Multicore-MRT

Ich werde über die medizinische Mehrkern-Magnetresonanztomographie sprechen - einen der vielen Bereiche der MRT-Entwicklung. Ich werde auf die Merkmale der Methode, die notwendigen technischen Lösungen, die Anwendung und die Perspektiven eingehen.

Zunächst ein kleiner Ausflug in die Grundlagen der MRT.

MRT-Grundlagen

Der Prozess der MRT kann in den folgenden Schritten beschrieben werden:

1. Das zu untersuchende Objekt befindet sich in einem konstanten Magnetfeld eines großen, in der Regel supraleitenden Hauptmagneten . Die Feldstärke dieses Magneten wird durch angezeigt $$$B_0$und die Achse, entlang der es gerichtet ist, wird durch die Z-Achse bezeichnet . Feld $$$B_0$bestimmt, wie viele Tesla dieser MRT-Scanner hat. Die Kliniken verwenden Tomographen mit 1,5 T und 3 T. MR-Tomographen mit ultrahohen Feldern - 7 T, 9,4 T - werden nur in Forschungsinstituten gefunden.
2. Die Kerne einiger chemischer Elemente haben ein eigenes magnetisches Moment ungleich Null. Das Vorhandensein eines magnetischen Moments am Kern wird durch die inhärente Quanteneigenschaft der Teilchen - Spin - bestimmt. Unter dem Einfluss des Feldes $$$B_0$Die magnetischen Momente der Kerne sind parallel (am meisten) und antiparallel (kleiner) zu den Kraftlinien ausgerichtet. Zusammen ergeben diese Kerne dem Objekt eine makroskopische Magnetisierung in Richtung entlang der Z-Achse.
   
   
   
   
   

   Darüber hinaus sind die Kerne erforderlich . Bisher beeinflusst die Präzession die allgemeine Magnetisierung nicht, weil Die Phasen aller Kerne sind zufällig verteilt und die Komponenten ihrer magnetischen Momente senkrecht zur Z-Achse heben sich gegenseitig auf. Präzessionsfrequenz - Die Larmorfrequenz hängt nur vom Magnetfeld ab $$$B_0$und die Eigenschaften des Kerns - sein gyromagnetisches Verhältnis.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma,$$
   wo $$$\ omega_0$- Larmors Winkelfrequenz der Kernpräzession [rad / s];
   $$$B_0$- Magnetfeldstärke [T];
   $$$\ gamma$- gyromagnetisches Verhältnis des Kerns [rad / (T. $$$\ cdot$c)].
   Das gyromagnetische Verhältnis ist definiert als $$$\ gamma = \ mu / h$wo $$$\ mu$- intrinsisches magnetisches Moment des Atoms, [A. $$$\ cdot$m $$$^ 2$]; $$$h$- Planck-Konstante, $$$h = 6.626.070.040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$J. $$$\ cdot$s
   
   

   Die medizinische Tomographie basiert heute auf der Arbeit mit Wasserstoffatomen, deren Kern ein gewöhnliches Proton ist. Kerne verschiedener chemischer Elemente auf demselben Gebiet werden mit unterschiedlichen Frequenzen bearbeitet. Für die Mehrkern-MRT sind Atome interessant $$$^ {23} Na$, $$$^ {31} P$, $$$^ {13} C$, $$$^ {19} F$, $$$^ {17} O$, $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   Larmorfrequenzen einiger Atome, MHz

   Atom	Gyromagnetisch Verhältnis MHz / T.	Feldstärke $$$B_0$T.
   		1,5	3	7	9,4
   $$$^ {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$	-5,77	-8,66	-17,32	-40,40	-54,26

   
   

   Aus diesen Daten kann man die möglichen Probleme der Multicore-MRT verstehen. Die Frequenzen anderer Atome unterscheiden sich stark von der Frequenz von Wasserstoff. Dies erfordert die Ausstattung des Tomographen mit einem zweiten Satz Elektronik für die Arbeit mit einem HF-Signal. Andererseits liegt die Frequenz von Fluor-19 im Gegensatz dazu nahe an der Frequenz von Wasserstoff, und daher treten Schwierigkeiten bei der Differenzierung ihrer Signale auf. Um dies zu lösen, können Sie ultrahohe Felder verwenden, in denen der Abtastschritt in der Frequenz enger wird. Das gyromagnetische Verhältnis kann auch negativ sein, wie bei Sauerstoff-17. Seine Kerne auf demselben Feld bewegen sich im Vergleich zu anderen in die entgegengesetzte Richtung. Dies muss im nächsten Schritt berücksichtigt werden - Anregung der Kerne.

