التصوير بالرنين المغناطيسي المتعدد النواة

سأتحدث عن التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي متعدد النواة - وهو واحد من العديد من مجالات تطور التصوير بالرنين المغناطيسي. سأتطرق إلى ميزات الطريقة والحلول التقنية اللازمة والتطبيق والآفاق.

لتبدأ ، رحلة صغيرة في أساسيات التصوير بالرنين المغناطيسي.

أساسيات التصوير بالرنين المغناطيسي

يمكن وصف عملية التصوير بالرنين المغناطيسي في الخطوات التالية:

1. يتم وضع الكائن قيد الدراسة في حقل مغناطيسي ثابت كبير ، كقاعدة عامة ، المغناطيس الرئيسي الموصل. يشار إلى قوة المجال من هذا المغناطيس من قبل $$$B_0 دولا$ ويتم الإشارة إلى المحور الذي يتم توجيهه من خلاله بواسطة المحور Z. المجال $$$B_0 دولا$ يحدد عدد Tesla هذا الماسح الضوئي بالرنين المغناطيسي لديه. تستخدم العيادات التصوير المقطعي بالأشعة 1.5 طن و 3 طن. تم العثور على التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي مع الحقول عالية جدا - 7 T ، 9.4 T ، فقط في معاهد البحوث.
2. نواة بعض العناصر الكيميائية لها لحظة مغناطيسية غير صفرية. يتم تحديد وجود لحظة مغناطيسية في النواة بواسطة الخاصية الكمومية الملازمة للجسيمات - الدوران . تحت تأثير المجال $$$B_0 دولا$ يتم توجيه اللحظات المغناطيسية للنواة بشكل متواز (أكثر) ومضاد (أصغر) لخطوط القوة. معا ، هذه النوى تعطي الكائن جذب مغنطيسي في الاتجاه على طول المحور Z.
   
   
   
   
   

   بالإضافة إلى ذلك ، النوى precess . حتى الآن ، لا يؤثر التقدم في المغنطة العامة ، لأنه يتم توزيع مراحل كل النواة بشكل عشوائي ومكونات لحظاتها المغناطيسية متعامدة على المحور Z تلغي بعضها بعضًا. تردد Precession - تردد Larmor ، يعتمد فقط على المجال المغناطيسي $$$B_0 دولا$ وخصائص الأساسية - نسبة المغناطيسية لها.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma ،$$
   اين $$$\ omega_0$ - التردد الزاوي للجرح للامتداد النووي ، [rad / s] ؛
   $$$B_0 دولا$ - شدة المجال المغناطيسي ، [T] ؛
   $$$\ gamma$ - نسبة المغناطيسية الجوهرية للنواة ، [rad / (T $$$\ cdot$ ج)].
   يتم تعريف نسبة الجيروسكوبية $$$\ gamma = \ mu / h$ اين $$$\ mu$ - لحظة مغناطيسية جوهرية للذرة ، [أ $$$\ cdot$ م $$$^ 2$ ] $$$ح$ - بلانك ثابت ، $$$h = 6،626،070،040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$ ج $$$\ cdot$ ق
   
   

   اليوم ، تعتمد التصوير المقطعي الطبي على العمل مع ذرات الهيدروجين ، التي يكون جوهرها بروتون عادي. نواة العناصر الكيميائية المختلفة في نفس المجال سوف تسبق بترددات مختلفة. بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي متعدد النواة ، تعد الذرات مثيرة للاهتمام $$$^ {23} Na$ ، $$$^ {31} P$ ، $$$^ {13} C$ ، $$$^ {19} F$ ، $$$^ {17} O$ ، $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   ترددات الضار لبعض الذرات ، ميغاهيرتز

   ذرة	مغنطيسي نسبة ، ميغاهيرتز / t	شدة المجال $$$B_0 دولا$ ت
   		1،5	3	7	9،4
   $$$^ {1} H$	42.58	63.87	127.73	298.04	400.22
   $$$^ {23} Na$	11.26	16.89	33.79	78.83	105.86
   $$$^ {31} P$	17.24	25.85	51.71	120.65	162.01
   $$$^ {13} C$	10.71	16.06	32.13	74.96	100.66
   $$$^ {19} F$	40.05	60.08	120.16	280.36	376.49
   $$$^ {17} O$	-7.77	-6.66	-17.32	-40.40	-54.26

