Nous démontons l'imageur à résonance magnétique

La physique quantique, les mathématiques, la biologie, la cryogénie, la chimie et l'électronique sont entrelacées dans un seul motif pour être incarnées dans le fer et montrer le monde intérieur réel d'une personne, et même, pas moins, lire ses pensées. L'électronique de tels appareils, en termes de fiabilité et de complexité, ne peut être comparée qu'à des appareils spatiaux. Cet article est consacré à l'équipement et aux principes de l'imagerie par résonance magnétique.

Dans le domaine de la tomographie moderne, les mastodontes du monde électronique dominent: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Seules de telles grandes entreprises peuvent se permettre le développement d'un équipement aussi sophistiqué, dont le coût s'élève généralement à des dizaines (presque des centaines) de millions de roubles. Bien sûr, la réparation d'un équipement aussi cher par un représentant officiel se transforme en un énorme sou pour le propriétaire de l'appareil (et ils sont, en passant, pour la plupart privés, pas étatiques). Mais ne désespérez pas! En plus des centres de service pour la réparation d'ordinateurs portables, de téléphones, de machines CNC et, en fait, de l'électronique, il existe des entreprises impliquées dans la réparation d'équipements médicaux. Je travaille dans l'une de ces sociétés, je vais donc vous montrer l'électronique intéressante et essayer de décrire sa fonctionnalité en termes clairs.


Scanner d'imagerie par résonance magnétique GE Healthcare avec un champ de 1,5 Tesla. La table est détachée du tomographe et peut être utilisée comme fauteuil roulant ordinaire.

Toute la magie de l'IRM commence avec la physique quantique, d'où le terme «spin», appliqué aux particules élémentaires. Vous pouvez trouver un tas de définitions de ce qu'est le spin, généralement acceptée - c'est le moment de l'élan de la particule, quoi que cela signifie. À ma connaissance, les particules semblent constamment tourner (simplifiées) tout en créant des perturbations dans un champ magnétique. Puisque les particules élémentaires forment à leur tour les noyaux des atomes, on pense que leurs spins sont additionnés et que le noyau a son propre spin. De plus, si nous voulons interagir d'une manière ou d'une autre avec les noyaux d'atomes à l'aide d'un champ magnétique, il sera très important pour nous que le spin du noyau soit non nul. Coïncidence ou non, mais l'élément le plus commun dans notre univers - l'hydrogène a un noyau sous la forme d'un seul proton, qui a un spin égal à 1/2.


Et cela signifie que, de façon simpliste, les noyaux d'hydrogène peuvent être considérés comme de très petits aimants ayant un pôle nord et sud. Et est-il utile de mentionner que dans le corps humain, les atomes d'hydrogène ne sont que la mer (environ 10 ^ 27), mais comme nous n'attirons pas de glandes pour nous, il devient évident que tous ces petits "aimants" sont équilibrés entre eux et d'autres particules, et le magnétique général le moment corporel est pratiquement nul.

Illustration tirée du livre d'Evert Blink «Les bases de l'IRM». Les protons avec des flèches noires symbolisant l'aiguille de la boussole tournent dans le sens de la flèche bleue.

En appliquant un champ magnétique externe, ce système peut être déséquilibré et les protons (pas tous bien sûr) changeront leur orientation spatiale en fonction de la direction des lignes de force du champ.

Illustration de Lars G. Hanson Introduction à la résonance magnétique
Techniques d'imagerie. Les spins de protons dans le corps humain sont représentés par des vecteurs de flèche. À gauche, la situation où tous les protons sont en équilibre magnétique. Droite - lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué. Les visualisations inférieures montrent la même chose dans une version tridimensionnelle, si vous construisez tous les vecteurs à partir d'un point. Avec tout cela, il y a une rotation (précession) autour des lignes de champ magnétique, qui est indiquée par une flèche rouge ronde.

Avant que les protons s'orientent en fonction du champ extérieur, ils oscilleront (précession) pendant un certain temps autour de la position d'équilibre, comme l'aiguille de la boussole, qui oscillerait près de la marque «nord» si le fabricant n'a pas prudemment ajouté de liquide d'amortissement à l'intérieur du cadran. Il est à noter que la fréquence de ces vibrations varie pour différents atomes. Sur la mesure de cette fréquence, par exemple, des méthodes de résonance pour déterminer la composition de la substance d'essai sont basées.


