Способ селективного возбуждения ядерного магнитного резонанса при томографичекском обследовании Советский патент 1992 года по МПК G01N24/08 

ю

с

Сущность изобретения: при томографическом обследовании на объект воздействуют селективным радиочастотным РЧ-импульсом, представляющим собой последовательность из трех идентичных РЧ-импульсов. При этом знак градиента дополнительного магнитного поля меняют на противоположный от импульса к имИульсу последовательности 7 ил

Изобретение относится к области томографии, основанной на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а именно Ј способу получения изображения объекта, находящегося под действием магнитного поля, и может быть использовано для медицинской диагностики. Известны способы селективного возбуждения ЯМР при томографическом обследовании. Принцип получения ЯМР-изображения состоит в том, что исследуемый биологический объект помещают в постоянное магнитное поле, имеющее только составляющую Bz В0 по оси z декартовой системы координат. При этом магнитные моменты некоторых ядер, например, протонов ориентируются по оси z и прецессируют вокруг этой оси с частотой а)о у Во, где у-гиромагнитное отношение, зависящее только от сорта ядер. Далее воздействуют на объект радиочастотным (РЧ) электромагнитным полем на частоте оь. соответствующей выбранному сорту ядер, магнитная компонента РЧ- поля Bi Bx(t) sln(ttfc t + а), действующая в плоскости х, у взаимодействуют с магнитными моментами ядер и отклоняет их от оси г. Одновременно с РЧ-импульсом на основе магнитное поле накладывают дополнительное магнитное поле с постоянным градиентом Gz, т.е. Вг - Во + Gzz. При этом магнитные моменты ядер отклоняют только в выбранном плоском слое объекта, толщина слоя определяется формой и длительностью РЧ-импульса. а также градиентом Gz. Далее k объекту последовательно прикладывают градиенты основного магнитного поля бхи Gy, которые обеспечивают кодирование величин, связанных с явлением ЯМР, по координатам х, у в плоскости выделенного слоя. Затем сигнал ЯМР регистрируют Указанные действия многократно повторяют при значениях градиентов магнитного

V| 00

ь

со

00 VI

поля, соответствующих получению полного набора данных. Сигналы ЯМР накапливают и после математической обработки получают изображение объекта. При идельном возбуждении плоского слоя все магнитные моменты в слое Izl д z/2 поворачиваются на выбранный угол 0от оси42, а вне слоя z| 5 z/2 отклонения магнитный моментов не происходит, при

этом бЫу - Г Bx(t)dt, где Bx(t) - огибаю/ М. s щая/Р-Ч-им пульса.

Известные способы получения ЯМР- изображения с селективным возбуждением слоя в объекте сохраняют изложенную последовательность действий, а именно: объект помещают в постоянное магнитное поле, имеющее только составляющую Bz B0; воздействуют на объект радиочастотным РЧ-электромагнитным полем на частоте ftfe, соответствующей выбранному сорту ядер; одновременно с РЧ-импуль- сами на основное поле Во накладывают дополнительное магнитное поле с постоянным градиентом GZ; далее к объекту по- следовательно прикладывают градиенты основного магнитного поля Gx и Gy для кодировки величин, связанных с явлением ЯМР по координатам х и у в плоскости выделенного слоя; сигнал ЯМР регистрируют; указанные действия многократно повторяют при значениях градиентов магнитного поля, соответствующих получению полного набора данных; сигналы ЯМР накапливают, а затем реконструируют изображение объекта с последующей его визуализацией.

Основная задача состоит в том, чтобы добиться выделения плоского слоя, близкого по форме к идеальному, что зависит от формы и длительности РЧ-импульса, а также градиента Gz. Например, в известном способе предложен РЧ-импульс, для огибающей которого справедливо соотношение

- Bxfll - sln(atyBg)

Bx(t)

Вх с

atyBS

xexp{-a{atyB°x 2}

где а л/в, а 0, 0, 1, -г t г Вх°-макс. амплитуда огибающей РЧ-импульса, а градиент Gz меняет знак на противоположный после окончания импульса.

На фиг.1 показана форма РЧ-импульса согласно известному способу. Модуляция РЧ-импульса эщму способу дает хорошие результаты для углов отклонения 0 60°, а для углов отклонения в 90° форма выделенного слоя сильно отклоняется от идеальной, причем чем больше, тем больше указанное отклонение.

