मल्टीकोर एमआरआई

मैं मल्टी-कोर मेडिकल चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के बारे में बात करूंगा - एमआरआई विकास के कई क्षेत्रों में से एक। मैं विधि की सुविधाओं, आवश्यक तकनीकी समाधान, आवेदन और संभावनाओं पर स्पर्श करूंगा।

आरंभ करने के लिए, एमआरआई की मूल बातें में एक छोटा सा विषयांतर।

एमआरआई मूल बातें

एमआरआई की प्रक्रिया को निम्नलिखित चरणों में वर्णित किया जा सकता है:

1. अध्ययन के तहत वस्तु को एक बड़े चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, एक नियम के रूप में, मुख्य चुंबक अतिचालक। इस चुम्बक के क्षेत्र की ताकत इसके द्वारा बताई गई है $$$B_0$और जिस अक्ष के साथ इसे निर्देशित किया गया है वह Z अक्ष द्वारा दर्शाया गया है । यही कारण है कि क्षेत्र $$$B_0$यह निर्धारित करता है कि इस MRI स्कैनर में कितने टेस्ला हैं। क्लीनिक 1.5 टी और 3 टी के साथ टोमोग्राफ का उपयोग करते हैं। अल्ट्रा-हाई फील्ड्स के साथ एमआर टोमोग्राफ - 7 टी, 9.4 टी, केवल अनुसंधान संस्थानों में पाए जाते हैं।
2. कुछ रासायनिक तत्वों के नाभिक का अपना गैर-चुंबकीय क्षण होता है। नाभिक में एक चुंबकीय क्षण की उपस्थिति कणों की अंतर्निहित क्वांटम संपत्ति - स्पिन द्वारा निर्धारित की जाती है। क्षेत्र के प्रभाव में $$$B_0$नाभिक के चुंबकीय क्षणों को बल की रेखाओं के समानांतर (सबसे अधिक) और प्रतिपदार्थ (छोटे) में उन्मुख किया जाता है। साथ में, ये नाभिक Z अक्ष के साथ दिशा में ऑब्जेक्ट मैक्रोस्कोपिक मैग्नेटाइजेशन देते हैं।
   
   
   
   
   

   इसके अलावा, कोर प्रीसेस करते हैं । अब तक, प्रिसिजन सामान्य मैग्नेटाइजेशन को प्रभावित नहीं करता है, क्योंकि सभी नाभिकों के चरणों को यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है और उनके चुंबकीय क्षणों के घटक Z अक्ष पर लंबवत रूप से एक दूसरे को रद्द करते हैं। रियायत आवृत्ति - लामोर आवृत्ति , केवल चुंबकीय क्षेत्र पर निर्भर करती है $$$B_0$और कोर के गुण - इसका जियोमैग्नेटिक अनुपात।
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ Gamma,$$
   जहाँ $$$\ omega_0$- लामोर की परमाणु प्रसार की कोणीय आवृत्ति, [रेड / एस];
   $$$B_0$- चुंबकीय क्षेत्र की ताकत, [टी];
   $$$गामा$- कोर का जियोमैग्नेटिक अनुपात, [रेड / (टी) $$$\ _ काड$ग)]।
   Gyromagnetic अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है $$$\ _ गामा = \ mu / h$जहाँ $$$\ _मु$- परमाणु के आंतरिक चुंबकीय क्षण, [ए $$$\ _ काड$मीटर $$$^ 2$]; $$$ज$- प्लैंक स्थिरांक, $$$h = 6,626,070,040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$जे $$$\ _ काड$एक।
   
   

   आज, मेडिकल टोमोग्राफी हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ काम पर आधारित है, जिसका मूल एक साधारण प्रोटॉन है। एक ही क्षेत्र में विभिन्न रासायनिक तत्वों के नाभिक अलग-अलग आवृत्तियों से जुड़ेंगे। मल्टी-कोर एमआरआई के लिए, परमाणु दिलचस्प हैं $$$^ {23} ना$। $$$^ {31} पी$। $$$^ {13} सी$। $$$^ {19} एफ$। $$$^ {17} हे$। $$$^ {129} Xe।$
   

   
   