Pour les noyaux d'atomes d'hydrogène dans un champ de 1 Tesla, cette fréquence est de 42,58 MHz, enfin, ou en termes simples, les vibrations des protons autour des lignes de champ d'une telle intensité se produisent environ 42 millions de fois par seconde. Si nous irradions des protons avec une onde radio avec une fréquence appropriée, alors une résonance se produira et les oscillations s'amplifieront, le vecteur de l'aimantation générale se déplacera d'un certain degré par rapport aux lignes du champ externe.


Illustration de Lars G. Hanson Introduction aux techniques d'imagerie par résonance magnétique. On montre comment le vecteur d'aimantation général se déplace après une exposition à une onde radioélectrique dont la fréquence provoque une résonance dans le système. N'oubliez pas que tout cela continue de tourner par rapport à la ligne de champ magnétique (sur la figure, il est situé verticalement).

Ici commence la partie la plus intéressante - après l'interaction de l'onde radio avec les protons et l'amplification résonante des oscillations, les particules tendent à nouveau à atteindre un état d'équilibre, tout en émettant des photons (dont l'onde radio est constituée). C'est ce qu'on appelle l'effet de résonance magnétique nucléaire. En fait, tout le corps à l'étude se transforme en un vaste éventail d'émetteurs radio miniatures, le signal à partir duquel vous pouvez capturer, localiser et construire une image de la distribution des atomes d'hydrogène dans une substance. Ainsi, comme vous l'avez peut-être déjà deviné, l'IRM montre essentiellement une image de la distribution de l'eau dans le corps. Plus l'intensité du champ est forte, plus le nombre de protons pouvant être utilisés pour recevoir des signaux est important, de sorte que la résolution du scanner en dépend directement.

Cet effet se manifeste non seulement dans les champs magnétiques puissants - chaque jour, même sur le chemin du magasin pour le pain, les protons de notre corps sont affectés par le champ magnétique terrestre. Des chercheurs slovènes, par exemple, ont construit un système IRM expérimental qui utilise uniquement le champ magnétique de notre planète.

Illustration tirée de l'article scientifique «Système d'imagerie par résonance magnétique basé sur
Champ magnétique terrestre »Auteurs: Ales Mohoric, Gorazd Planins et al. Démontre des images prises à l'aide d'un système expérimental. A gauche, une pomme, à droite, une orange. Il est significatif que les images de mauvaise qualité ne soient pas obtenues, mais la possibilité fondamentale d'utiliser la RM dans les champs faibles.

Bien sûr, dans les scanners médicaux commerciaux, le champ magnétique est plusieurs fois plus élevé que la terre. Le plus souvent, des scanners avec un champ de 1, 1,5 et 3 Tesla sont utilisés, bien qu'il existe à la fois des monstres plus faibles (0,2, 0,35 Tesla) et sévères de 7 et même 10 Tesla. Ces derniers sont principalement utilisés pour des activités de recherche et, dans ma pays, pour autant que je sache, il n'y en a pas.

Structurellement, le champ dans le scanner peut être créé de différentes manières - ce sont des aimants permanents, des électroaimants et des supraconducteurs immergés dans de l'hélium bouillant à travers lequel circulent d'énormes courants. Ces derniers sont très répandus et présentent le plus grand intérêt, car ils permettent d'obtenir une intensité de champ incomparablement plus grande par rapport à d'autres options.


Une conception typique d'un appareil d'IRM, le champ dans lequel est créé par le courant traversant les supraconducteurs. La source est Internet.

La température des enroulements supraconducteurs est maintenue grâce à l'évaporation progressive du fluide frigorigène - hélium liquide, en outre, un refroidisseur cryogénique fonctionne dans le système, qui est appelé «tête froide» dans le jargon médical. Il émet des sons de champignon caractéristiques, que vous avez probablement entendus si vous avez déjà vu l'appareil à proximité. Le courant dans les supraconducteurs circule constamment, et non seulement pendant le fonctionnement de l'appareil, respectivement, il y a toujours un champ magnétique. Ignorant ce fait, les cinéastes rencontrent souvent (par exemple, dans la dernière saison de la série "Black Mirror" il y avait une erreur similaire).

Sur le panneau de commande des appareils de ce type, il y a un gros bouton rouge qui vous permet de désactiver le champ magnétique (aimant délabré). Ce n'est pas sans ironie que l'on appelle le «licenciement par bouton».


