نقوم بتفكيك جهاز تصوير الرنين المغناطيسي

تتشابك فيزياء الكم والرياضيات وعلم الأحياء وعلم التجميد والكيمياء والإلكترونيات في نمط واحد يتجسد في الحديد ويظهر العالم الداخلي الحقيقي للشخص ، وحتى لا يقل ، يقرأ أفكاره. لا يمكن مقارنة إلكترونيات هذه الأجهزة ، من حيث الموثوقية والتعقيد ، إلا بالأجهزة الفضائية. هذه المقالة مخصصة لمعدات ومبادئ التصوير بالرنين المغناطيسي.

في مجال التصوير المقطعي الحديث ، يتصدر رواد عالم الإلكترونيات: سيمنز ، جنرال إلكتريك ، فيليبس ، هيتاشي. فقط مثل هذه الشركات الكبيرة يمكنها تحمل تطوير مثل هذه المعدات المتطورة ، والتي تصل تكلفتها عادة إلى عشرات (ما يقرب من مئات) ملايين الروبل. بالطبع ، إصلاح مثل هذه المعدات باهظة الثمن من ممثل رسمي يطير إلى بنس ضخم لمالك الجهاز (وهم ، بالمناسبة ، خاصة في الغالب وليس الدولة). لكن لا تيأس! بالإضافة إلى مراكز الخدمة لإصلاح أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف وآلات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي وأي أجهزة إلكترونية ، هناك شركات تعمل في إصلاح المعدات الطبية. أنا أعمل في إحدى هذه الشركات ، لذا سأريكم الإلكترونيات المثيرة للاهتمام وأحاول وصف وظيفتها بكلمات واضحة.


ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي GE Healthcare مع 1.5 حقل تسلا. يتم فصل الطاولة عن التصوير المقطعي ويمكن استخدامها ككرسي متحرك عادي.

يبدأ كل سحر التصوير بالرنين المغناطيسي بفيزياء الكم ، حيث ينشأ مصطلح "الدوران" ، المطبق على الجسيمات الأولية. يمكنك العثور على مجموعة من التعريفات لما هو الدوران ، مقبول بشكل عام - هذه هي لحظة زخم الجسيم ، مهما كان ذلك. حسب فهمي ، يبدو أن الجسيمات تدور باستمرار (مبسطة) بينما تخلق اضطرابات في المجال المغناطيسي. نظرًا لأن الجسيمات الأولية بدورها تشكل نواة الذرات ، يُعتقد أن دورانها يُضاف معًا وأن النواة لها دورانها الخاص. علاوة على ذلك ، إذا أردنا أن نتفاعل بطريقة أو بأخرى مع نوى الذرات باستخدام المجال المغناطيسي ، فسيكون من المهم جدًا بالنسبة لنا أن تكون نواة النواة غير صفرية. صدفة أم لا ، ولكن العنصر الأكثر شيوعًا في الكون - الهيدروجين له نواة على شكل بروتون واحد ، له دوران يساوي 1/2.


وهذا يعني ، ببساطة ، أن نوى الهيدروجين يمكن اعتبارها مغناطيسًا صغيرًا جدًا له القطب الشمالي والجنوبي. ومن الجدير بالذكر أن ذرات الهيدروجين في جسم الإنسان ليست سوى البحر (حوالي 10 ^ 27) ، ولكن نظرًا لأننا لا نجذب الغدد لأنفسنا ، يصبح من الواضح أن كل هذه "المغناطيسات" الصغيرة متوازنة بينها وبين الجسيمات الأخرى ، والمغناطيسية العامة لحظة الجسم هي صفر عمليا.

رسم توضيحي من كتاب إيفرت بلينك "أساسيات التصوير بالرنين المغناطيسي". تدور البروتونات ذات الأسهم السوداء التي ترمز إلى إبرة البوصلة في اتجاه السهم الأزرق.

من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي ، يمكن إخراج هذا النظام من التوازن ، وستغير البروتونات (ليس كلها بالطبع) اتجاهها المكاني وفقًا لاتجاه خطوط القوة الميدانية.

رسم توضيحي من Lars G. Hanson مقدمة عن الرنين المغناطيسي
تقنيات التصوير. يتم عرض البروتونات في جسم الإنسان كمتجهات سهم. على اليسار هو الوضع عندما تكون جميع البروتونات في حالة توازن مغناطيسي. يمين - عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. تُظهر التصورات السفلية نفس الشيء في إصدار ثلاثي الأبعاد ، إذا قمت ببناء جميع المتجهات من نقطة واحدة. مع كل هذا ، هناك دوران (استباقية) حول خطوط المجال المغناطيسي ، والذي يظهر بسهم أحمر مستدير.