   कुछ परमाणुओं के लेज़र आवृत्तियों, मेगाहर्ट्ज

   परमाणु	gyromagnetic अनुपात, मेगाहर्ट्ज / टी	क्षेत्र की ताकत $$$B_0$, टी
   		1.5	3	7	9.4
   $$$^ {1} एच$	42.58	63.87	127.73	298.04	400.22
   $$$^ {23} ना$	11.26	16.89	33.79	78.83	105.86
   $$$^ {31} पी$	17.24	25.85	51.71	120.65	162.01
   $$$^ {13} सी$	10.71	16.06	32.13	74.96	100.66
   $$$^ {19} एफ$	40,05	60.08	120.16	280.36	376.49
   $$$^ {17} हे$	-5.77	-8.66	-17.32	-40.40	-54.26

   
   

   इन आंकड़ों से, व्यक्ति मल्टीकोर एमआरआई की संभावित समस्याओं को समझ सकता है। अन्य परमाणुओं की आवृत्ति हाइड्रोजन की आवृत्ति से बहुत भिन्न होती है, इसके लिए RF सिग्नल के साथ काम करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स के दूसरे सेट के साथ टोमोग्राफ को लैस करना पड़ता है। दूसरी ओर, फ्लोरीन -19 की आवृत्ति, इसके विपरीत, हाइड्रोजन की आवृत्ति के करीब है और इसलिए उनके संकेतों के भेदभाव के साथ कठिनाइयां उत्पन्न होती हैं। इसे हल करने के लिए, आप अल्ट्रा-हाई फील्ड का उपयोग कर सकते हैं जिसमें आवृत्ति में नमूना कदम संकीर्ण हो जाता है। ऑक्सीजन -17 की तरह, जियोमैग्नेटिक अनुपात भी नकारात्मक हो सकता है। एक ही क्षेत्र में इसका नाभिक अन्य की तुलना में विपरीत दिशा में जाएगा। अगले चरण में इसे ध्यान में रखा जाना चाहिए - नाभिक का उत्तेजना।

3. संचारण रेडियो आवृत्ति कॉइल (एंटीना) एक चुंबकीय क्षेत्र आवेग बनाता है $$$B_1$XOY विमान में घूमना। यहां अनुनाद घटना होती है, यदि क्षेत्र रोटेशन आवृत्ति लामर आवृत्ति के साथ मेल खाती है, तो नाभिक एक्सओवाई विमान के लिए घूमता है और रोटेशन चरणों को सिंक्रनाइज़ करता है। यदि आरएफ नाड़ी की अवधि ऐसी है कि अधिकांश नाभिक के चुंबकीय क्षणों को XOY विमान में पुन: मिला दिया जाता है, तो नाड़ी को 90-डिग्री वाला कहा जाता है। 90-डिग्री पल्स के बाद, ऑब्जेक्ट का मैक्रोस्कोपिक मैग्नेटाइजेशन एक्सओवाई विमान में नाभिक के लारमोर आवृत्ति के बराबर आवृत्ति के साथ घूमता है।
   

   
   

   प्राप्त आरएफ कॉइल में, यह घूर्णन चुंबकीयकरण एक वोल्टेज को प्रेरित करता है - मुक्त प्रेरण का एक संकेत (क्षय) । मंदी, क्योंकि इस राज्य से विश्राम होता है, और यह विशेष चुंबकत्व खो जाता है। विश्राम दो तरह से होता है। क्रॉस विश्राम , समय के साथ $$$T_2$परमाणुओं के रोटेशन के चरणों के तुल्यकालन के नुकसान के साथ जुड़ा हुआ है। अनुदैर्ध्य विश्राम , समय के साथ $$$T_1$क्षेत्र के साथ नाभिक के चुंबकीय क्षणों के उन्मुखीकरण की वापसी के साथ जुड़ा हुआ है $$$B_0$।
   

   
   
   
   
   