На фиг.2 приведено распределение

проекции на ось г намагниченности ядер слоя для в - 180°, полученное расчетным путем, кривая 1-форма идеального слоя, кривая 2-форма слоя, выделенного пр известному способу, координата z

нормирована в соответствии с соотношением z z/(Bx°/GJ (2). Заметно Значительное отклонение формы выделенного слоя от идеальной, что ухудшает качество восстановленного изображения.

Согласно другому способу РЧ-импульс формируют в виде последовательности из двух РЧ-импульсов, причем один из импульсов смодулирован согласно соотношению (1) для Bx(t), а другой импульс корректирует

форму возбужденного слоя так, чтобы приблизить ее к идеальной, при этом градиент Gz меняет знак на противоположный после каждого из импульсов последовательности, на фиг.З показана форма РЧ-импульса согласно этому способу.

Распределение намагниченности (в проекции на ось z) ядер слоя, выделенного по такому способу, рассчитанное для в 180° приведено на фиг.2 (кривая 3). Качество выделения слоя по этому способу выше, чем по предыдущему. Но одновременно с улучшением качества слоя возрастает средняя тепловая мощность, выделенная в объекте при циркуляции вихревых электрических токов,

наведенных РЧ-полем, Очевидно, что мощность, выделяемая в теле пациента по сравнению с предыдущим способом больше на величину, определяемую этим корректирующим импульсом. Это существенный недостаток способа, т.к. необходимо учитывать, что джоулево тепловыделение, вызванное вихревыми токами, приводит к повышению температуры тела при томографическом обследовании людей. Из соображений безопасности не допускается повышение средней температуры тела более, чем на 1°, и считается, что это требование будет выполнено, если величина средней тепловой мощности, выделенной в теле (для любой

части тела, превышающей по массе 1 г) не будет превышать 0,4 Вт/кг.

Согласно способу, принятому за прототип, для получения ЯМР-томограммы производят все действия, указанные выше,

бтличия касаются только формы и длительности РЧ-импульса, а также градиента Gz. Предложена форма РЧ-импульса в виде последовательности из двух РЧ-импульсов, в том числе и идентичных. Оба импульса обеспечивают в выбранном слое поворот магнитных моментов ядер на требуемый угол, градиент Gz имеет разный знак, и для углов поворота 0 180° прикладывают третий градиент Gz после второго РЧ-импульса. Моду- ляция РЧ-импульса по способу-прототипу представлена на фиг,4. Качество выделения слоя способом, предложенным в прототипе несколько выше, чем по известному аналЪ- гу, что подтверждается численным модел и- рованием формы выделенного слоя при условии, что 0 180° и оба идентичных РЧ- импульса последовательности смодулированы согласно соотношению (1).

В прототипе и в заявляемом способе используются не дополнительные импульсы к основному РЧ-импульсу, а сам основной импульс представляет композицию из нескольких. При этом каждый импульс композиции отклоняет спины не на полный требуемый угол, а лишь на часть его, и в соответствующей пропорции уменьшается амплитуда РЧ-импульсов композиции по сравнению с одним импульсом. Результаты расчета приведены на фиг.5, где кривая 1- форма выделенного слоя по способу-прототипу, кривая 2-форма выделенного слоя по описанному выше способу. Способ-прототип имеет преимуществе перед предыдущими способами по средней тепловой мощности, выделенной в теле.

Однако, способ-прототип, не решает полностью задачу безопасности томографического обследования людей, т.к. для медицинской диагностики используются томографы с различным значением индукции основного магнитного поля В0. При использовании томографов с индукцией основного поля Во 2,35 Тл значение выделенной средней тепловой мощности может возрасти до Р 2 Вт/кг, что является недопустимой величиной для безопасности пациента. Поэтому поиск способов получения ЯМР-изображения объекта, обеспечивающих допустимое значение выделенной в те- ле средней тепловой мощности, остается актуальным.

Цель изобретения - улучшение кэчествэ выделения плоского слоя и повышение безопасности томографического обследова- ния.

Поставленная цель достигается тем, что объект помещают в постоянное маг- нитное поле, имеющее только составляющую Bz Во, воздействуют на объект селективным РЧ-магнитным импульсом, представляющим собой последовательность из трех идентичных РЧ-импульсов магнитного поля, действующего в плоскости, перпендикулярной направлению основного магнитного поля В0 на резонансной частоте сЛз-уВ0, соответствующей выбранному сорту ядер: одновременно с РЧ-импульсом на основное магнитное поле Во накладывают дополнительное магнитное поле с градиентом Gz, при этом знак градиента Gz меняют на противоположный от импульса к импульсу последовательности; полный угол отклонения магнитных моментов выбранного сорта ядер, в равновесном состоянии ориентированных по направлению основно гО магн йтного , равен в, больший 90°.