قبل أن توجه البروتونات نفسها وفقًا للحقل الخارجي ، فإنها ستتأرجح (سابقة) لبعض الوقت حول موضع التوازن ، مثل إبرة البوصلة ، التي تتأرجح بالقرب من العلامة الشمالية إذا لم تضيف الشركة المصنعة بحكمة سائل التخميد داخل القرص. يشار إلى أن تردد هذه الاهتزازات يختلف باختلاف الذرات. عند قياس هذا التردد ، على سبيل المثال ، تستند طرق الرنين لتحديد تركيبة مادة الاختبار.


بالنسبة إلى نوى ذرات الهيدروجين في حقل 1 تسلا ، فإن هذا التردد هو 42.58 ميجاهرتز ، حسنًا ، أو بكلمات بسيطة ، تحدث اهتزازات البروتون حول خطوط مجال المجال بهذه الشدة حوالي 42 مليون مرة في الثانية. إذا قمنا بإشعاع البروتونات بموجة راديوية بتردد مناسب ، فسيحدث رنين وستتضخم التذبذبات ، وسيتغير ناقل المغنطة العامة بدرجة معينة بالنسبة لخطوط المجال الخارجي.


رسم توضيحي من Lars G. Hanson مقدمة حول تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي. يظهر كيف يتحول ناقل المغنطة العام بعد التعرض لموجة راديوية بتردد يسبب صدى في النظام. لا تنس أن كل هذا يستمر في الدوران بالنسبة لخط المجال المغناطيسي (في الشكل يقع عموديًا).

هنا يبدأ الجزء الأكثر إثارة للاهتمام - بعد تفاعل الموجة الراديوية مع البروتونات والتضخيم الرناني للتذبذبات ، تميل الجسيمات مرة أخرى إلى حالة توازن ، بينما تنبعث الفوتونات (التي تتكون منها الموجة الراديوية). وهذا ما يسمى بتأثير الرنين المغناطيسي النووي. في الواقع ، يتحول الجسم بأكمله قيد الدراسة إلى مجموعة ضخمة من أجهزة الإرسال الراديوية المصغرة ، وهي الإشارة التي يمكنك من خلالها التقاط صورة لتوزيع ذرات الهيدروجين في مادة ما وتحديد موقعها وإنشائها. لذا ، كما كنت قد خمنت بالفعل ، يظهر التصوير بالرنين المغناطيسي في جوهره صورة لتوزيع المياه في الجسم. كلما زادت قوة المجال ، زاد عدد البروتونات التي يمكن استخدامها لتلقي الإشارات ، لذلك يعتمد دقة الماسح الضوئي مباشرة على ذلك.

يتجلى هذا التأثير ليس فقط في المجالات المغناطيسية القوية - كل يوم ، حتى في الطريق إلى مخزن الخبز ، تتأثر بروتونات أجسامنا بالمجال المغناطيسي للأرض. قام باحثون من سلوفينيا ، على سبيل المثال ، ببناء نظام تصوير بالرنين المغناطيسي تجريبي يستخدم فقط المجال المغناطيسي لكوكبنا.

رسم توضيحي من المقال العلمي "نظام التصوير بالرنين المغناطيسي القائم على
المجال المغناطيسي للأرض »المؤلفون: Ales Mohoric، Gorazd Planins et al. يوضح الصور الملتقطة باستخدام نظام تجريبي. على اليسار تفاحة ، على اليمين برتقالة. من المهم ألا يتم الحصول على الصور ذات الجودة الرديئة ، ولكن الإمكانية الأساسية لاستخدام MR في المجالات الضعيفة.

بالطبع ، في الماسحات الطبية التجارية ، المجال المغناطيسي أعلى عدة مرات من الأرض. في معظم الأحيان ، يتم استخدام الماسحات الضوئية ذات مجال 1 و 1.5 و 3 تسلا ، على الرغم من وجود أضعف (0.2 ، 0.35 تسلا) وحوش شديدة من 7 وحتى 10 تسلا. تُستخدم الأخيرة بشكل أساسي للأنشطة البحثية ، وفي بلدي ، على حد علمي ، لا يوجد.