3. Die sendende Hochfrequenzspule (Antenne) erzeugt einen Magnetfeldimpuls $$$B_1$Drehen in der XOY-Ebene. Hier tritt das Resonanzphänomen auf, wenn die Feldrotationsfrequenz mit der Larmorfrequenz zusammenfällt, dann drehen sich die Kerne zur XOY-Ebene und synchronisieren die Rotationsphasen. Wenn die Dauer des HF-Impulses so ist, dass die magnetischen Momente der meisten Kerne zur XOY-Ebene umorientiert werden, wird der Impuls als 90-Grad- Impuls bezeichnet. Nach einem 90-Grad-Impuls dreht sich die makroskopische Magnetisierung des Objekts in der XOY-Ebene mit einer Frequenz, die der Larmorfrequenz des Kerns entspricht.
   

   
   

   In den empfangenden HF-Spulen induziert diese rotierende Magnetisierung eine Spannung - ein Signal (Abfall) der freien Induktion . Rezession, weil eine Relaxation aus diesem Zustand auftritt und diese besondere Magnetisierung verloren geht. Die Entspannung erfolgt auf zwei Arten. Kreuzentspannung mit Zeitkonstante $$$T_2$ist mit einem Verlust der Synchronisation der Rotationsphasen der Atome verbunden. Längsrelaxation mit Zeitkonstante $$$T_1$verbunden mit der Rückkehr der Orientierung der magnetischen Momente der Kerne entlang des Feldes $$$B_0$.
   

   
   
   
   
   

   Im Allgemeinen reicht dies aus, um Informationen über das Objekt zu erhalten. Das Signal enthält integrale, gemittelte Informationen über diese Objektkerne. Zum Beispiel können chemische Verschiebungen im Frequenzspektrum eines Signals gesehen werden - Änderungen der Larmorfrequenz aufgrund der Wechselwirkung von Atomen in einer chemischen Verbindung. Dies ist die Grundlage der NMR-Spektroskopie, einer Methode, mit der Chemiker die chemische Zusammensetzung eines Objekts analysieren.
   

   
   

   In dieser Veröffentlichung werde ich etwas mehr über HF-Spulen und ihre Funktionen in der Mehrkern-MRT sprechen.
   

HF-Spulendesigns

Die sendenden (Tx) HF-Spulen haben die Aufgabe, einen Impuls einer bestimmten Frequenz effizient zu übertragen und ein gleichmäßiges Magnetfeld senkrecht zur Z-Achse zu erzeugen. Interessanterweise ist der Verlust des HF-Impulses im System enorm. Von mehreren Kilowatt, die von Leistungsverstärkern erzeugt werden, erreichen nur einige zehn Watt Spulen. Daher werden HF-Spulen bei einer gegebenen Frequenz elektrisch in Resonanz gebracht. Das Design der HF-Spule bringt auch Einschränkungen und Anatomie mit sich. In MRT-Studien wird häufig nur ein Teil des Körpers berücksichtigt - Kopf, Brust, Knie usw. Die Sendespule für die Untersuchung des gesamten Körpers ist normalerweise in den Tomographen selbst eingebaut und wird für die Untersuchung einzelner Körperteile durch separate Module dargestellt.

Siemens RF Head Coil

Ich werde einige Beispiele für Spulendesigns geben.

1. Spule in Form eines Magneten.

   
   
   
   
   

   Ein einfacher Weg, um ein gleichmäßiges Feld innerhalb der Magnetwicklungen zu erzeugen. Es scheint, dass die Felder in einer solchen Spule nicht gedreht werden können. Es ist jedoch erwähnenswert, dass der Vektor $$$B_1$Eine Änderung nach einem Sinusgesetz kann als die Summe zweier Komponenten dargestellt werden, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen.
   