L'un des panneaux de contrôle tomographique Siemens

En appuyant sur ce bouton, vous allumez les radiateurs de secours dans un récipient avec du réfrigérant, ce qui élève la température des enroulements à un point critique, après quoi le processus se passe comme une avalanche: après que les enroulements aient acquis une résistance, le courant qui les traverse les chauffe instantanément et tout le reste, conduisant à l'émission d'hélium à travers un tuyau spécial. Ce processus est appelé «Quench» et c'est probablement la chose la plus triste qui puisse arriver à l'appareil, car le restaurer après cela prend beaucoup de temps et d'argent.


Tomographe Siemens Espree, avec champ 1.5. Tesla, fais attention aux touches métalliques qui reposent tranquillement sur la table - il n'y a plus de champ magnétique ici. Il a été acheté pour certaines cliniques gouvernementales de Siemens. Il a une taille de réservoir relativement petite et un grand diamètre d'ouverture. Il y a une opinion qu'un tel raccourcissement de la conception a abouti au fait qu'il aime souvent mettre de l'hélium au vent seul (au moins l'appareil sur la photo le fait avec une régularité enviable).

En attendant, après une brève digression, revenons à la théorie. Si vous recevez simplement les ondes radio émises par les protons du corps en réponse à des impulsions radio résonnantes, l'image ne peut pas être construite. Comment localiser un signal qui provient immédiatement de toutes les parties du corps? À un moment donné, les chercheurs Paul Lauterbur et Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel de médecine pour résoudre ce problème. En bref, leur solution consiste à utiliser des enroulements supplémentaires dans l'appareil, créant un changement presque linéaire du champ magnétique le long de la direction sélectionnée - le gradient de champ. Puisque notre espace semble être en trois dimensions, trois enroulements sont utilisés - les axes X, Y et Z.


Illustration tirée du livre d'Evert Blink «Les bases de l'IRM». Voici à quoi ressemblent les enroulements à gradient supplémentaire à l'intérieur de l'appareil - les enroulements réels ont bien sûr une structure plus complexe.

Si la force du champ magnétique varie linéairement, alors lorsque l'un des gradients est activé, les protons le long de cette direction auront des fréquences de résonance différentes.


Illustration de howequipmentworks.com. Les enroulements de gradient (bleu) et les enroulements de radiofréquence (vert) sont symboliquement dessinés. Il est montré que lors de la création d'un gradient de champ le long de la table au point A, la fréquence de résonance des protons sera différente de la fréquence au point B

L'utilisation de dégradés vous permet de manipuler le champ de sorte que le signal ne provienne que de zones spécifiques. En fonction de l'amplitude du signal reçu, la luminosité du pixel dans l'image est sélectionnée. Plus la concentration de protons dans la région est élevée, plus le résultat est brillant.

Pour créer un gradient de champ magnétique, un grand courant doit traverser les enroulements de gradient, et l'impulsion doit être assez courte, avec un front raide, et pour certains programmes, il est nécessaire que la direction du courant dans l'enroulement de gradient change instantanément à l'inverse pour l'inversion de l'aimantation. Les convertisseurs d'impulsions puissants font cela, ils occupent un rack entier dans la salle d'équipement.


Appareils amplificateurs à gradient Siemens Harmony 1T. Performance - jusqu'à 300 ampères et jusqu'à 800 volts, lorsque vous utilisez six modules - la photo montre trois modules.

Les appareils Siemens utilisent traditionnellement le refroidissement par eau des composants de puissance - les tubes sont visibles sur la photo. Il en résulte souvent (un jeu de mots intéressant) un bon salut dans toute fuite. Malgré la qualité allemande tant vantée, personne n'a pris la peine d'installer des capteurs de fuite (à cet égard, ils auraient dû apprendre de GE). Mais en toute justice, les blocs de gradient en particulier coulent rarement, plus souvent ils échouent sans raison apparente.


L'intérieur du module de gradient de Siemens Harmony est un ancien type.

Un module comme ceux montrés sur la photo est difficile à réparer - les transistors sont collés sur un tube en cuivre pour quelque chose comme le soudage à froid, et ils y brûlent des dizaines à la fois. Pour retirer la planche, vous devez souder plusieurs dizaines de pattes en même temps! Mieux vaut oublier ce cauchemar et regarder une solution plus récente d'un fabricant allemand.