من الناحية الهيكلية ، يمكن إنشاء المجال في الماسح الضوئي بطرق مختلفة - وهي مغناطيس دائم ومغناطيس كهربائي وموصلات فائقة مغمورة في الهليوم المغلي الذي تتدفق من خلاله تيارات ضخمة. هذه الأخيرة منتشرة على نطاق واسع ، وهي ذات أهمية قصوى ، لأنها تجعل من الممكن تحقيق قوة مجال أكبر بشكل لا يضاهى مقارنة بالخيارات الأخرى.


تصميم نموذجي لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ، المجال الذي يتم إنشاؤه من خلال التيار المتدفق عبر الموصلات الفائقة. المصدر هو الإنترنت.

يتم الحفاظ على درجة حرارة اللفات فائقة التوصيل بفضل التبخر التدريجي للمبرد - الهليوم السائل ، بالإضافة إلى ذلك ، يعمل المبرد البارد في النظام ، والذي يسمى "الرأس البارد" في المصطلحات الطبية. إنه يصدر أصوات تشوه مميزة ، ربما سمعتها إذا رأيت الجهاز بالقرب منك. يتدفق التيار في الموصلات الفائقة باستمرار ، وليس فقط أثناء تشغيل الجهاز ، على التوالي ، هناك دائمًا مجال مغناطيسي. غير مدركين لهذه الحقيقة ، غالبًا ما يصادف صانعو الأفلام (على سبيل المثال ، في الموسم الأخير من سلسلة "Black Mirror" كان هناك خطأ مشابه).

على لوحة التحكم الخاصة بالأجهزة من هذا النوع ، يوجد زر أحمر كبير يسمح لك بإيقاف تشغيل المجال المغناطيسي (مغناطيس Rundown). لا يخلو من سخرية تسمى "زر الفصل".


واحدة من لوحات تحكم التصوير المقطعي سيمنز

يؤدي الضغط على هذا الزر إلى تشغيل سخانات الطوارئ في خزان مزود بغاز التبريد ، مما يرفع درجة حرارة اللفات إلى نقطة حرجة ، وبعد ذلك تسير العملية مثل الانهيار الجليدي: بعد أن تكتسب اللفات مقاومة ، يسخن التيار عبرها على الفور وكل شيء حولها ، مما يؤدي إلى انبعاث الهليوم من خلال أنبوب خاص. تُسمى هذه العملية "إخماد" ، وربما يكون هذا هو الشيء الأكثر حزنًا الذي يمكن أن يحدث للجهاز ، نظرًا لأن استعادته بعد ذلك يستغرق الكثير من الوقت والمال.


التصوير المقطعي سيمنز إسبري ، مع حقل 1.5. تسلا ، انتبه إلى المفاتيح المعدنية التي تقع بهدوء على الطاولة - لم يعد هناك مجال مغناطيسي هنا. تم شراؤها لبعض العيادات الحكومية من سيمنز. لها حجم خزان صغير نسبيًا وقطر فتحة كبيرة. هناك رأي مفاده أن مثل هذا التقصير في التصميم أدى إلى حقيقة أنه يحب وضع الهيليوم في مهب الريح من تلقاء نفسه (على الأقل الجهاز في الصورة يفعل ذلك بشكل منتظم يحسد عليه).

في هذه الأثناء ، وبعد فترة وجيزة ، دعونا نعود إلى النظرية مرة أخرى. إذا تلقيت ببساطة موجات الراديو المنبعثة من بروتونات الجسم استجابة لنبضات الراديو الرنانة ، فلا يمكن بناء الصورة. كيفية توطين إشارة تأتي على الفور من جميع أنحاء الجسم؟ في وقت من الأوقات ، حصل الباحثان بول لوتيربور وبيتر مانسفيلد على جائزة نوبل في الطب لحل هذه المشكلة. باختصار ، حلها هو استخدام ملفات إضافية في الجهاز ، مما يخلق تغيرًا خطيًا تقريبًا في المجال المغناطيسي على طول الاتجاه المحدد - التدرج الميداني. نظرًا لأن فضاءنا يبدو ثلاثي الأبعاد ، يتم استخدام ثلاث لفات - المحاور X و Y و Z.


رسم توضيحي من كتاب إيفرت بلينك "أساسيات التصوير بالرنين المغناطيسي". هذا ما تبدو عليه اللفات المتدرجة الإضافية داخل الجهاز - فاللفائف الحقيقية لها بنية أكثر تعقيدًا بالطبع.

إذا اختلفت شدة المجال المغناطيسي بشكل خطي ، فعندما يتم تنشيط أحد التدرجات ، سيكون للبروتونات على طول هذا الاتجاه ترددات طنين مختلفة.


