Desmontamos la cámara de resonancia magnética

La física cuántica, las matemáticas, la biología, la criogenia, la química y la electrónica se entrelazaron en un solo patrón para encarnarse en hierro y mostrar el mundo interior real de una persona, e incluso, no menos, leer sus pensamientos. La electrónica de tales dispositivos, en términos de confiabilidad y complejidad, solo se puede comparar con los espaciales. Este artículo está dedicado a los equipos y principios de la resonancia magnética.

En el campo de la tomografía moderna, los mastodontes del mundo electrónico son líderes: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Solo esas grandes empresas pueden permitirse el desarrollo de equipos tan sofisticados, cuyo costo generalmente asciende a decenas (casi cientos) de millones de rublos. Por supuesto, la reparación de un equipo tan costoso por parte de un representante oficial vuela en un gran centavo para el propietario del dispositivo (y, por cierto, en su mayoría son privados, no estatales). Pero no te desesperes! Además de los centros de servicio para la reparación de computadoras portátiles, teléfonos, máquinas cnc y, de hecho, cualquier producto electrónico, hay empresas involucradas en la reparación de equipos médicos. Trabajo en una de estas empresas, por lo que le mostraré productos electrónicos interesantes e intentaré describir su funcionalidad con palabras claras.


Escáner de resonancia magnética GE Healthcare con campo de 1.5 Tesla. La mesa está separada del tomógrafo y puede usarse como una silla de ruedas normal.

Toda la magia de la resonancia magnética comienza con la física cuántica, desde donde se origina el término "spin", aplicado a las partículas elementales. Puede encontrar un montón de definiciones de lo que es el giro, generalmente aceptado: este es el momento del impulso de la partícula, sea lo que sea que eso signifique. Según tengo entendido, las partículas parecen rotar constantemente (simplificadas) mientras crean perturbaciones en un campo magnético. Dado que las partículas elementales a su vez forman los núcleos de los átomos, se cree que sus espines se suman y el núcleo tiene su propio espín. Además, si queremos interactuar de alguna manera con los núcleos de los átomos utilizando un campo magnético, será muy importante para nosotros que el giro del núcleo sea distinto de cero. Coincidencia o no, pero el elemento más común en nuestro universo: el hidrógeno tiene un núcleo en forma de un solo protón, que tiene un giro igual a 1/2.


Y esto significa que, de manera simplista, los núcleos de hidrógeno pueden considerarse como imanes muy pequeños que tienen un polo norte y un polo sur. Y vale la pena mencionar que en el cuerpo humano los átomos de hidrógeno son solo el mar (alrededor de 10 ^ 27), pero dado que no atraemos glándulas a nosotros, resulta obvio que todos estos pequeños "imanes" están equilibrados entre ellos y otras partículas, y el magnetismo general. momento del cuerpo es prácticamente cero.

Ilustración del libro de Evert Blink "The Basics of MRI". Los protones con flechas negras que simbolizan la aguja de la brújula giran en la dirección de la flecha azul.

Al aplicar un campo magnético externo, este sistema se puede desequilibrar y los protones (no todos, por supuesto) cambiarán su orientación espacial de acuerdo con la dirección de las líneas de fuerza del campo.

Ilustración de Lars G. Hanson Introducción a la resonancia magnética
Técnicas de imagen. Los espines del protón en el cuerpo humano se muestran como vectores de flecha. A la izquierda está la situación cuando todos los protones están en equilibrio magnético. Derecha: cuando se aplica un campo magnético externo. Las visualizaciones inferiores muestran lo mismo en una versión tridimensional, si construye todos los vectores desde un punto. Con todo esto, hay una rotación (precesión) alrededor de las líneas del campo magnético, que se muestra con una flecha roja redonda.

Antes de que los protones se orienten de acuerdo con el campo externo, oscilarán (precesarán) durante algún tiempo alrededor de la posición de equilibrio, como la aguja de la brújula, que oscilaría cerca de la marca norte si el fabricante no agrega prudentemente líquido de amortiguación dentro del dial. Es de destacar que la frecuencia de tales vibraciones varía para diferentes átomos. En la medición de esta frecuencia, por ejemplo, se basan los métodos de resonancia para determinar la composición de la sustancia de prueba.