   सामान्य तौर पर, वस्तु के बारे में कुछ जानकारी प्राप्त करने के लिए, यह पर्याप्त है। सिग्नल में इन ऑब्जेक्ट कोर के बारे में अभिन्न, औसत जानकारी होगी। उदाहरण के लिए, रासायनिक बदलाव को एक सिग्नल के आवृत्ति स्पेक्ट्रम में देखा जा सकता है - एक रासायनिक परिसर में परमाणुओं की बातचीत के कारण लामोर आवृत्ति में परिवर्तन। यह एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का आधार है, जो एक रसायनज्ञ द्वारा किसी वस्तु की रासायनिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि है।
   

   
   

   इस प्रकाशन में, मैं बहु-कोर एमआरआई में आरएफ कॉइल और उनकी विशेषताओं के बारे में कुछ और बात करूँगा।
   

आरएफ कुंडल डिजाइन

संचारण (Tx) RF कॉइल्स को एक दी गई फ्रीक्वेंसी की पल्स को प्रभावी ढंग से ट्रांसमिट करने और Z अक्ष पर एक समान चुंबकीय क्षेत्र लंबवत बनाने का काम सौंपा गया है। दिलचस्प बात यह है कि सिस्टम में RF पल्स का नुकसान काफी है। पावर एम्पलीफायरों द्वारा बनाए गए कई किलोवाट से, केवल दसियों वाट कॉइल तक पहुंचते हैं। इसलिए, RF कॉइल्स को किसी दिए गए फ्रीक्वेंसी पर इलेक्ट्रानिक रूप से प्रतिध्वनित किया जाता है। आरएफ कुंडल डिजाइन भी सीमाओं और शरीर रचना विज्ञान लगाता है। एमआरआई अध्ययनों में, शरीर के केवल हिस्से को अक्सर माना जाता है - सिर, छाती, घुटने, आदि। पूरे शरीर के अध्ययन के लिए संचारण का तार आमतौर पर टोमोग्राफ में ही बनाया जाता है, और शरीर के अलग-अलग हिस्सों के अध्ययन के लिए इसे अलग-अलग मॉड्यूल द्वारा दर्शाया जाता है।

सीमेंस आरएफ हेड कॉइल

मैं कुंडल डिजाइनों के कुछ उदाहरण दूंगा।

1. सोलनॉइड के रूप में कुंडल।

   
   
   
   
   

   सोलेनोइड वाइंडिंग्स के अंदर एक समान क्षेत्र बनाने का एक सरल तरीका। ऐसा प्रतीत हो सकता है कि इस तरह के कुंडली में खेतों को घुमाया नहीं जा सकता है। लेकिन यह याद रखने योग्य है कि वेक्टर $$$B_1$एक साइनसोइडल कानून के अनुसार बदलते हुए विपरीत दिशाओं में घूमने वाले दो घटकों के योग के रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है।
   

   
   

2. सैडल कुंडल

   
   
   
   
   

3. बर्डकेज रील

   
   
   
   
   

   बाईं ओर निचले आवृत्तियों के प्रकार के "पक्षी पिंजरे" हैं, दाईं ओर - ऊपरी वाले।

   
   

   उन्नत विकल्प। कम आवृत्तियों या उच्च आवृत्तियों के रूप में हो सकता है। तत्वों के समायोजन के लिए धन्यवाद - पैर की लंबाई (शायद ही कभी) के कारण समाई और अधिष्ठापन क्षमता, आवश्यक आवृत्ति के वर्तमान में लगभग साइनसोइडल कोण वितरण होता है और एक समान क्षेत्र बनाता है। यदि एक क्वाडरेचर सिग्नल इसे लागू किया जाता है, तो फ़ील्ड $$$B_1$विशुद्ध रूप से घूर्णन होगा।

   
   

4. मल्टी कॉइल

   
   
   
   
   

   सिर का तार छोटा द्विध्रुवीय एंटेना और आयताकार छोरों से बना है।

   
   

   वे एक सर्कल में व्यवस्थित कई सरल एंटेना से निर्मित हैं। तत्व द्विध्रुवीय एंटेना, लूप एंटेना, माइक्रोस्ट्रिप एंटेना आदि हो सकते हैं। यहां आप देख सकते हैं कि शरीर रचना विज्ञान डिजाइन को कैसे प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, 7 टी पर एक प्रोटॉन की लामर आवृत्ति के विकिरण की तरंग दैर्ध्य 1 मीटर है। एक साधारण द्विध्रुवीय एंटीना का पता चला विकिरण का आधा तरंग दैर्ध्य होना चाहिए। सिर की जांच के लिए इतना लंबा कुंडल बनाना अव्यावहारिक है, इसलिए इसके कंधों में प्रेरक जोड़कर द्विध्रुवीय एंटीना को छोटा कर दिया जाता है।
   

