Wir zerlegen den Magnetresonanz-Imager

Quantenphysik, Mathematik, Biologie, Kryotechnik, Chemie und Elektronik sind in einem einzigen Muster miteinander verflochten, um in Eisen verkörpert zu werden und die reale innere Welt eines Menschen zu zeigen und sogar seine Gedanken zu lesen. Die Elektronik solcher Geräte kann hinsichtlich Zuverlässigkeit und Komplexität nur mit Weltraumgeräten verglichen werden. Dieser Artikel befasst sich mit den Geräten und Prinzipien der Magnetresonanztomographie.

Auf dem Gebiet der modernen Tomographie sind die Mastodons der elektronischen Welt führend: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Nur so große Unternehmen können sich die Entwicklung derart hochentwickelter Geräte leisten, deren Kosten normalerweise zehn (fast Hunderte) Millionen Rubel betragen. Natürlich kostet die Reparatur eines so teuren Geräts durch einen offiziellen Vertreter dem Besitzer des Geräts einen riesigen Cent (und sie sind übrigens größtenteils privat, nicht staatlich). Aber verzweifle nicht! Neben Service-Centern für die Reparatur von Laptops, Telefonen, CNC-Maschinen und jeglicher Elektronik gibt es Unternehmen, die an der Reparatur von medizinischen Geräten beteiligt sind. Ich arbeite in einem dieser Unternehmen, daher zeige ich Ihnen interessante Elektronik und versuche, deren Funktionalität in klaren Worten zu beschreiben.


Magnetresonanztomograph von GE Healthcare mit 1,5-Tesla-Feld. Der Tisch ist vom Tomographen abgenommen und kann als normaler Rollstuhl verwendet werden.

Die ganze Magie der MRT beginnt mit der Quantenphysik, aus der der Begriff „Spin“ stammt, der auf Elementarteilchen angewendet wird. Sie können eine Reihe von Definitionen finden, was allgemein akzeptiert wird - dies ist der Moment des Impulses des Teilchens, was auch immer das bedeutet. Nach meinem Verständnis scheinen sich Partikel ständig zu drehen (vereinfacht), während sie Störungen in einem Magnetfeld erzeugen. Da Elementarteilchen wiederum die Atomkerne bilden, wird angenommen, dass ihre Spins addiert werden und der Kern seinen eigenen Spin hat. Wenn wir über ein Magnetfeld irgendwie mit den Atomkernen interagieren wollen, ist es für uns außerdem sehr wichtig, dass der Spin des Kerns ungleich Null ist. Zufall oder nicht, aber das häufigste Element in unserem Universum - Wasserstoff hat einen Kern in Form eines einzelnen Protons, dessen Spin gleich 1/2 ist.


Dies bedeutet, dass Wasserstoffkerne vereinfacht als sehr kleine Magnete mit Nord- und Südpol betrachtet werden können. Und ist es erwähnenswert, dass Wasserstoffatome im menschlichen Körper nur das Meer sind (ungefähr 10 ^ 27), aber da wir keine Drüsen an uns ziehen, wird es offensichtlich, dass all diese kleinen „Magnete“ zwischen sich selbst und anderen Teilchen und dem allgemeinen Magneten ausgeglichen sind Körpermoment ist praktisch Null.

Illustration aus Evert Blinks Buch "Die Grundlagen der MRT". Protonen mit schwarzen Pfeilen, die die Kompassnadel symbolisieren, drehen sich in Richtung des blauen Pfeils.

Durch Anlegen eines externen Magnetfelds kann dieses System aus dem Gleichgewicht gebracht werden und Protonen (natürlich nicht alle) ändern ihre räumliche Ausrichtung entsprechend der Richtung der Feldkraftlinien.

Illustration von Lars G. Hanson Einführung in die Magnetresonanz
Bildgebungstechniken. Die Protonenspins im menschlichen Körper sind als Pfeilvektoren dargestellt. Links ist die Situation, in der sich alle Protonen im magnetischen Gleichgewicht befinden. Richtig - wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird. Die unteren Visualisierungen zeigen dasselbe in einer dreidimensionalen Version, wenn Sie alle Vektoren von einem Punkt aus erstellen. Bei alledem gibt es eine Rotation (Präzession) um die Magnetfeldlinien, die durch einen runden roten Pfeil dargestellt wird.