Импульсная последовательность, соответствующая предлагаемому способу, изображена на фиг.6.

Для доказательства улучшения качества выделенного слоя предлагаемым способом по сравнению с прототипом проведен расчет, основанный на решении уравнений Блоха, описывающих поведение намагниченности в декартовой системе координата, у, z, вращающейся вокруг оси z с лармори- вой частотой (00 -у В0.

В расчете угол отклонения магнитных моментов ядер от равновесного состояния принят равным 180°, т.к. во-первых, наравне с в 90° это наиболее распространенный в практике ЯМР-томографии угол отклонения, а во-вторых, при в 90° задача выделения слоя, по форме близкого к идеальному, с ростом 0 усложняется.

Результаты расчета показаны на фиг.7, где приведено распределение намагниченности ядер выделенного слоя в проекции на ось z (координата г нормирована), кривая 1-форма слоя, выделенного по способу, принятому за прототип, кривая 2- форма слоя, выделенного предлагаемым способом. Отчетливо видно улучшение качества выделения слоя: форма слоя, выделенного предлагаемым способом, ближе к идеальной.

Сравним по выделенной мощности предлагаемый способ с прототипом и прототип с другим способом.

Средняя мощность РЧ-импульса пропорциональна квадрату его амплитуды и прямо пропорциональна длительности импульса. Для цилиндрического тела средняя мощность определяется по формуле

2pTR

(2)

где MO - частота РЧ импульса; R - радиус тела: а- проводимость1; р- гтлотй ость тела; Вх° - амплитуда РЧ-импульса; г- длительность РЧ-импульса; TR- период следования РЧ-импульСов.

Учтем, что полный угол отклонения спинов связан с Вх° и г соотношением:

(3)

где у- гиромагнитное отношение.

Окончательное выражение (2) перепишется в виде

Р

Q$R2(TBZO

2ypTR

(4)

Таким образом, снижение мощности в прототипе и предлагаемом способе достигается за.счет уменьшения амплитуды РЧ-импульсов, хотя при этом общее время действия импульсов возрастает по сравнению с известным. Из расчета формы выделенного слоя можно определить важную характеристику импульса - безразмерную толщину выделенного слоя дг связанную С реальной толщиной формулой

п° дг-дг (5)

Для 0 180° были получены значения 5zi 1,5-для известного способа; 5z2 3,8- для прототипа;дгз 5,8-для предлагаемого способа. Для корректного сравнения способов будем считать, что выделяются одинаковые по абсолютной толщине слои, т.е. дг Const, Gz Const, # Const, тогда из соотношения (2) при Gz Const получим, используя выражение (4)

Р 1/дг .

(6)

Сравнивая мощности, выделенные при использовании прототипа и известного способа, получимPi б Z2 3.8

р2 $Z1 1.5

2,53,

(7)

Сравнивая мощности, выделенные при использовании предлагаемого способа и 50 прототипа, получим

Р2 б 23 5.8 .

Рз 5z2 3,8 -llW(8)

Таким образом получили, что способ выделения слоя, описанный в прототипе, обеспечивает снижение выделенной средней тепловой мощности в 2,53 раза и более

по сравнению с другими способами. А выделение слоя в соответствии с предлагаемым способом обеспечивает снижение выделенной тепловой мощности в 1,53 раза по сравнению с прототипом.

Величину средней тепловой мощности можно уменьшить и путем промежутков времени между импульсами TR, но это ограничивает пропускные возможности томографа,

Уменьшение времени исследования в предлагаемом способе достигается за счет уменьшения тепловой мощности, рассеянной в теле пациента. При В0 5: 2 Тл

(УО 5:100 МГц) в теле пациента может рассеиваться мощность, превышающая 0,4 Вт/кг, что может заставить увеличить период следования РЧ-иМпульсов TR для снижения Р. Приведем расчет Р по (4, 5) для

следующих типичных параметров: R 0,17 м, а 1,6 (Ом м)1, дг 3 мм, Gz Тл/м. Во 2,35 Тл (ЙА, - 100 МГц), у 4,257 х х Ю7 Гц/Тл.