Amplificateur à gradient de Siemens Harmony. Version plus récente. Deux cartes symétriques sont boulonnées sur des transistors à effet de champ très puissants. Les transistors travaillent en groupes de six en parallèle, bien sûr, ils ne brûlent pas non plus un à la fois. Le modèle sur la photo est déjà légèrement «cassé», au lieu des connecteurs natifs entre les cartes, les plaques de cuivre sont soudées. Faites attention au coin supérieur droit de la photo - ce sont les câbles optiques à travers lesquels passe le signal d'ouverture des touches. Si vous mélangez leur connexion - l'unité s'éteint immédiatement avec un bruit fort, aucune protection "contre un imbécile" n'est prévue dans cette technique.

L'un des principaux problèmes lors de la réparation est le manque de documentation, d'autant plus que l'équipement est très spécialisé. Par conséquent, il faut parfois remplir beaucoup de cônes et graver pas mal de composants coûteux pour comprendre ce qui n'allait pas. Bien sûr, vous pouvez acheter des manuels de service pour de l'argent, mais en règle générale, ils sont très superficiels. Les entreprises cool gardent leurs secrets en sécurité.

Plus le champ magnétique est puissant dans l'appareil, plus les transducteurs à gradient devraient être puissants. Dans les appareils avec un champ de 1,5 T et 3 T, le groupe de transistors à effet de champ parallèles qui doivent être composés pour fournir la puissance nécessaire devient trop énorme, les assemblages IGBT entrent en jeu, similaires à ceux qui sont placés dans les convertisseurs de fréquence industriels pour la commande du moteur.

Amplificateur à gradient de cascade quantique dans l'analyse, courant jusqu'à 500 ampères, tension de sortie jusqu'à 2000 V. Il contient 20 ensembles IGBT puissants. Il y a un point intéressant ici - l'ensemble lui-même ne supportera pas 2 kilovolts, cette tension est obtenue en utilisant cinq sources indépendantes de 400V chacune. Mon rêve est d'assembler une bobine Tesla à partir de cette unité.

Que se passe-t-il avec des enroulements à gradient lorsque de tels courants monstrueux les traversent, compte tenu du fait qu'ils sont également dans un champ magnétique faible? La force de l'ampère, bien sûr, les fait se déformer, mais ils sont fermement inondés de résine à l'impossibilité même. Néanmoins, même cela n'économise pas - puisque les gradients fonctionnent dans la gamme des fréquences sonores, les vibrations qui en résultent peuvent donner lieu à des sons assez forts, en volume ressemblant à un coup de marteau sur un clou (avec la mise en garde que vous avez entendu environ 5000 coups martelant par seconde). Par conséquent, dans presque tous les appareils d'IRM, il y a des écouteurs ou des bouchons d'oreille. Le logiciel et le matériel surveillent constamment le niveau sonore dans la salle du scanner afin que les décibels ne dépassent pas les limites acceptables. Un champ magnétique qui change rapidement pendant le fonctionnement des gradients, couplé à des impulsions de fréquence radio générant une résonance, induit des courants de Foucault dans toute surface métallique près du scanner, ce qui conduit à des vibrations métalliques et à un léger échauffement, et des artefacts caractéristiques apparaîtront sur les images même à partir d'un petit joint métallique. C'est pour cette raison qu'avant l'examen en IRM, ils doivent se débarrasser de tout le métal (les joints n'ont pas besoin d'être retirés).

Le synthétiseur (dans les appareils Siemens) ou l'excitateur (dans le cas des appareils GE) sont responsables de la création des impulsions radiofréquences de la fréquence souhaitée. Malgré les noms différents, leurs fonctions sont à peu près les mêmes. Ces unités sont généralement fiables et nécessitent rarement des réparations si elles sont manipulées avec soin. Le signal est formé par synthèse numérique-analogique et est une fonction sinc.


Deux types d'impulsions de radiofréquence sont indiqués sur la gauche - gaussien et sinc, également connu sous le nom de sinus cardinal. Le côté droit montre le profil d'excitation lorsqu'il est utilisé comme signal d'excitation par radiofréquence - c'est-à-dire que la forme de la région où les protons entrent dans la résonance est approximativement montrée dans une vue latérale. Bien sûr, la version inférieure est plus préférable pour créer des images (tranches), surtout lorsqu'elles sont situées à proximité les unes des autres afin de réduire l'influence des signaux en dehors de la zone de balayage sélectionnée.

Enfin, nous sommes arrivés, sans exagération, au bloc le plus intéressant à mon avis tout au long du tomographe - un amplificateur de puissance à radiofréquence, qui convertit un signal faible provenant d'un synthétiseur en un signal puissant envoyé à une antenne d'émission dans l'appareil.


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