Bevor sich die Protonen entsprechend dem äußeren Feld orientieren, schwingen sie einige Zeit um die Gleichgewichtsposition (wie die Kompassnadel), die nahe der Nordmarkierung schwingen würde, wenn der Hersteller vorsichtig keine Dämpfungsflüssigkeit in das Zifferblatt einfüllen würde. Es ist bemerkenswert, dass die Frequenz solcher Schwingungen für verschiedene Atome variiert. Auf der Messung dieser Frequenz basieren beispielsweise Resonanzmethoden zur Bestimmung der Zusammensetzung der Testsubstanz.


Für die Kerne von Wasserstoffatomen in einem Feld von 1 Tesla beträgt diese Frequenz 42,58 MHz. Mit einfachen Worten, Protonenschwingungen um Feldlinien eines Feldes mit einer solchen Intensität treten etwa 42 Millionen Mal pro Sekunde auf. Wenn wir Protonen mit einer Radiowelle mit einer geeigneten Frequenz bestrahlen, tritt eine Resonanz auf und die Schwingungen verstärken sich, der Vektor der allgemeinen Magnetisierung verschiebt sich relativ zu den Linien des externen Feldes um einen bestimmten Grad.


Illustration von Lars G. Hanson Einführung in die Magnetresonanztomographie. Es wird gezeigt, wie sich der allgemeine Magnetisierungsvektor nach Exposition gegenüber einer Funkwelle mit einer Frequenz verschiebt, die Resonanz im System verursacht. Vergessen Sie nicht, dass sich all dies relativ zur Magnetfeldlinie weiter dreht (in der Abbildung befindet es sich vertikal).

Hier beginnt der interessanteste Teil - nach der Wechselwirkung der Radiowelle mit Protonen und der resonanten Verstärkung der Schwingungen neigen die Teilchen dazu, wieder in einen Gleichgewichtszustand zu gelangen, während sie Photonen emittieren (aus denen die Radiowelle besteht). Dies wird als Kernspinresonanzeffekt bezeichnet. Tatsächlich verwandelt sich der gesamte untersuchte Körper in eine riesige Reihe von Miniatur-Funksendern, mit deren Hilfe Sie ein Bild der Verteilung von Wasserstoffatomen in einer Substanz erfassen, lokalisieren und erstellen können. Wie Sie vielleicht bereits vermutet haben, zeigt die MRT im Wesentlichen ein Bild der Wasserverteilung im Körper. Je stärker die Feldstärke ist, desto mehr Protonen können zum Empfangen von Signalen verwendet werden. Die Auflösung des Scanners hängt also direkt davon ab.

Dieser Effekt manifestiert sich nicht nur in starken Magnetfeldern - selbst auf dem Weg zum Brotladen werden die Protonen unseres Körpers jeden Tag vom Erdmagnetfeld beeinflusst. Forscher aus Slowenien haben beispielsweise ein experimentelles MRT-System gebaut, das nur das Magnetfeld unseres Planeten nutzt.

Illustration aus dem wissenschaftlichen Artikel „Magnetresonanztomographiesystem basierend auf
Erdmagnetfeld »Autoren: Ales Mohoric, Gorazd Planins et al. Demonstriert Bilder, die mit einem experimentellen System aufgenommen wurden. Links ist ein Apfel, rechts ist eine Orange. Es ist bezeichnend, dass keine Bilder mit schlechter Qualität erhalten werden, sondern die grundsätzliche Möglichkeit, MR in schwachen Feldern einzusetzen.

Natürlich ist in kommerziellen medizinischen Scannern das Magnetfeld um ein Vielfaches höher als die Erde. Am häufigsten werden Scanner mit einem Feld von 1, 1,5 und 3 Tesla verwendet, obwohl es sowohl schwächere (0,2, 0,35 Tesla) als auch schwere Monster mit 7 und sogar 10 Tesla gibt. Letztere werden hauptsächlich für Forschungsaktivitäten verwendet, und in meinem Land gibt es meines Wissens keine.