   
   

   من هذه البيانات ، يمكن للمرء أن يفهم المشاكل المحتملة للتصوير بالرنين المغناطيسي متعدد النواة. تختلف ترددات الذرات الأخرى اختلافًا كبيرًا عن تردد الهيدروجين ، وهذا يتطلب تزويد جهاز التصوير المقطعي بمجموعة ثانية من الإلكترونيات للعمل مع إشارة RF. من ناحية أخرى ، فإن تواتر الفلور -19 ، على العكس من ذلك ، يقترب من وتيرة الهيدروجين ، وبالتالي تنشأ صعوبات مع تمايز إشاراتهم. لحل هذه المشكلة ، يمكنك استخدام حقول فائقة الارتفاع تصبح فيها خطوة أخذ العينات في التردد أضيق. يمكن أن تكون النسبة المغناطيسية المغناطيسية سالبة ، كما في الأكسجين 17. سوف نواة في نفس المجال precess في الاتجاه المعاكس مقارنة بالآخرين. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار في الخطوة التالية - إثارة النوى.

3. يخلق ملف الترددات الراديوية (هوائي) دفعة المجال المغناطيسي $$$B_1$ الدورية في الطائرة XOY. هنا تحدث ظاهرة الرنين ، إذا تزامن تردد دوران الحقل مع تردد Larmor ، ثم تدور النوى إلى مستوى XOY وتزامن مراحل الدوران. إذا كانت مدة نبضة التردد الراديوي بحيث يتم إعادة توجيه اللحظات المغناطيسية لمعظم النوى إلى المستوى XOY ، فإن النبضة تسمى 90 درجة . بعد نبضة 90 درجة ، يدور المغنطيسية للعنصر في المستوى XOY بتردد يساوي تردد Larmor للنواة.
   

   
   

   في لفائف الترددات اللاسلكية المستقبِلة ، يُحدث مغنطة الدوران هذه جهدًا - إشارة (انحطاط) لتحريض حر . الركود ، لأن الاسترخاء من هذه الحالة يحدث ، وهذا هو فقدان المغناطيسية خاصة. يحدث الاسترخاء بطريقتين. الاسترخاء عبر ، مع مرور الوقت المستمر $$$T_2 دولا$ يرتبط بفقد التزامن لمراحل دوران الذرات. الاسترخاء الطولي ، مع مرور الوقت المستمر $$$T_1$ يرتبط بعودة اتجاه اللحظات المغناطيسية للنواة على طول الحقل $$$B_0 دولا$ .
   

   
   
   
   
   

   بشكل عام ، للحصول على بعض المعلومات حول الكائن ، هذا يكفي. سوف تحتوي الإشارة على معلومات متكاملة متوسطة حول نوى الأشياء هذه. على سبيل المثال ، يمكن ملاحظة التحولات الكيميائية في طيف التردد للإشارة - التغيرات في تردد Larmor بسبب تفاعل الذرات في مركب كيميائي. هذا هو أساس التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي ، وهي طريقة يستخدمها الكيميائيون في تحليل التركيب الكيميائي لجسم ما.
   

   
   

   في هذا المنشور ، سأتحدث أكثر قليلاً عن ملفات RF وميزاتها في التصوير بالرنين المغناطيسي متعدد النواة.
   

تصاميم لفائف الترددات اللاسلكية

تُكلف ملفات الإرسال (Tx) RF بإرسال نبضة ذات تردد معين بشكل فعال وإنشاء مجال مغناطيسي موحد متعامد على المحور Z. ومن المثير للاهتمام أن فقدان نبضة التردد الراديوي في النظام يعد هائلاً. من عدة كيلووات التي تم إنشاؤها بواسطة مكبرات الصوت ، تصل عشرات الواط فقط إلى الملفات. لذلك ، تصنع لفائف RF صدى كهربائيا على تردد معين. يفرض تصميم لفائف RF أيضًا قيودًا وتشريحًا. في دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي ، غالبًا ما يتم اعتبار جزء فقط من الجسم - الرأس والصدر والركبة ، إلخ. عادةً ما يتم تضمين ملف الإرسال الخاص بدراسة الجسم كله في رسم مقطعي نفسه ، ولتمثيل الأجزاء الفردية من الجسم بواسطة وحدات منفصلة.