По выражении (5) для известного способа имеем

Вх°

дг

1 10 5Тл

Примем величину TR 700 мс, характерную для однослойного сканирования. При таких параметрах Р 0,4 Вт/кг, что соответствует пределу допустимой мощности. Для приведенных параметров время, затраченное на получение 1 томограммы с числом элементов 256 х 256 составляет

Т 256 TR Na ,

(6)

где Na - число накоплений томограмм для уменьшения шумов в сигнале, обычно Na лежит в диапазоне от 2 до 16. Для томографов с уровнем поля BQ 2 Тл, Na 4. При таких параметрах Т 12 мин. Для полного обследования пациента необходимо получить от 10 до 20 томограмм, что потребует не менее 2 ч.

Для сокращения времени обследования обычно применяют многослойное сканирование, когда одновременно возбуждают до 10 - 15 слоев. Для нашего случая одновременное возбуждение четырех слоев увеличивает Р до величины 1,6 Вт/кг, Применение предлагаемого способа снижает Р в 4 раза ( 3,9) и позволяет в данном случае в 4 раза сократить время обследования.

Приведенные расчетные данные подтверждают эффект уменьшения времени обследования для ЯМР-томографов с высоким уровнем поля (В0 2 Тл, о, 100 МГц), Для томографов с полем Во 0,5 Тл указанный эффект не проявляется, поскольку Р зависит отйь квадратично, и безопасный предел Р, видимо, не будет превышен ни при каких разумных параметрах обследования.

Для реализации предлагаемого способа объект помещают между полюсами магнита, внутренний размер которого должен быть не менее 600 - 800 мм. Магнитное поле устроено таким образом, что в нем существуют линии равной напряженности В0. Для возбуждения ядер с целью излучения ими сигнала отклика воздействуют-на объект с помощью РЧ-передатчика: катушка передатчика возбуждает в объекте РЧ-электро- магнитные импульсы. Каждый импульс формируют в виде последовательности трех идентичных РЧ-импульсов магнитного по- ля, действующего в плоскости, перпендикулярной направлению основного магнитного поля В0 на резонансном частоте о)о, соответствующей выбранному сорту ядер. Для создания градиентов Gx, Cy, Gz использу- ют градиентную систему, состоящую из трех градиентных катушек, которые независимо управляются ЭВМ и формируют внутри объекта меняющееся в пространстве и времени магнитное поле. Одно- временно с РЧ-импульсом на основное магнитное поле Во накладывают дополнительное магнитное поле с градиентом Gz, при этом знак градиента Gz меняют на противоположный от импульса к импульсу последовательности, далее к объекту последовательно прикладывают градиенты Gx и Gy для кодировки величин, связанных с явлением ЯМР по координатам х и у в плоскости выделенного слоя. С помощью подсистемы сбора данных сигнал ЯМР регистрируют, осуществляют преобразование сигнала ЯМР из аналоговой формы в цифровую, проводят предварительную обработку и передачу данных. Далее, используя ЭВМ, реконструируют изображение, получают ЯМР-томограмму выделенной части объекта.

Экономический эффект достигается при использовании предлагаемого способа получения ЯМР-томограмм на томографах с высоким уровнем основного магнитного поля (В0 S: 2 Тл, (Оо 100 МГц) за счет уменьшения времени исследования пациента и, следовательно, увеличения пропускной способности ЯМР-томографа. Для всех типов томографа эффект от использования предлагаемого,способа проявляется в улучшении качества ЯМР-томограммы, т.е. в повышении качества и надежности медицинской диагностики.

Формула изобретения Способ селективного возбуждения ядерного магнитного резонанса при томографическом обследовании, включающий воздействие постоянного магнитного поля на исследуемый объект, воздействие селективного радиочастотного (РЧ) элект- ромагнитного импульса, состоящего из последовательности РЧ-импульсов, в плоскости, перпендикулярной направлению основного магнитного поля на резонансной частоте, соответствующей выбранному сорту ядер, при этом одновременно с РЧ импульсов на основное магнитное поле накладывают дополнительное магнитное поле с постоянным градиентом, знак которого меняется на противоположный от импульса к импульсу последовательности, о т- личающийся тем, что, с целью улучшения качества выделения плоского слоя объекта и повышения безопасности томографического обследования за счет снижения средней тепловой мощности, поглощенной объектом при выделении плоского слоя, селективный РЧ-импульс формируют в виде последовательности из трех идентичных РЧ-импульсов.

ФИГ Ч

Фиг. 2

Фиг 3

и

м;

о

ч

Фиг 5

(.

Фм/7

О

7