Para los núcleos de átomos de hidrógeno en un campo de 1 Tesla, esta frecuencia es de 42.58 MHz, bueno, o en palabras simples, las vibraciones de protones alrededor de las líneas de campo de tal intensidad ocurren aproximadamente 42 millones de veces por segundo. Si irradiamos protones con una onda de radio con una frecuencia apropiada, se producirá una resonancia y las oscilaciones se amplificarán, el vector de magnetización general se desplazará en cierto grado en relación con las líneas del campo externo.


Ilustración de Lars G. Hanson Introducción a las técnicas de imagen por resonancia magnética. Se muestra cómo el vector de magnetización general cambia después de la exposición a una onda de radio con una frecuencia que causa resonancia en el sistema. No olvide que todo esto sigue girando en relación con la línea del campo magnético (en la figura está ubicado verticalmente).

Aquí comienza la parte más interesante: después de la interacción de la onda de radio con los protones y la amplificación resonante de las oscilaciones, las partículas nuevamente tienden a alcanzar un estado de equilibrio, mientras emiten fotones (en los que consiste la onda de radio). Esto se llama efecto de resonancia magnética nuclear. De hecho, todo el cuerpo en estudio se convierte en una gran variedad de transmisores de radio en miniatura, la señal desde la cual puede captar, localizar y construir una imagen de la distribución de los átomos de hidrógeno en una sustancia. Entonces, como ya habrás adivinado, en esencia, la IRM muestra una imagen de la distribución de agua en el cuerpo. Cuanto más fuerte sea la intensidad del campo, mayor será el número de protones que se pueden usar para recibir señales, por lo que la resolución del escáner depende directamente de esto.

Este efecto se manifiesta no solo en fuertes campos magnéticos: todos los días, incluso en el camino a la tienda de pan, los protones de nuestro cuerpo se ven afectados por el campo magnético de la Tierra. Investigadores de Eslovenia, por ejemplo, han construido un sistema de resonancia magnética experimental que utiliza solo el campo magnético de nuestro planeta.

Ilustración del artículo científico "Sistema de imágenes de resonancia magnética basado en
Campo magnético de la Tierra »Autores: Ales Mohoric, Gorazd Planins et al. Demuestra imágenes tomadas usando un sistema experimental. A la izquierda hay una manzana, a la derecha hay una naranja. Es significativo que no se obtengan las imágenes con baja calidad, pero la posibilidad fundamental de utilizar MR en campos débiles.

Por supuesto, en escáneres médicos comerciales, el campo magnético es muchas veces mayor que la tierra. Muy a menudo, se usan escáneres con un campo de 1, 1.5 y 3 Tesla, aunque hay monstruos más débiles (0.2, 0.35 Tesla) y severos de 7 e incluso 10 Tesla. Estos últimos se utilizan principalmente para actividades de investigación, y en mi país, hasta donde yo sé, no hay ninguno.

Estructuralmente, el campo en el escáner se puede crear de diferentes maneras: estos son imanes permanentes, electroimanes y superconductores sumergidos en helio hirviendo a través del cual fluyen enormes corrientes. Estos últimos están muy extendidos y son de gran interés, ya que permiten lograr una fuerza de campo incomparablemente mayor en comparación con otras opciones.


Un diseño típico de un dispositivo de resonancia magnética, cuyo campo es creado por la corriente que fluye a través de superconductores. La fuente es Internet.

La temperatura de los devanados superconductores se mantiene debido a la evaporación gradual del refrigerante - helio líquido, además, el sistema opera un enfriador criogénico, que se llama la "cabeza fría" en la jerga médica. Produce sonidos característicos de amplificación, que probablemente escuchó si alguna vez vio el dispositivo cerca. La corriente en los superconductores fluye constantemente, y no solo durante el funcionamiento del dispositivo, respectivamente, siempre hay un campo magnético. Sin darse cuenta de este hecho, los cineastas a menudo se encuentran (por ejemplo, en la última temporada de la serie "Black Mirror" hubo un error similar).

En el panel de control de dispositivos de este tipo hay un gran botón rojo que le permite desactivar el campo magnético (imán reducido). No es sin ironía que se llama el "despido del botón".


Uno de los paneles de control de tomografía de Siemens.