سيمنز RF رئيس لفائف

سأقدم بعض الأمثلة على تصاميم الملف.

1. لفائف في شكل ملف لولبي.

   
   
   
   
   

   طريقة بسيطة لإنشاء حقل موحد داخل اللفات الملف اللولبي. قد يبدو أن الحقول في مثل هذا الملف لا يمكن أن يكون بالتناوب. لكن الأمر يستحق أن نتذكر أن المتجه $$$B_1$ يمكن تغيير التغير وفقًا لقانون الجيوب الأنفية على أنه مجموع مكونين يدوران في اتجاهين متعاكسين.
   

   
   

2. لفائف السرج

   
   
   
   
   

3. قفص العصافير بكرة

   
   
   
   
   

   على اليسار يوجد "قفص الطيور" من النوع السفلي للترددات ، على اليمين - العلوي.

   
   

   خيار متقدم. قد يكون في شكل ترددات منخفضة أو ترددات عالية. بفضل إعداد العناصر - قيم السعة والحث الناتجة عن طول الساق (نادرًا) ، يكون لتيار التردد المطلوب توزيع زاوية جيبية تقريبًا ويخلق مجالًا موحدًا. إذا تم تطبيق إشارة التربيع لذلك ، ثم الحقل $$$B_1$ سيكون الدورية بحتة.

   
   

4. لفائف متعددة

   
   
   
   
   

   لفائف الرأس تتكون من هوائيات ثنائية القطب مختصرة وحلقات مستطيلة.

   
   

   وهي مبنية من عدة هوائيات أبسط مرتبة في دائرة. يمكن أن تكون العناصر عبارة عن هوائيات ثنائية القطب ، هوائيات حلقة ، هوائيات microstrip ، وما إلى ذلك. هنا يمكنك أن ترى كيف يؤثر التشريح على التصميم. على سبيل المثال ، يبلغ طول موجة إشعاع تردد Larmor لبروتون عند 7 T 1 متر ، ويجب أن يكون هوائي ثنائي القطب عادي نصف طول موجة الإشعاع المكتشف. من غير العملي عمل ملف طويل لفحص الرأس ، لذلك يتم تقصير هوائي ثنائي القطب بإضافة محاثات إلى كتفيه.
   

   
   

يمكن أيضًا تحقيق وظيفة ملفات الاستقبال على ملفات الإرسال ، بعد استلام ملف استقبال الإرسال (TxRx). يجب أن تكون ملفات الاستقبال المحضة (Rx) رنانة أيضًا ، لكن متطلبات التصميم مختلفة بعض الشيء. يمكن صنعها في شكل شعرية من هوائيات حلقة مسطحة. لذلك فهي تقع مباشرة على سطح الجسم ، مما يقلل من فقدان الإشارة المستلمة.

سيمنز لفائف سطح الاستقبال

يتم الضبط الدقيق لتردد الملفات عن طريق تغيير سعة المكثفات. من المهم أيضًا التوفيق بين معوقات الملف ومسار النقل الفعال للطاقة. مقاومة الملف باستخدام دوائر المحاثات والمكثفات التي تحول المعاوقة تؤدي إلى 50 أوم قياسي.

ميزات لفائف RF ل MRI متعدد النوى

لذلك ، لتلقي إشارة من نوى الهيدروجين بالإضافة إلى بعض العناصر الأخرى في التصوير بالرنين المغناطيسي ، يجب أن يكون لفائف RF خصائص مختلفة. كيفية تنفيذه.

1. أبسط خيار. اصنع ملفين مختلفين ، أحدهما للهيدروجين والآخر لعنصر آخر. إجراء دراسة كاملة مع لفائف البروتون ، وإزالة الكائن ولفائف ، ووضع لفائف أخرى لإرجاع الكائن وتكرار الدراسة. نظرًا لأن فحص التصوير بالرنين المغناطيسي يستهلك وقتًا طويلًا ويحسس الحركة ، فإن الخيار لا ينطبق.
   

2. جعل لفائف الرنين مزدوجة. يمكن إدخال ذروة الرنين الثانية في الملف عن طريق إضافة دائرة LC في السلسلة. يتيح لك إدخال دوائر LC الإضافية ضبط الملف على 3 ترددات أو أكثر
   

   
   
   
   
   

3. استخدام التبديل. على سبيل المثال ، بمساعدة الثنائيات PIN ، من الممكن تجاوز مكثفات ضبط إضافية. لذلك عند تطبيق جهد ثابت ، تتغير دائرة الضبط الكهربائي ، وبالتالي تردد الرنين للملف.
   