توضيح من howequipmentworks.com. يتم رسم اللفات المتدرجة (الزرقاء) وملفات الترددات اللاسلكية (الخضراء) بشكل رمزي. يظهر أنه عند إنشاء تدرج حقلي على طول الجدول عند النقطة A ، سيختلف تردد الطنين للبروتونات عن التردد عند النقطة B

يتيح لك استخدام التدرجات معالجة الحقل بحيث تأتي الإشارة فقط من مناطق محددة. بناءً على سعة الإشارة المستقبلة ، يتم تحديد سطوع البكسل في الصورة. كلما زاد تركيز البروتونات في المنطقة ، كانت النتيجة أكثر سطوعًا.

لإنشاء تدرج مجال مغناطيسي ، يجب أن يمر تيار كبير من خلال اللفات المتدرجة ، ويجب أن تكون النبضة قصيرة المدى تمامًا ، مع جبهة شديدة الانحدار ، وفي بعض البرامج ، يكون مطلوبًا على الإطلاق أن يتغير اتجاه التيار في لف التدرج إلى الاتجاه المعاكس لعكس المغنطة. تقوم محولات النبض القوية بذلك ، فهي تشغل رفًا كاملًا في غرفة المعدات.


جهاز مضخمات التدرج Siemens Harmony 1T. الأداء - ما يصل إلى 300 أمبير وحتى 800 فولت ، عند استخدام ست وحدات - تظهر الصورة ثلاث وحدات.

تستخدم أجهزة سيمنز بشكل تقليدي التبريد المائي لمكونات الطاقة - الأنابيب مرئية في الصورة. غالبًا ما يؤدي ذلك (تورية مثيرة للاهتمام) إلى تحية جيدة في أي تسرب. على الرغم من الجودة الألمانية المبهرة ، لم يكلف أحد عناء تثبيت أجهزة استشعار التسرب (في هذا الصدد ، كان يجب أن يتعلموا من GE). ولكن في الإنصاف ، نادرًا ما تتدفق الكتل المتدرجة ، وغالبًا ما تفشل بدون سبب واضح.


الجزء الداخلي من وحدة التدرج من Siemens Harmony هو نوع قديم.

من الصعب إصلاح وحدة مثل تلك الموضحة في الصورة - يتم لصق الترانزستورات على أنبوب نحاسي لشيء مثل اللحام البارد ، وتحرق هناك العشرات في وقت واحد. لإزالة اللوح ، تحتاج إلى لحام عشرات الأرجل في نفس الوقت! من الأفضل أن تنسى هذا الكابوس ، وانظر إلى حل أحدث من مصنع ألماني.


مضخم متدرج من سيمنز هارموني. إصدار أحدث. يتم تثبيت لوحين متناظرين على ترانزستورات تأثير المجال القوية جدًا. تعمل الترانزستورات في مجموعات من ستة متوازيين ، بالطبع لا تحرق أيضًا واحدة في كل مرة. النموذج الموجود في الصورة هو بالفعل "مقطوع" قليلاً ، بدلاً من الموصلات الأصلية بين الألواح ، يتم لحام الألواح النحاسية. انتبه إلى الزاوية العلوية اليمنى من الصورة - هذه هي الكابلات الضوئية التي تمر من خلالها الإشارة لفتح المفاتيح. إذا قمت بخلط اتصالهم - تحترق الوحدة على الفور بصوت مرتفع ، فلا يتم توفير حماية "من الأحمق" في هذه التقنية.

إحدى المشاكل الرئيسية أثناء الإصلاح هي عدم وجود أي وثائق ، خاصة وأن المعدات متخصصة للغاية. لذلك ، في بعض الأحيان يجب عليك ملء الكثير من المخاريط وحرق عدد قليل من المكونات باهظة الثمن من أجل فهم الخطأ. بالطبع ، يمكنك شراء كتيبات الخدمة مقابل المال ، ولكن كقاعدة عامة ، فهي سطحية للغاية. الشركات الرائعة تحافظ على أسرارها آمنة.

كلما كان المجال المغناطيسي أقوى في الجهاز ، يجب أن يكون محولات التدرج أقوى. في الأجهزة ذات مجال 1.5 T و 3 T ، تصبح مجموعة الترانزستورات المتوازية ذات التأثير الميداني التي تحتاج إلى طلب لتوفير الطاقة اللازمة ضخمة جدًا ، وتأتي مجموعات IGBT في حيز التشغيل ، على غرار تلك التي يتم وضعها في محولات التردد الصناعية للتحكم في المحرك.