Strukturell kann das Feld im Scanner auf verschiedene Arten erzeugt werden - dies sind Permanentmagnete, Elektromagnete und Supraleiter, die in kochendes Helium eingetaucht sind und durch die riesige Ströme fließen. Letztere sind weit verbreitet und von größtem Interesse, da sie es ermöglichen, im Vergleich zu anderen Optionen eine unvergleichlich größere Feldstärke zu erzielen.


Ein typisches Design eines MRT-Geräts, dessen Feld durch Strom erzeugt wird, der durch Supraleiter fließt. Die Quelle ist das Internet.

Die Temperatur der supraleitenden Wicklungen wird durch die allmähliche Verdampfung des Kältemittels - flüssiges Helium - aufrechterhalten. Außerdem betreibt das System einen Kryokühler, der im medizinischen Fachjargon als „Kaltkopf“ bezeichnet wird. Es macht charakteristische Champing-Sounds, die Sie wahrscheinlich gehört haben, wenn Sie das Gerät jemals in der Nähe gesehen haben. Der Strom in Supraleitern fließt konstant und nicht nur während des Betriebs des Geräts gibt es immer ein Magnetfeld. Filmemacher sind sich dieser Tatsache nicht bewusst und stoßen häufig auf sie (zum Beispiel gab es in der letzten Staffel der Serie „Black Mirror“ einen ähnlichen Fehler).

Auf dem Bedienfeld von Geräten dieses Typs befindet sich ein großer roter Knopf, mit dem Sie das Magnetfeld (Rundown-Magnet) ausschalten können. Es ist nicht ohne Ironie, die als "Knopfentlassung" bezeichnet wird.


Eines der Siemens-Tomographie-Bedienfelder

Durch Drücken dieser Taste werden Notheizungen in einem Behälter mit Kältemittel eingeschaltet, wodurch die Temperatur der Wicklungen auf einen kritischen Punkt angehoben wird. Danach läuft der Prozess wie eine Lawine ab: Nachdem die Wicklungen Widerstand erhalten haben, erwärmt der Strom durch sie sie und alles um sie herum sofort und führt zur Emission von Helium durch ein spezielles Rohr. Dieser Vorgang wird als "Quench" bezeichnet und ist wahrscheinlich das Traurigste, was dem Gerät passieren kann, da die Wiederherstellung danach viel Zeit und Geld kostet.


Siemens Espree-Tomograph mit Feld 1.5. Tesla, achte auf die Metallschlüssel, die leise auf dem Tisch liegen - hier gibt es kein Magnetfeld mehr. Es wurde für einige Regierungskliniken von Siemens gekauft. Es hat eine relativ kleine Tankgröße und einen großen Öffnungsdurchmesser. Es gibt eine Meinung, dass eine solche Verkürzung des Designs dazu geführt hat, dass er Helium oft selbstständig in den Wind bringt (zumindest der Apparat auf dem Foto tut dies mit beneidenswerter Regelmäßigkeit).

In der Zwischenzeit kehren wir nach einem kurzen Exkurs wieder zur Theorie zurück. Wenn Sie einfach die Funkwellen empfangen, die von den Protonen des Körpers als Reaktion auf resonante Funkimpulse ausgesendet werden, kann das Bild nicht erstellt werden. Wie kann man ein Signal lokalisieren, das sofort von allen Körperteilen kommt? Zu einer Zeit erhielten die Forscher Paul Lauterbur und Peter Mansfield den Nobelpreis für Medizin zur Lösung dieses Problems. Kurz gesagt, ihre Lösung besteht darin, zusätzliche Wicklungen in der Vorrichtung zu verwenden, wodurch eine nahezu lineare Änderung des Magnetfelds entlang der ausgewählten Richtung - dem Feldgradienten - erzeugt wird. Da unser Raum dreidimensional zu sein scheint, werden drei Wicklungen verwendet - die X-, Y- und Z-Achse.


