IRM multicœur

Je parlerai de l'imagerie médicale par résonance magnétique multicœur - l'un des nombreux domaines du développement de l'IRM. Je vais aborder les caractéristiques de la méthode, les solutions techniques nécessaires, l'application et les perspectives.

Pour commencer, une petite excursion dans les bases de l'IRM.

Bases de l'IRM

Le processus d'IRM peut être décrit dans les étapes suivantes:

1. L'objet étudié est placé dans un champ magnétique constant d'un grand aimant principal supraconducteur. L'intensité du champ de cet aimant est indiquée par $$$B_0$et l'axe le long duquel il est dirigé est désigné par l'axe Z. Champ $$$B_0$détermine le nombre de Tesla de ce scanner IRM. Les cliniques utilisent des tomographes avec 1,5 T et 3 T. Les tomographes RM à champs ultra-élevés - 7 T, 9,4 T, ne se trouvent que dans les instituts de recherche.
2. Les noyaux de certains éléments chimiques ont leur propre moment magnétique non nul. La présence d'un moment magnétique au noyau est déterminée par la propriété quantique inhérente des particules - le spin . Sous l'influence du terrain $$$B_0$Les moments magnétiques des noyaux sont orientés en parallèle (la plupart) et antiparallèle (plus petits) aux lignes de force. Ensemble, ces noyaux donnent à l'objet une aimantation macroscopique dans la direction le long de l'axe Z.
   
   
   
   
   

   En outre, les noyaux précèdent . Jusqu'à présent, la précession n'affecte pas l'aimantation générale, car les phases de tous les noyaux sont distribuées de façon aléatoire et les composantes de leurs moments magnétiques perpendiculaires à l'axe Z s'annulent mutuellement. Fréquence de précession - Fréquence de Larmor , dépend uniquement du champ magnétique $$$B_0$et les propriétés du noyau - son rapport gyromagnétique.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma,$$
   où $$$\ omega_0$- fréquence angulaire de Larmor de la précession nucléaire, [rad / s];
   $$$B_0$- intensité du champ magnétique, [T];
   $$$\ gamma$- rapport gyromagnétique du noyau, [rad / (T $$$\ cdot$c)].
   Le rapport gyromagnétique est défini comme $$$\ gamma = \ mu / h$où $$$\ mu$- moment magnétique intrinsèque de l'atome, [A $$$\ cdot$m $$$^ 2$]; $$$h$- constante de Planck, $$$h = 6 626 070 040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$J $$$\ cdot$s
   
   

   Aujourd'hui, la tomographie médicale est basée sur le travail avec des atomes d'hydrogène, dont le noyau est un proton ordinaire. Des noyaux de divers éléments chimiques dans le même domaine seront précessés avec des fréquences différentes. Pour l'IRM multicœur, les atomes sont intéressants $$$^ {23} Na$, $$$^ {31} P$, $$$^ {13} C$, $$$^ {19} F$, $$$^ {17} O$, $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   Fréquences de Larmor de certains atomes, MHz

   Atome	Gyromagnétique rapport, MHz / T	Intensité du champ $$$B_0$T
   		1,5	3	7	9,4
   $$$^ {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

   
   

   À partir de ces données, on peut comprendre les problèmes possibles de l'IRM multicœur. Les fréquences des autres atomes sont très différentes de la fréquence de l'hydrogène, cela nécessite d'équiper le tomographe d'un deuxième ensemble d'électronique pour travailler avec un signal RF. En revanche, la fréquence du fluor-19 est au contraire proche de la fréquence de l'hydrogène et donc des difficultés surgissent avec la différenciation de leurs signaux. Pour résoudre ce problème, vous pouvez utiliser des champs ultra-élevés dans lesquels l'étape d'échantillonnage en fréquence devient plus étroite. Le rapport gyromagnétique peut également être négatif, comme dans l'oxygène-17. Ses noyaux dans le même champ vont se précéder en sens inverse par rapport aux autres. Cela doit être pris en compte dans l'étape suivante - l'excitation des noyaux.

3. La bobine émettrice de radiofréquence (antenne) crée une impulsion de champ magnétique $$$B_1$tournant dans le plan XOY. Ici, le phénomène de résonance se produit, si la fréquence de rotation du champ coïncide avec la fréquence de Larmor, alors les noyaux tournent vers le plan XOY et synchronisent les phases de rotation. Si la durée de l'impulsion RF est telle que les moments magnétiques de la plupart des noyaux sont réorientés vers le plan XOY, alors l'impulsion est appelée 90 degrés . Après une impulsion à 90 degrés, la magnétisation macroscopique de l'objet tourne dans le plan XOY avec une fréquence égale à la fréquence de Larmor du noyau.
   