   
   

2. Sattelspule

   
   
   
   
   

3. Vogelkäfigrolle

   
   
   
   
   

   Links ist der „Vogelkäfig“ des unteren Frequenztyps, rechts der obere.

   
   

   Erweiterte Option. Kann in Form von niedrigen oder hohen Frequenzen vorliegen. Dank der Einstellung der Elemente - der Kapazitäts- und Induktivitätswerte aufgrund der Beinlänge (selten) - hat der Strom der erforderlichen Frequenz eine nahezu sinusförmige Winkelverteilung und erzeugt ein gleichmäßiges Feld. Wenn ein Quadratursignal angelegt wird, dann das Feld $$$B_1$wird rein rotieren.

   
   

4. Multi Spulen

   
   
   
   
   

   Kopfspule aus verkürzten Dipolantennen und rechteckigen Schleifen.

   
   

   Sie bestehen aus mehreren einfacheren Antennen, die in einem Kreis angeordnet sind. Die Elemente können Dipolantennen, Rahmenantennen, Mikrostreifenantennen usw. sein. Hier können Sie sehen, wie sich die Anatomie auf das Design auswirkt. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge der Strahlung der Larmorfrequenz eines Protons bei 7 T 1 m. Eine gewöhnliche Dipolantenne sollte die Hälfte der Wellenlänge der detektierten Strahlung betragen. Es ist unpraktisch, eine so lange Spule zur Untersuchung des Kopfes herzustellen, daher wird die Dipolantenne durch Hinzufügen von Induktoren an ihren Schultern verkürzt.
   

   
   

Die Funktion der Empfangsspulen kann auch bei Sendespulen realisiert werden, die eine Sende-Empfangsspule (TxRx) empfangen haben. Rein empfangende Spulen (Rx) sollten ebenfalls resonant sein, die Konstruktionsanforderungen sind jedoch etwas anders. Sie können in Form eines Gitters aus Flachschleifenantennen hergestellt werden. Sie befinden sich also direkt auf der Oberfläche des Körpers und reduzieren so den Verlust des empfangenen Signals.

Siemens Oberflächenempfangsspule

Die Feinabstimmung der Frequenz der Spulen erfolgt durch Ändern der Kapazität der Kondensatoren. Es ist auch wichtig, die Impedanzen der Spule und den Weg für eine effiziente Energieübertragung anzupassen. Die Impedanz der Spule unter Verwendung von Schaltkreisen aus Induktivitäten und Kondensatoren, die die Impedanz umwandeln, führt zu einem Standard von 50 Ohm.

Merkmale von HF-Spulen für die Mehrkern-MRT

Um ein Signal von Wasserstoffkernen und zusätzlich zu einem anderen Element in der MRT zu empfangen, müssen HF-Spulen unterschiedliche Eigenschaften haben. Wie man es umsetzt.

1. Die einfachste Option. Stellen Sie zwei verschiedene Spulen her, eine für Wasserstoff und eine für ein anderes Element. Führen Sie eine vollständige Studie mit einer Protonenspule durch, entfernen Sie das Objekt und die Spule, setzen Sie eine weitere Spule ein, um das Objekt zurückzugeben, und wiederholen Sie die Studie. Da ein MRT-Scan zeitaufwändig und bewegungsempfindlich ist, ist die Option nicht anwendbar.
   

2. Bilden Sie Doppelresonanzspulen. Die zweite Resonanzspitze kann durch Hinzufügen einer in Reihe geschalteten LC-Schaltung in die Spule eingeführt werden. Durch die Einführung zusätzlicher LC-Schaltkreise können Sie die Spule auf 3 oder mehr Frequenzen einstellen
   

   
   
   
   
   

3. Verwenden Sie Schalter. Beispielsweise ist es mit Hilfe von PIN-Dioden möglich, zusätzliche Abstimmkondensatoren zu umgehen. Wenn also eine konstante Spannung angelegt wird, ändert sich der elektrische Abstimmkreis und dementsprechend die Resonanzfrequenz der Spule.
   