Illustration aus Evert Blinks Buch "Die Grundlagen der MRT". So sehen zusätzliche Gradientenwicklungen im Gerät aus - echte Wicklungen haben natürlich eine komplexere Struktur.

Wenn sich die Magnetfeldstärke linear ändert, haben die Protonen entlang dieser Richtung unterschiedliche Resonanzfrequenzen, wenn einer der Gradienten aktiviert ist.


Illustration von howequipmentworks.com. Gradientenwicklungen (blau) und Hochfrequenzwicklungen (grün) sind symbolisch gezeichnet. Es wird gezeigt, dass beim Erzeugen eines Feldgradienten entlang der Tabelle am Punkt A die Resonanzfrequenz der Protonen von der Frequenz am Punkt B abweicht

Durch die Verwendung von Verläufen können Sie das Feld so manipulieren, dass das Signal nur aus bestimmten Bereichen stammt. Abhängig von der Amplitude des empfangenen Signals wird die Helligkeit des Pixels im Bild ausgewählt. Je höher die Protonenkonzentration in der Region ist, desto heller ist das Ergebnis.

Um einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, muss ein großer Strom durch die Gradientenwicklungen geleitet werden, und der Impuls sollte ziemlich kurzfristig mit einer steilen Front sein, und für einige Programme ist es überhaupt erforderlich, dass sich die Richtung des Stroms in der Gradientenwicklung für die Magnetisierungsumkehr sofort in die entgegengesetzte Richtung ändert. Leistungsstarke Impulswandler tun dies, sie belegen ein ganzes Rack im Geräteraum.


Gradientenverstärkergerät Siemens Harmony 1T. Leistung - bis zu 300 Ampere und bis zu 800 Volt bei Verwendung von sechs Modulen - das Foto zeigt drei Module.

Siemens-Geräte verwenden traditionell die Wasserkühlung von Leistungskomponenten - die Röhren sind auf dem Foto sichtbar. Dies führt oft (ein interessantes Wortspiel) zu einem guten Gruß bei jedem Leck. Trotz der gepriesenen deutschen Qualität machte sich niemand die Mühe, Lecksensoren zu installieren (diesbezüglich hätten sie von GE lernen sollen). Aber fairerweise fließen speziell Gradientenblöcke selten, häufiger scheitern sie ohne ersichtlichen Grund.


Das Innere des Gradientenmoduls von Siemens Harmony ist ein alter Typ.

Ein Modul wie das auf dem Foto gezeigte ist schwer zu reparieren - Transistoren werden zum Kaltschweißen auf ein Kupferrohr geklebt und brennen dort Dutzende auf einmal. Um die Platine zu entfernen, müssen Sie mehrere Dutzend Beine gleichzeitig löten! Vergessen Sie diesen Albtraum besser und schauen Sie sich eine neuere Lösung eines deutschen Herstellers an.


Gradientenverstärker von Siemens Harmony. Neuere Version. Zwei symmetrische Platinen sind mit sehr leistungsstarken Feldeffekttransistoren verschraubt. Transistoren arbeiten in Sechsergruppen parallel, natürlich brennen sie auch nicht einzeln. Das Modell auf dem Foto ist bereits leicht „weggebrochen“. Anstelle der nativen Anschlüsse zwischen den Platinen werden Kupferplatten verlötet. Achten Sie auf die obere rechte Ecke des Fotos - dies sind die optischen Kabel, durch die das Signal zum Öffnen der Tasten geht. Wenn Sie ihre Verbindung verwechseln - das Gerät brennt sofort mit einem lauten Knall aus, ist bei dieser Technik kein Schutz "vor einem Narren" vorgesehen.

Eines der Hauptprobleme bei der Reparatur ist das Fehlen jeglicher Dokumentation, zumal die Ausrüstung sehr spezialisiert ist. Daher muss man manchmal viele Kegel füllen und einige teure Komponenten verbrennen, um zu verstehen, was falsch war. Natürlich können Sie Servicehandbücher für Geld kaufen, aber in der Regel sind sie sehr oberflächlich. Coole Unternehmen bewahren ihre Geheimnisse auf.