   
   

   Dans les bobines RF de réception, cette aimantation rotative induit une tension - un signal (décroissance) d'induction libre . Récession, car la relaxation de cet état se produit et cette aimantation particulière est perdue. La relaxation se produit de deux manières. Relaxation croisée , avec constante de temps $$$T_2$est associée à une perte de synchronisation des phases de rotation des atomes. Relaxation longitudinale , avec constante de temps $$$T_1$associée au retour de l'orientation des moments magnétiques des noyaux le long du champ $$$B_0$.
   

   
   
   
   
   

   En général, pour obtenir des informations sur l'objet, cela suffit. Le signal contiendra des informations intégrales et moyennées sur ces noyaux d'objets. Par exemple, des changements chimiques peuvent être observés dans le spectre de fréquences d'un signal - des changements dans la fréquence de Larmor en raison de l'interaction des atomes dans un composé chimique. C'est la base de la spectroscopie RMN, une méthode utilisée par les chimistes pour analyser la composition chimique d'un objet.
   

   
   

   Dans cette publication, je parlerai un peu plus des bobines RF et de leurs fonctionnalités en IRM multicœur.
   

RF Coil Designs

Les bobines RF d'émission (Tx) sont chargées de transmettre efficacement une impulsion d'une fréquence donnée et de créer un champ magnétique uniforme perpendiculaire à l'axe Z. Fait intéressant, la perte d'impulsion RF dans le système est énorme. À partir de plusieurs kilowatts créés par des amplificateurs de puissance, seules des dizaines de watts atteignent les bobines. Par conséquent, les bobines RF sont faites en résonance électrique à une fréquence donnée. La conception de la bobine RF impose également des limites et une anatomie. Dans les études d'IRM, seule une partie du corps est souvent considérée - la tête, la poitrine, le genou, etc. La bobine émettrice pour l'étude du corps entier est généralement intégrée dans le tomographe lui-même, et pour l'étude des parties individuelles du corps, elle est représentée par des modules séparés.

Bobine de tête RF Siemens

Je vais donner quelques exemples de conceptions de bobines.

1. Bobine sous la forme d'un solénoïde.

   
   
   
   
   

   Un moyen simple de créer un champ uniforme à l'intérieur des enroulements du solénoïde. Il peut sembler que les champs dans une telle bobine ne peuvent pas être mis en rotation. Mais il faut se rappeler que le vecteur $$$B_1$l'évolution selon une loi sinusoïdale peut être représentée comme la somme de deux composantes tournant dans des directions opposées.
   

   
   

2. Bobine de selle

   
   
   
   
   

3. Moulinet cage à oiseaux

   
   
   
   
   

   À gauche se trouve la «cage à oiseaux» du type à basses fréquences, à droite - les supérieures.

   
   

   Option avancée. Peut être sous forme de basses fréquences ou de hautes fréquences. Grâce au réglage des éléments - la capacité et la capacité d'inductance dues à la longueur de jambe (rarement), le courant de la fréquence requise a une distribution angulaire presque sinusoïdale et crée un champ uniforme. Si un signal en quadrature lui est appliqué, le champ $$$B_1$sera purement rotatif.

   
   

4. Bobines multiples

   
   
   
   
   

   Bobine de tête composée d'antennes dipôles raccourcies et de boucles rectangulaires.

   
   

   Ils sont construits à partir de plusieurs antennes plus simples disposées en cercle. Les éléments peuvent être des antennes dipôles, des antennes en boucle, des antennes microruban, etc. Ici, vous pouvez voir comment l'anatomie affecte la conception. Par exemple, la longueur d'onde du rayonnement de la fréquence de Larmor d'un proton à 7 T est de 1 m. Une antenne dipôle ordinaire devrait avoir la moitié de la longueur d'onde du rayonnement détecté. Il n'est pas pratique de fabriquer une bobine aussi longue pour examiner la tête, de sorte que l'antenne dipôle est raccourcie en ajoutant des inductances à ses épaules.
   

   
   

La fonction de réception de bobines peut également être réalisée sur des bobines d'émission, ayant reçu une bobine d'émission-réception (TxRx). Les bobines de réception pure (Rx) devraient également être résonnantes, mais les exigences de conception sont quelque peu différentes. Ils peuvent être réalisés sous la forme d'un réseau d'antennes à boucle plate. Ils sont donc situés directement à la surface du corps, réduisant ainsi la perte du signal reçu.

Bobine de réception de surface Siemens

Un réglage fin de la fréquence des bobines est effectué en changeant la capacité des condensateurs. Il est également important de faire correspondre les impédances de la bobine et le chemin pour un transfert d'énergie efficace. L'impédance de la bobine utilisant des circuits d'inductances et de condensateurs transformant l'impédance conduit à une norme de 50 ohms.