مضخم متدرج Quantum Cascade في التحليل ، تيار يصل إلى 500 أمبير ، جهد خرج يصل إلى 2000 فولت.يحتوي على 20 مجموعة IGBT قوية. هناك نقطة مثيرة للاهتمام هنا - لن تتحمل الجمعية نفسها 2 كيلو فولت ، ويتم الحصول على هذا الجهد باستخدام خمسة مصادر مستقلة لكل منها 400 فولت. حلمي هو تجميع ملف تسلا من هذه الوحدة.

ما الذي يحدث مع اللفات المتدرجة عندما تتدفق هذه التيارات الوحشية من خلالها ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أنها أيضًا في مجال مغناطيسي ضعيف؟ إن قوة Ampere ، بالطبع ، تتسبب في تشوهها ، لكنها غارقة بشدة بالراتنج إلى المستحيل. ومع ذلك ، حتى هذا لا يوفر - نظرًا لأن التدرجات تعمل في نطاق ترددات الصوت ، يمكن أن تؤدي الاهتزازات الناتجة عن ذلك إلى أصوات صاخبة جدًا ، في حجم يشبه ضربة مطرقة على مسمار (مع التحذير الذي سمعته عن حوالي 5000 ضربة في الثانية). لذلك ، في أي جهاز للتصوير بالرنين المغناطيسي تقريبًا ، توجد سماعات رأس أو سدادات أذن. تراقب البرامج والأجهزة باستمرار مستوى الصوت في غرفة الماسح الضوئي بحيث لا تتجاوز الديسيبل الحدود المقبولة. المجال المغناطيسي الذي يتغير بسرعة أثناء تشغيل التدرجات ، إلى جانب نبضات التردد الراديوي المولدة بالرنين ، يدفع تيارات دوامة في أي سطح معدني بالقرب من الماسح الضوئي ، مما يؤدي إلى اهتزاز معدني وتسخين طفيف ، وستظهر القطع الأثرية المميزة في الصور حتى من ختم معدني صغير. ولهذا السبب ، قبل الفحص في التصوير بالرنين المغناطيسي ، يحتاجون إلى التخلص من جميع المعادن (لا يلزم إزالة الأختام).

تعد وحدة المزج (في أجهزة Siemens) أو المثير (في حالة أجهزة GE) مسؤولة عن إنشاء نبضات تردد الراديو للتردد المطلوب. على الرغم من الأسماء المختلفة ، فإن وظائفها هي نفسها تقريبًا. هذه الوحدات موثوقة بشكل عام ونادرًا ما تتطلب الإصلاح إذا تم التعامل معها بعناية. يتم تشكيل الإشارة عن طريق التوليف الرقمي إلى التناظري ، وهي وظيفة صادقة.


يظهر نوعان من نبضات التردد الراديوي على اليسار - Gaussian و sinc ، والمعروف أيضًا باسم الجيب الأساسي. يظهر الجانب الأيمن ملف الإثارة عند استخدامه كإشارة مثيرة للترددات اللاسلكية - أي شكل المنطقة حيث تدخل البروتونات في الرنين يظهر تقريبًا في عرض جانبي. بالطبع ، الإصدار الأقل هو الأفضل لإنشاء صور (شرائح) ، خاصة عندما تكون قريبة من بعضها البعض من أجل تقليل تأثير الإشارات خارج منطقة المسح المحددة.

أخيرًا ، توصلنا ، دون مبالغة ، إلى الكتلة الأكثر إثارة للاهتمام في رأيي في التصوير المقطعي بأكمله - مضخم طاقة التردد اللاسلكي ، الذي يحول إشارة ضعيفة من جهاز توليف إلى إشارة قوية يتم تغذيتها إلى هوائي إرسال في الجهاز.


1 10, 1.5 15 , . , . — .
, , , .

General Electric Hitachi , Analogic. , — , , , , .


GE. !


, Siemens. , , Buz103. , , «Dora» 177 , , , , , .


Siemens 10. : , , 10- , .

. Siemens , , . , , , .


— , — . — . , — , , .

, , ? , Siemens, Philips 3 . , , -, . , Philips, . :


— Philips Panorama. , . . 1 , . , , .

, , () . , . , .

, , , . (Body coil), . , (coils) — , , , ... . , .


. , , — . — , «»


. . ? , , , , , .


. , , .

, . , - , . . , . , .

, . . — , . , , - .