   
   
   
   
   

4. Verwenden Sie zwei (oder mehr) Spulen gleichzeitig. Jeder von ihnen ist auf seine eigene Frequenz eingestellt. Dies wirft das Problem der gegenseitigen induktiven Kopplung zwischen den Spulen auf. Oft wird es mit einem speziellen Spulendesign gelöst. Die Geometrie und der Antennentyp werden so ausgewählt, dass die von ihnen erzeugten Felder orthogonal zueinander sind. Andere Optionen - Fügen Sie jeder Spule einen passiven LC-Filter hinzu, um das Signal von der anderen zu entfernen. Verärgern Sie mithilfe von PIN-Dioden die derzeit nicht verwendete Spule.
   

   
   
   
   
   

5. Vogelkäfigrolle mit vier Ringen. Einerseits wird der üblichen "Zelle" eine weitere "Zelle" hinzugefügt. Das innere Segment arbeitet ähnlich wie eine herkömmliche Einzelfrequenzspule. Externe Segmente bilden zusammen einen „Vogelkäfig“, der auf eine andere Frequenz abgestimmt ist. Diese Konstruktion ermöglicht es den Spulen, unabhängig voneinander zu schwingen.
   

   
   
   

   Links befindet sich ein 4-Ring- „Vogelkäfig“ mit einem externen Segment wie Hochfrequenzen, rechts - unteren.

   
   

Fazit

In-vivo- Bildgebung und Spektroskopie in MRT-Studien ist eine schwierige Aufgabe. Die Konzentration von Atomen zusätzlich zu Wasserstoff im menschlichen Körper ist ziemlich niedrig, weshalb das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Arbeit mit diesen Atomen gering ist. Um das SNR zu verbessern, wird eine MRT mit ultrahohen Feldern verwendet, aber in solchen Feldern treten Schwierigkeiten mit der Feldgleichmäßigkeit auf. Mit einem solchen Tesla ist die Wellenlänge der Protonenemission bereits mit der Größe der Körperteile vergleichbar.

Die Verwendung anderer Atome enthält jedoch wertvolle Informationen über den Stoffwechsel. Atome $$$^ {23} Na$Tragen Sie Informationen über den Salzhaushalt in den Zellen. Lebende gesunde Zellen halten mit Natrium-Kalium-Pumpen ständig eine niedrige Konzentration an Natriumionen in sich aufrecht, während sie außerhalb hoch sind. Dieser Prozess geht mit Energiekosten einher, daher spiegeln sich Stoffwechselstörungen in einer Änderung der Konzentration von Natriumionen in den Zellen wider. Hirntumoren, Ischämie, Schlaganfälle und bipolare Störungen sind mit einem Anstieg der Natriumkonzentration in den Zellen verbunden, was mit Hilfe der Mehrkern-MRT beobachtet werden kann.

Ein weiteres Beispiel für Phosphor in Form eines Atoms $$$^ {31} P$. Es ist in wichtigen Metaboliten enthalten - ATP, Phosphokreatin usw. Durch Durchführen einer Phosphorspektroskopie in den Muskeln kann das Vorhandensein dieser Substanzen und das Niveau des Stoffwechsels in den Muskeln bewertet werden.

Spektroskopie $$$^ {13} C$bereits in der NMR-Spektroskopie zur Analyse organischer chemischer Verbindungen verwendet, aber in vivo ist seine Konzentration im menschlichen Körper gering, aber die Methode ist immer noch anwendbar.

Atom $$$^ {17} O$Es hat eine geringe Konzentration in seinem natürlichen Zustand, aber wenn es die Luft sättigt, die die untersuchte Person atmet, können Sie eine Karte seiner Stoffwechselrate erstellen, die bei der Diagnose von Tumoren hilft.

Vor dem weit verbreiteten Einsatz der mehrkernigen MRT in Kliniken ist es jedoch noch ein langer Weg, der 20 bis 30 Jahre dauern wird.

Quellen