Caractéristiques des bobines RF pour IRM multicœur

Ainsi, pour recevoir un signal des noyaux d'hydrogène et en plus d'un autre élément en IRM, les bobines RF doivent avoir des propriétés différentes. Comment l'implémenter.

1. L'option la plus simple. Faites deux bobines différentes, une pour l'hydrogène et une pour un autre élément. Effectuez une étude complète avec une bobine de protons, retirez l'objet et la bobine, mettez une autre bobine pour renvoyer l'objet et répétez l'étude. Étant donné que l'IRM prend du temps et est sensible aux mouvements, l'option n'est pas applicable.
   

2. Faites des bobines à double résonance. Le deuxième pic de résonance peut être introduit dans la bobine par l'ajout d'un circuit LC en série. L'introduction de circuits LC supplémentaires vous permet de régler la bobine sur 3 fréquences ou plus
   

   
   
   
   
   

3. Utilisez des commutateurs. Par exemple, à l'aide de diodes PIN, il est possible de contourner des condensateurs de réglage supplémentaires. Ainsi, lors de l'application d'une tension constante, le circuit de réglage électrique change et, en conséquence, la fréquence de résonance de la bobine.
   

   
   
   
   
   

4. Utilisez deux (ou plus) bobines en même temps. Chacun d'eux est réglé sur sa propre fréquence. Cela pose le problème du couplage inductif mutuel entre les bobines. Souvent, il est résolu en utilisant une conception de bobine spéciale. La géométrie et le type d'antennes sont sélectionnés de manière à ce que les champs créés par eux soient orthogonaux entre eux. Autres options - ajoutez un filtre LC passif à chaque bobine, supprimant le signal de l'autre; À l'aide de diodes PIN, bouleversez la bobine actuellement inutilisée.
   

   
   
   
   
   

5. Moulinet à cage à quatre anneaux. D'une part et d'autre part, une «cellule» supplémentaire est ajoutée à la «cellule» habituelle. Le segment intérieur fonctionne de manière similaire à une bobine à fréquence unique conventionnelle. Les segments externes forment ensemble une «cage à oiseaux» réglée sur une fréquence différente. Cette conception permet aux bobines de résonner indépendamment les unes des autres.
   

   
   
   

   À gauche, une «cage à oiseaux» à 4 anneaux avec un segment externe comme les hautes fréquences, à droite - les plus basses.

   
   

Conclusion

L' imagerie in vivo et la spectroscopie dans les études d'IRM sont une tâche difficile. La concentration d'atomes en plus de l'hydrogène dans le corps humain est assez faible, de ce fait, le rapport signal / bruit lors du travail avec ces atomes est faible. Pour améliorer le SNR, l'IRM avec des champs ultra-élevés est utilisée, mais dans ces domaines, des difficultés surviennent avec l'uniformité du champ. Avec une telle Tesla, la longueur d'onde d'émission de protons est déjà comparable à la taille des parties du corps.

Mais l'utilisation d'autres atomes contient des informations précieuses sur le métabolisme. Atomes $$$^ {23} Na$transporter des informations sur l'équilibre du sel dans les cellules. Les cellules saines et vivantes maintiennent constamment une faible concentration d'ions sodium à l'intérieur d'elles-mêmes tandis qu'elles sont élevées à l'extérieur avec des pompes sodium-potassium. Ce processus s'accompagne de coûts énergétiques, donc les troubles métaboliques se reflètent dans un changement de la concentration des ions sodium à l'intérieur des cellules. Les tumeurs cérébrales, l'ischémie, les accidents vasculaires cérébraux, les troubles bipolaires sont associés à une augmentation de la concentration de sodium à l'intérieur des cellules et cela peut être observé à l'aide de l'IRM multicœur.

Un autre exemple de phosphore sous forme d'atome $$$^ {31} P$. Il est inclus dans des métabolites importants - ATP, phosphocréatine, etc. En effectuant une spectroscopie du phosphore dans les muscles, on peut évaluer la présence de ces substances et le niveau de métabolisme dans les muscles.

Spectroscopie $$$^ {13} C$déjà utilisé en spectroscopie RMN pour analyser les composés chimiques organiques, mais in vivo sa concentration dans le corps humain est faible, mais la méthode est toujours applicable.

Atome $$$^ {17} O$il a une faible concentration à l'état naturel, mais s'il sature l'air que respire la personne étudiée, vous pouvez construire une carte de son taux métabolique, ce qui aide au diagnostic des tumeurs.

Mais encore, avant l'utilisation généralisée de l'IRM multinucléaire dans les cliniques, il reste encore un long chemin à parcourir et cela prendra 20 à 30 ans.

Les sources