   
   

कॉइल प्राप्त करने के कार्य को कॉइल ट्रांसमिट करने पर भी महसूस किया जा सकता है, एक ट्रांसमिटिंग-प्राप्त कॉइल (TxRx) प्राप्त किया है। विशुद्ध रूप से प्राप्त कॉइल (आरएक्स) भी गुंजयमान होना चाहिए, लेकिन डिजाइन की आवश्यकताएं कुछ अलग हैं। उन्हें फ्लैट लूप एंटेना के एक जाली के रूप में बनाया जा सकता है। तो वे सीधे शरीर की सतह पर स्थित होते हैं, जिससे प्राप्त संकेत के नुकसान को कम किया जाता है।

सीमेंस सरफेस रिसीविंग कॉइल

कॉइलर्स की कैपेसिटी को बदलकर कॉइल्स की फ्रीक्वेंसी की फाइन ट्यूनिंग की जाती है। कुंडल के अवरोधों और कुशल ऊर्जा हस्तांतरण के लिए मार्ग का मिलान करना भी महत्वपूर्ण है। आवेगों को बदलने वाले संधारित्रों और संधारित्रों के सर्किटों का उपयोग करके कुंडल का प्रतिबाधा मानक 50 ओम तक ले जाता है।

मल्टी-कोर एमआरआई के लिए आरएफ कॉइल की विशेषताएं

इसलिए, हाइड्रोजन नाभिक से एक संकेत प्राप्त करने के लिए और एमआरआई में कुछ अन्य तत्व के अलावा, आरएफ कॉइल में अलग-अलग गुण होने चाहिए। इसे कैसे लागू किया जाए।

1. सबसे सरल विकल्प। दो अलग-अलग कॉइल बनाएं, एक हाइड्रोजन के लिए और दूसरा दूसरे तत्व के लिए। एक प्रोटॉन कॉइल के साथ एक पूर्ण अध्ययन करें, ऑब्जेक्ट और कॉइल को हटा दें, ऑब्जेक्ट को वापस करने और अध्ययन को दोहराने के लिए एक और कॉइल डालें। यह देखते हुए कि एमआरआई स्कैन समय लेने वाली और गति संवेदनशील है, विकल्प लागू नहीं है।
   

2. डबल अनुनाद कॉइल बनाओ। श्रृंखला में एक एलसी सर्किट के अलावा दूसरी अनुनाद चोटी को कुंडल में पेश किया जा सकता है। अतिरिक्त एलसी-सर्किट की शुरूआत आपको कॉइल को 3 या अधिक आवृत्तियों पर ट्यून करने की अनुमति देती है
   

   
   
   
   
   

3. स्विच का उपयोग करें। उदाहरण के लिए, पिन डायोड की मदद से अतिरिक्त ट्यूनिंग कैपेसिटर को बायपास करना संभव है। तो एक निरंतर वोल्टेज को लागू करते समय, विद्युत ट्यूनिंग सर्किट बदलता है और, तदनुसार, कुंडल की गुंजयमान आवृत्ति।
   

   
   
   
   
   

4. एक ही समय में दो (या अधिक) कॉइल का उपयोग करें। उनमें से प्रत्येक अपनी स्वयं की आवृत्ति के लिए तैयार है। यह कॉइल्स के बीच आपसी आगमनात्मक युग्मन की समस्या को उठाता है। अक्सर इसे एक विशेष कुंडल डिजाइन का उपयोग करके हल किया जाता है। एंटेना के ज्यामिति और प्रकार का चयन किया जाता है ताकि उनके द्वारा बनाए गए क्षेत्र एक दूसरे के लिए रूढ़िवादी हों। अन्य विकल्प - प्रत्येक कॉइल में एक निष्क्रिय एलसी फिल्टर जोड़ें, दूसरे से सिग्नल को हटा दें; पिन डायोड का उपयोग करना, वर्तमान में अप्रयुक्त कॉइल को परेशान करना।
   