Al presionar este botón se encienden los calentadores de emergencia en un recipiente con refrigerante, lo que eleva la temperatura de los devanados a un punto crítico, después de lo cual el proceso pasa como una avalancha: después de que los devanados adquieren resistencia, la corriente a través de ellos los calienta instantáneamente y todo a su alrededor, lo que conduce a la emisión de helio a través de un tubo especial. Este proceso se llama "Quench", y esto es probablemente lo más triste que le puede pasar al dispositivo, ya que restaurarlo después de esto requiere mucho tiempo y dinero.


Tomógrafo Siemens Espree, con campo 1.5. Tesla, presta atención a las llaves de metal que yacen en silencio sobre la mesa; aquí no hay más campo magnético. Fue comprado para algunas clínicas gubernamentales de Siemens. Tiene un tamaño de tanque relativamente pequeño y un diámetro de abertura grande. Existe la opinión de que tal acortamiento del diseño resultó en el hecho de que a menudo le gusta poner helio al viento por sí solo (al menos el aparato en la foto lo hace con envidiable regularidad).

Mientras tanto, después de una breve digresión, volvamos a la teoría nuevamente. Si simplemente recibe las ondas de radio emitidas por los protones del cuerpo en respuesta a los pulsos de radio resonantes, la imagen no se puede construir. ¿Cómo localizar una señal que proviene inmediatamente de todas las partes del cuerpo? Hubo un tiempo en que los investigadores Paul Lauterbur y Peter Mansfield recibieron el Premio Nobel de medicina por resolver este problema. En resumen, su solución es usar bobinados adicionales en el aparato, creando un cambio casi lineal en el campo magnético a lo largo de la dirección seleccionada: el gradiente de campo. Dado que nuestro espacio parece ser tridimensional, se utilizan tres devanados: los ejes X, Y y Z.


Ilustración del libro de Evert Blink "The Basics of MRI". Así es como se ven los devanados de gradiente adicionales dentro del aparato: los devanados reales tienen, por supuesto, una estructura más compleja.

Si la intensidad del campo magnético varía linealmente, cuando se activa uno de los gradientes, los protones a lo largo de esta dirección tendrán diferentes frecuencias de resonancia.


Ilustración de howequipmentworks.com. Los devanados de gradiente (azul) y los devanados de radiofrecuencia (verde) se dibujan simbólicamente. Se muestra que al crear un gradiente de campo a lo largo de la tabla en el punto A, la frecuencia de resonancia de los protones diferirá de la frecuencia en el punto B

El uso de gradientes le permite manipular el campo para que la señal provenga solo de áreas específicas. Dependiendo de la amplitud de la señal recibida, se selecciona el brillo del píxel en la imagen. Cuanto mayor sea la concentración de protones en la región, más brillante será el resultado.

Para crear un gradiente de campo magnético, se debe pasar una gran corriente a través de los devanados del gradiente, y el pulso debe ser a corto plazo, con un frente pronunciado, y para algunos programas es necesario que la dirección de la corriente en el devanado de gradiente cambie instantáneamente al opuesto para la reversión de la magnetización. Los potentes convertidores de pulso hacen esto, ocupan un estante entero en la sala de equipos.


Amplificador de gradiente aparato Siemens Harmony 1T. Rendimiento: hasta 300 amperios y hasta 800 voltios, cuando se usan seis módulos, la foto muestra tres módulos.

Los dispositivos Siemens utilizan tradicionalmente refrigeración por agua de los componentes de potencia: los tubos son visibles en la foto. Esto a menudo resulta (un juego de palabras interesante) en un buen saludo en cualquier fuga. A pesar de la preciada calidad alemana, nadie se molestó en instalar sensores de fugas (en este sentido, deberían haber aprendido de GE). Pero para ser justos, específicamente los bloques de gradiente raramente fluyen, más a menudo fallan sin razón aparente.


El interior del módulo de gradiente de Siemens Harmony es un tipo antiguo.

Un módulo como los que se muestran en la foto es difícil de reparar: los transistores están pegados a un tubo de cobre para algo como soldadura en frío, y se queman allí docenas a la vez. Para quitar la placa, ¡necesita soldar varias docenas de patas al mismo tiempo! Mejor olvida esta pesadilla y mira una solución más reciente de un fabricante alemán.