Je stärker das Magnetfeld in der Vorrichtung ist, desto stärker sollten die Gradientenwandler sein. Bei Geräten mit einem Feld von 1,5 T und 3 T wird die Anzahl der parallelen Feldeffekttransistoren, die gewählt werden müssen, um die erforderliche Leistung bereitzustellen, zu groß. IGBT-Baugruppen kommen ins Spiel, ähnlich wie sie in industriellen Frequenzumrichtern zur Motorsteuerung eingesetzt werden.

Quantenkaskaden-Gradientenverstärker in der Analyse, Strom bis zu 500 Ampere, Ausgangsspannung bis zu 2000 V. Er enthält 20 leistungsstarke IGBT-Baugruppen. Hier gibt es einen interessanten Punkt: Die Baugruppe selbst hält 2 Kilovolt nicht stand. Diese Spannung wird durch Verwendung von fünf unabhängigen Quellen mit jeweils 400 V erhalten. Mein Traum ist es, eine Tesla-Spule aus dieser Einheit zusammenzubauen.

Was ist mit Gradientenwicklungen los, wenn solche monströsen Ströme durch sie fließen, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sie sich auch in einem schwachen Magnetfeld befinden? Die Stärke von Ampere führt natürlich dazu, dass sie sich verformen, aber sie sind bis zur Unmöglichkeit fest mit Harz geflutet. Trotzdem spart auch dies nicht - da die Gradienten im Bereich der Schallfrequenzen arbeiten, können die daraus resultierenden Vibrationen zu ziemlich lauten Geräuschen führen, deren Lautstärke einem Hammerschlag auf einen Nagel ähnelt (mit der Einschränkung, dass Sie etwa 5.000 Schläge hämmern hörten pro Sekunde). Daher gibt es in fast jedem MRT-Gerät Kopfhörer oder Ohrstöpsel. Software und Hardware überwachen ständig den Schallpegel im Scannerraum, damit die Dezibel nicht über akzeptable Grenzen hinausgehen. Ein Magnetfeld, das sich während des Betriebs von Gradienten schnell ändert, gekoppelt mit resonanzerzeugenden Hochfrequenzimpulsen, induziert Wirbelströme in jeder Metalloberfläche in der Nähe des Scanners, was zu Metallvibrationen und leichter Erwärmung führt, und charakteristische Artefakte treten in Bildern sogar von einer kleinen Metalldichtung auf. Aus diesem Grund müssen sie vor der MRT-Untersuchung das gesamte Metall entfernen (Dichtungen müssen nicht entfernt werden).

Die Synthesizereinheit (bei Siemens-Geräten) oder der Erreger (bei GE-Geräten) sind für die Erzeugung der Hochfrequenzimpulse der gewünschten Frequenz verantwortlich. Trotz der unterschiedlichen Namen sind ihre Funktionen ungefähr gleich. Diese Geräte sind im Allgemeinen zuverlässig und müssen bei sorgfältiger Behandlung nur selten repariert werden. Das Signal wird durch Digital-Analog-Synthese gebildet und ist eine Sinusfunktion.


Links sind zwei Arten von Hochfrequenzimpulsen dargestellt - Gauß und Sinus, auch als Kardinalsinus bekannt. Die rechte Seite zeigt das Anregungsprofil, wenn es als hochfrequentes Anregungssignal verwendet wird - das heißt, die Form des Bereichs, in dem die Protonen in die Resonanz eintreten, wird ungefähr in einer Seitenansicht gezeigt. Natürlich ist die niedrigere Version für die Erstellung von Bildern (Slices) vorzuziehen, insbesondere wenn sie nahe beieinander liegen, um den Einfluss von Signalen außerhalb des ausgewählten Scanbereichs zu verringern.

Schließlich kamen wir ohne Übertreibung zu dem meiner Meinung nach interessantesten Block im gesamten Tomographen - einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker, der ein schwaches Signal von einem Synthesizer in ein starkes Signal umwandelt, das einer Sendeantenne im Gerät zugeführt wird.


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Fortsetzung