   
   
   
   
   

5. चार-रिंग बर्डकाज रील। एक और दूसरी तरफ, एक और "सेल" को सामान्य "सेल" में जोड़ा जाता है। आंतरिक खंड पारंपरिक एकल-आवृत्ति कॉइल के समान संचालित होता है। बाहरी खंड मिलकर एक "पक्षी पिंजरे" का निर्माण करते हैं जो एक अलग आवृत्ति पर होता है। यह डिज़ाइन कॉइल को एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से प्रतिध्वनित करने की अनुमति देता है।
   

   
   
   

   बाईं ओर एक 4-रिंग "बर्ड केज" है जिसमें बाहरी खंड जैसे उच्च आवृत्तियों, दाईं ओर निचले वाले हैं।

   
   

निष्कर्ष

एमआरआई अध्ययन में विवो इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी एक मुश्किल काम है। मानव शरीर में हाइड्रोजन के अलावा परमाणुओं की सांद्रता काफी कम है, इस वजह से इन परमाणुओं के साथ काम करने के दौरान सिग्नल-टू-शोर अनुपात कम है। एसएनआर में सुधार करने के लिए, अति-उच्च क्षेत्रों के साथ एमआरआई का उपयोग किया जाता है, लेकिन ऐसे क्षेत्रों में क्षेत्र की एकरूपता के साथ कठिनाइयां पैदा होती हैं। ऐसे टेस्ला के साथ, प्रोटॉन उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य पहले से ही शरीर के कुछ हिस्सों के आकार के साथ तुलनीय है।

लेकिन अन्य परमाणुओं के उपयोग से चयापचय के बारे में बहुमूल्य जानकारी मिलती है। परमाणुओं $$$^ {23} ना$कोशिकाओं में नमक के संतुलन की जानकारी ले। जीवित स्वस्थ कोशिकाएं लगातार सोडियम आयनों की कम सांद्रता को अपने अंदर बनाए रखती हैं जबकि सोडियम-पोटेशियम पंपों के साथ उच्च बाहर। यह प्रक्रिया ऊर्जा लागत के साथ जाती है, इसलिए कोशिकाओं के अंदर सोडियम आयनों की एकाग्रता में बदलाव से चयापचय संबंधी विकार परिलक्षित होते हैं। ब्रेन ट्यूमर, इस्केमिया, स्ट्रोक, द्विध्रुवी विकार कोशिकाओं के अंदर सोडियम की एकाग्रता में वृद्धि के साथ जुड़े हुए हैं और इसे मल्टी-कोर एमआरआई की मदद से देखा जा सकता है।

परमाणु के रूप में फास्फोरस का एक और उदाहरण $$$^ {31} पी$। यह महत्वपूर्ण चयापचयों में शामिल है - एटीपी, फॉस्फोस्रीटाइन, आदि मांसपेशियों में फास्फोरस स्पेक्ट्रोस्कोपी का संचालन करके, इन पदार्थों की उपस्थिति और मांसपेशियों में चयापचय के स्तर का आकलन कर सकते हैं।

के स्पेक्ट्रोस्कोपी $$$^ {13} सी$पहले से ही एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी में कार्बनिक रासायनिक यौगिकों का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किया जाता है, लेकिन विवो में मानव शरीर में इसकी एकाग्रता कम है, लेकिन विधि अभी भी लागू है।

परमाणु $$$^ {17} हे$इसकी प्राकृतिक अवस्था में इसकी कम सांद्रता होती है, लेकिन अगर यह हवा को संतृप्त करता है कि जांच के तहत व्यक्ति सांस लेता है, तो आप इसकी चयापचय दर का एक नक्शा बना सकते हैं, जो ट्यूमर के निदान में मदद करता है।

लेकिन फिर भी, क्लीनिकों में बहुराष्ट्रीय एमआरआई के व्यापक उपयोग से पहले, अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है और 20-30 साल लगेंगे।

सूत्रों का कहना है