Amplificador de gradiente de Siemens Harmony. Nueva versión Dos tableros simétricos están atornillados a transistores de efecto de campo muy potentes. Los transistores trabajan en grupos de seis en paralelo, por supuesto, no se queman uno a la vez. El modelo en la foto ya está ligeramente "roto", en lugar de los conectores nativos entre las placas, se sueldan las placas de cobre. Preste atención a la esquina superior derecha de la foto: estos son los cables ópticos a través de los cuales pasa la señal para abrir las teclas. Si mezcla su conexión: la unidad se apaga inmediatamente con un estallido fuerte, no se proporciona protección "contra un tonto" en esta técnica.

Uno de los principales problemas durante la reparación es la falta de documentación, especialmente porque el equipo es muy especializado. Por lo tanto, a veces tiene que llenar muchos conos y quemar algunos componentes costosos para comprender qué estaba mal. Por supuesto, puede comprar manuales de servicio por dinero, pero como regla general, son muy superficiales. Las compañías geniales mantienen sus secretos seguros.

Cuanto más fuerte sea el campo magnético en el aparato, tanto más potentes deberían ser los transductores de gradiente. En dispositivos con un campo de 1.5 T y 3 T, el conjunto de transistores de efecto de campo paralelos que necesitan ser marcados para proporcionar la potencia necesaria se vuelve demasiado grande, los ensamblajes IGBT entran en juego, similares a los que se colocan en los convertidores de frecuencia industriales para el control del motor.

Amplificador de gradiente de cascada cuántica en el análisis, corriente de hasta 500 amperios, voltaje de salida de hasta 2000 V. Contiene 20 poderosos conjuntos IGBT. Aquí hay un punto interesante: el conjunto en sí no resistirá 2 kilovoltios, este voltaje se obtiene mediante el uso de cinco fuentes independientes de 400V cada una. Mi sueño es armar una bobina de Tesla de esta unidad.

¿Qué sucede con los devanados de gradiente cuando tales corrientes monstruosas fluyen a través de ellos, teniendo en cuenta el hecho de que también están en un campo magnético débil? La fuerza de Ampere, por supuesto, hace que se deformen, pero están completamente inundados de resina hasta la imposibilidad misma. Sin embargo, incluso esto no ahorra, ya que los gradientes funcionan en el rango de frecuencias de sonido, las vibraciones que surgen de esto pueden dar lugar a sonidos bastante fuertes, en un volumen que se asemeja a un golpe de martillo en un clavo (con la advertencia de que escuchó sobre 5,000 golpes golpeando por segundo). Por lo tanto, en casi cualquier dispositivo de resonancia magnética hay auriculares o tapones para los oídos. El software y el hardware monitorean constantemente el nivel de sonido en la sala del escáner para que los decibelios no superen los límites aceptables. Un campo magnético que cambia rápidamente durante la operación de gradientes, junto con pulsos de radiofrecuencia que generan resonancia, induce corrientes de Foucault en cualquier superficie metálica cerca del escáner, lo que conduce a vibraciones metálicas y un ligero calentamiento, y aparecerán artefactos característicos en las imágenes incluso desde un pequeño sello metálico. Es por esta razón que antes del examen en MRI requieren eliminar todo el metal (no es necesario quitar los sellos).

La unidad de sintetizador (en dispositivos Siemens) o el excitador (en el caso de dispositivos GE) son responsables de crear los pulsos de radiofrecuencia de la frecuencia deseada. A pesar de los diferentes nombres, sus funciones son aproximadamente las mismas. Estas unidades son generalmente confiables y rara vez requieren reparación si se manejan con cuidado. La señal está formada por síntesis digital a analógica, y es una función sinc.


A la izquierda se muestran dos tipos de pulsos de radiofrecuencia: gaussiano y sinc, también conocido como seno cardinal. El lado derecho muestra el perfil de excitación cuando se usa como una señal excitante de radiofrecuencia, es decir, la forma de la región donde los protones entran en la resonancia se muestra aproximadamente en una vista lateral. Por supuesto, la versión inferior es más preferible para crear imágenes (cortes), especialmente cuando se encuentran cerca una de la otra para reducir la influencia de las señales fuera del área de escaneo seleccionada.

Finalmente, llegamos, sin exagerar, al bloque más interesante en mi opinión en todo el tomógrafo: un amplificador de potencia de radiofrecuencia, que convierte una señal débil de un sintetizador en una señal potente alimentada a una antena transmisora ​​en el dispositivo.


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