдаться ЯМР-сигналы. В том случае, когда поле точно соответствует резонансу и равно В_о, ЯМР-сигнал совпадает с фазой модулирующих колебаний ( ϕ= 0). Если же поле меньше или больше В_о, ЯМР-сигнал соответственно отстает или опережает момент, когда ϕ= 0 ЯМР-сигнал с выхода детектора 29 используется для решения двух задач: 1 для определения момента, когда нарастающее магнитное поле достигает значения В_о и 2 для стабилизации значения магнитного поля В_о в интервале измерения t₁ t₂.

Для определения момента, когда нарастающее поле достигает В_о ЯМР-сигнал с детектора 29 поступает на элемент И 35, на второй вход которого приходит также импульс с выхода формирователя 34, подключенного к генератору н.ч. модуляционных колебаний. Этот импульс возникает в момент прохождения модуляционных колебаний через ноль. Поэтому элемент 35 И срабатывает, когда магнитное поле нарастает до значения В_о. Импульс "1" с выхода элемента 35 И открывает блок 11 усиления и пропускания сигнала (фиг.1) с выхода шунта 12, и в компенсирующую обмотку 3 начинает поступать ток от источника 13 управляющего тока.

Для осуществления стабилизации резонансного значения магнитного поля В_о ЯМР-сигнал также с выхода усилителя 29 поступает на фазовый детектор 30, на второй вход которого приходят н.ч. модуляционные колебания от усилителя 31. В результате на выходе подключенного к фазовому детектору интегратора 33 образуется сигнал ошибки ±U_ош, который также поступает на источник 13 управляющего тока 13 (фиг.1). Этим обеспечивается высокая стабильность резонансного значения поля В_о в интервале t₁ t₂.

Использование: в интроскопической технике, основанной на ядерном магнитном резонансе (ЯМР), в медицине, биологии и физико-химических исследованиях. Сущность изобретения: устройство магниторезонансного томографа с импульсным магнитным полем содержит электромагнит 1 соленоидального типа, имеющий две основную 2 и компенсирующую 3 обмотки, внутри электромагнита расположены шиммирующие (корректирующие) обмотки 4, градиентные обмотки 5, батарею конденсаторов 6, соединенную с источником зарядного тока 7 и разряжаемую через основную обмотку 2 электромагнита 1 с помощью разрядного устройства 8, ЯРМ-датчик магнитного поля 9 со схемой слежения 10, схему усиления и пропускания сигнала 11, шунт 12, источник компенсирующего тока 13, синтезатор частоты 14, передатчик 15, высокочастотный коммутатор 17, соединяющий ВЧ-контур 18 с передатчиком 15 и ВЧ-усилителем (приемником) 16, два аналого-цифровых преобразователя 19, кодирующих ЯМР-сигнал, три градиентных низкочастотных усилителя 20, соединенные с градиентными катушками 5, подсистему управления 21, вырабатывающую основные временные последовательности процессов в томографе и связанную с ЭВМ 22, обеспечивающий управление, накопление данных, их обработку, а также визуализацию. Устройство позволяет уменьшить на порядки величины потребляемой средней энергии, повышает удобства пользования устройством в связи с отсутствием в нем сверхпроводящих систем и в то же время обеспечивает высокое быстродействие и качество получаемых томограмм благодаря высокому значению магнитного поля. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФА, содержащее резистивный элкетромагнит, внутри которого расположены основная обмотка, корректирующие обмотки, градиентные обмотки, высокочастотный контур, подключенный высокочастотным коммутатором к передатчику или приемнику, низкочастотные усилители, соединенные с градиентными обмотками и с выходом блока управления, аналого-цифровые преобразователи, входами подключенные к выходам приемника, а выходами к блоку управления, соединенному с ЭВМ и с передатчиком, а также синтезатор частоты и ЯМР-датчик с блоком слежения, отличающееся тем, что в него введены накопительная конденсаторная батарея, источник зарядного тока, управляемый источник компенсирующего тока, блок усиления и пропускания, разрядный блок с шунтом, в резистивный электромагнит введена компенсирующая обмотка, причем источник зарядного тока соединен с конденсаторной батареей, которая соединена с основной обмоткой электромагнита, которая соединена с разрядным блоком, соединенным с блоком управления, шунт через блок усиления и пропускания соединен с управляемым источником компенсирующего тока, который соединен с компенсирующей обмоткой, блок слежения соединен с ЯМР-датчиком магнитного поля, с управляемым источником компенсирующего тока, а также с блоком усиления и пропускания и с синтезатором частоты. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок слежения с ЯМР-датчиком выполнен в виде двух высокочастотных усилителей, нагрузки, высокочастотного контура, демодулирующего детектора, фазового детектора, низкочастотного усилителя, низкочастотного генератора, интегратора, формирователя и элемента И, а ЯМР-датчик содержит сосуд с резонирующей жидкостью, обмотку высокочастотного резонансного контура, обмотку для низкочастотной модуляции, причем ЯМР-датчик соединен с двумя высокочастотными усилителями, один из которых соединен с синтезатором, а второй с высокочастотным детектором, соединенным с фазовым детектором, второй вход которого соединен через низкочастотный усилитель с низкочастотным генератором, выход фазового детектора через интегратор соединен с управляемым источником компенсирующего тока, выход детектора соединен с входом элемента И, второй выход которого соединен через формирователь с выходом генератора низкочастотных колебаний, а выход элемента И соединен с блоком усиления и пропускания.