   
   
   
   
   

4. استخدم ملفين (أو أكثر) في نفس الوقت. يتم ضبط كل واحد منهم إلى تردده الخاص. هذا يثير مشكلة الاقتران الاستقرائي المتبادل بين الملفات. في كثير من الأحيان يتم حلها باستخدام تصميم لفائف خاصة. يتم تحديد هندسة ونوع الهوائيات بحيث تكون الحقول التي أنشأتها متعامدة مع بعضها البعض. خيارات أخرى - إضافة عامل تصفية LC السلبي إلى كل ملف ، وإزالة الإشارة من الآخر ؛ باستخدام الثنائيات PIN ، اضطراب الملف غير المستخدمة حاليا.
   

   
   
   
   
   

5. رباعي العصافير بكرة. من ناحية ومن ناحية أخرى ، تتم إضافة "خلية" أخرى إلى "الخلية" المعتادة. يعمل الجزء الداخلي بشكل مشابه للملف التقليدي أحادي التردد. تشكل الأجزاء الخارجية معًا "قفص طائر" مضبوطًا على تردد مختلف. يسمح هذا التصميم للملفات بالصدى بشكل مستقل عن بعضها البعض.
   

   
   
   

   على اليسار يوجد "قفص طائر" بأربع حلقات مع شريحة خارجية مثل الترددات العالية ، على اليمين - السفلية.

   
   

الخاتمة

في الجسم الحي التصوير والتصوير الطيفي في دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي هي مهمة صعبة. يكون تركيز الذرات بالإضافة إلى الهيدروجين في جسم الإنسان منخفضًا جدًا ، نظرًا لأن نسبة الإشارة إلى الضوضاء عند العمل مع هذه الذرات منخفضة. لتحسين SNR ، يتم استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي مع الحقول عالية جدا ، ولكن في مثل هذه المجالات تنشأ صعوبات مع توحيد المجال. مع مثل تسلا ، يكون طول موجة انبعاث البروتون مشابهًا بالفعل لحجم أجزاء الجسم.

لكن استخدام الذرات الأخرى يحمل معلومات قيمة حول التمثيل الغذائي. ذرات $$$^ {23} Na$ حمل معلومات عن توازن الملح في الخلايا. تحافظ الخلايا السليمة الحية باستمرار على تركيز منخفض من أيونات الصوديوم داخلها بينما تكون عالية بالخارج مع مضخات بوتاسيوم الصوديوم. تسير هذه العملية مع تكاليف الطاقة ، وبالتالي تنعكس الاضطرابات الأيضية في تغير في تركيز أيونات الصوديوم داخل الخلايا. ترتبط أورام الدماغ ، نقص التروية ، السكتات الدماغية ، الاضطرابات الثنائية القطبية بزيادة في تركيز الصوديوم داخل الخلايا ويمكن ملاحظة ذلك بمساعدة التصوير بالرنين المغناطيسي متعدد النواة.

مثال آخر على الفسفور في شكل ذرة $$$^ {31} P$ . يتم تضمينه في الأيضات الهامة - ATP ، الفسفوكرياتين ، وما إلى ذلك عن طريق إجراء التحليل الطيفي للفسفور في العضلات ، يمكن للمرء تقييم وجود هذه المواد ومستوى التمثيل الغذائي في العضلات.

التحليل الطيفي $$$^ {13} C$ يستخدم بالفعل في التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي لتحليل المركبات الكيميائية العضوية ، ولكن تركيزه في الجسم البشري منخفض ، لكن الطريقة لا تزال قابلة للتطبيق.

ذرة $$$^ {17} O$ يكون تركيزه منخفضًا في حالته الطبيعية ، ولكن إذا كان يشبع الهواء الذي يتنفسه الشخص الذي يتم فحصه ، فيمكنك إنشاء خريطة لمعدل الأيض ، مما يساعد في تشخيص الأورام.

ولكن لا يزال ، قبل الاستخدام الواسع النطاق للتصوير بالرنين المغناطيسي متعدد النوى في العيادات ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطه وسوف يستغرق 20-30 سنة.

المصادر