📹 👩🏻‍🚒 👨🏿‍🔬 Kami membongkar pencitraan resonansi magnetik 👨‍👩‍👦 🔮 🎁

Fisika kuantum, matematika, biologi, kriogenik, kimia, dan elektronik terjalin dalam satu pola tunggal untuk diwujudkan dalam besi dan menunjukkan dunia batin seseorang yang sesungguhnya, dan bahkan, tidak kurang, membaca pikirannya. Elektronik perangkat tersebut, dalam hal keandalan dan kompleksitas, hanya dapat dibandingkan dengan yang ruang. Artikel ini dikhususkan untuk peralatan dan prinsip-prinsip pencitraan resonansi magnetik.

Di bidang tomografi modern, mastodon dunia elektronik memimpin: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Hanya perusahaan besar yang mampu mengembangkan peralatan canggih semacam itu, yang biayanya biasanya mencapai puluhan (hampir ratusan) juta rubel. Tentu saja, perbaikan peralatan yang sedemikian mahal dari perwakilan resmi menerbangkan uang yang sangat besar kepada pemilik perangkat (dan mereka, sebagian besar adalah milik pribadi, bukan negara). Tapi jangan putus asa! Serta pusat layanan untuk perbaikan laptop, telepon, mesin cnc, dan memang elektronik, ada perusahaan yang terlibat dalam perbaikan peralatan medis. Saya bekerja di salah satu perusahaan ini, jadi saya akan menunjukkan kepada Anda elektronik yang menarik dan mencoba menggambarkan fungsinya dengan kata-kata yang jelas.

Pemindai pencitraan resonansi magnetik GE Healthcare dengan bidang 1,5 Tesla. Meja terlepas dari tomograph dan dapat digunakan sebagai kursi roda biasa.

Semua keajaiban MRI dimulai dengan fisika kuantum, dari mana istilah "spin" berasal, diterapkan pada partikel elementer. Anda dapat menemukan banyak definisi tentang apa yang berputar, diterima secara umum - ini adalah momen momentum partikel, apa pun artinya. Dalam pemahaman saya, partikel tampaknya terus berputar (disederhanakan) sambil menciptakan gangguan dalam medan magnet. Karena partikel elementer pada gilirannya membentuk inti atom, diyakini bahwa putaran mereka ditambahkan bersama-sama dan inti memiliki putarannya sendiri. Terlebih lagi, jika kita ingin berinteraksi dengan inti atom menggunakan medan magnet, kita akan sangat penting bahwa putaran nukleus menjadi nol. Kebetulan atau tidak, tetapi unsur yang paling umum di alam semesta kita - hidrogen memiliki inti dalam bentuk satu proton tunggal, yang memiliki putaran sama dengan 1/2.

Ngomong-ngomong

Spin hanya dapat mengambil nilai tertentu, seperti bilangan bulat, misalnya 0,1,2, dan setengah bilangan bulat, seperti 1/2 seperti proton. Bagi mereka yang tidak terbiasa dengan fisika kuantum, ini tampaknya tidak alami, tetapi pada tingkat kuantum, semuanya dibagi menjadi beberapa bagian, dan menjadi agak terpisah.

Dan ini berarti bahwa, secara sederhana, inti hidrogen dapat dianggap sebagai magnet yang sangat kecil yang memiliki kutub utara dan selatan. Dan apakah perlu disebutkan bahwa di dalam tubuh manusia atom hidrogen hanyalah lautan (sekitar 10 ^ 27), tetapi karena kita tidak menarik kelenjar kepada kita, menjadi jelas bahwa semua "magnet" kecil ini seimbang di antara mereka sendiri dan partikel lain, dan magnet umum momen tubuh praktis nol.

Ilustrasi dari buku Evert Blink "The Basics of MRI." Proton dengan panah hitam melambangkan jarum kompas berputar ke arah panah biru.

Dengan menerapkan medan magnet luar, sistem ini dapat dibawa keluar dari keseimbangan dan proton (tidak semua tentu saja) akan mengubah orientasi spasial mereka sesuai dengan arah garis medan gaya.

Ilustrasi dari Lars G. Hanson Pengantar Resonansi Magnetik
Teknik Pencitraan. Putaran proton dalam tubuh manusia ditunjukkan sebagai vektor panah. Di sebelah kiri adalah situasi ketika semua proton berada dalam kesetimbangan magnetik. Kanan - saat medan magnet eksternal diterapkan. Visualisasi yang lebih rendah menunjukkan hal yang sama dalam versi tiga dimensi, jika Anda membangun semua vektor dari satu titik. Dengan semua ini, ada rotasi (presesi) di sekitar garis medan magnet, yang ditunjukkan oleh panah merah bulat.

Sebelum proton menyesuaikan diri sesuai dengan bidang luar, proton akan berosilasi (precess) untuk beberapa waktu di sekitar posisi kesetimbangan, seperti jarum kompas, yang akan berosilasi di dekat tanda utara jika pabrikan dengan hati-hati tidak menambahkan cairan peredam di dalam dial. Perlu dicatat bahwa frekuensi getaran tersebut bervariasi untuk atom yang berbeda. Pada pengukuran frekuensi ini, misalnya, metode resonansi untuk menentukan komposisi zat uji didasarkan.

Ngomong-ngomong

Frekuensi ini bukan anonim dan menyandang nama fisikawan Irlandia Joseph Larmor, masing-masing disebut frekuensi Larmor. Itu tergantung pada besarnya medan magnet yang diterapkan dan konstanta khusus - rasio gyromagnetic, yang tergantung pada jenis zat.

Untuk inti atom hidrogen dalam bidang 1 Tesla, frekuensi ini adalah 42,58 MHz, baik, atau dengan kata sederhana, getaran proton di sekitar garis medan bidang dengan intensitas seperti itu terjadi sekitar 42 juta kali per detik. Jika kita menyinari proton dengan gelombang radio dengan frekuensi yang sesuai, maka resonansi akan terjadi dan osilasi akan menguat, vektor magnetisasi umum akan bergeser dengan derajat tertentu relatif terhadap garis-garis medan eksternal.

Ilustrasi dari Lars G. Hanson Pengantar Teknik Pencitraan Resonansi Magnetik. Ditunjukkan bagaimana vektor magnetisasi umum bergeser setelah terpapar gelombang radio dengan frekuensi yang menyebabkan resonansi dalam sistem. Jangan lupa bahwa semua ini terus berputar relatif terhadap garis medan magnet (pada gambar itu terletak secara vertikal).

Di sini bagian yang paling menarik dimulai - setelah interaksi gelombang radio dengan proton dan amplifikasi resonansi dari osilasi, partikel-partikel tersebut cenderung kembali ke keadaan setimbang, sambil memancarkan foton (yang terdiri dari gelombang radio). Ini disebut efek resonansi magnetik nuklir. Faktanya, seluruh tubuh yang diteliti berubah menjadi sejumlah besar pemancar radio mini, sinyal dari mana Anda dapat menangkap, melokalisasi, dan membuat gambar distribusi atom hidrogen dalam suatu zat. Jadi, seperti yang mungkin sudah Anda duga, pada dasarnya MRI menunjukkan gambar distribusi air dalam tubuh. Semakin kuat kekuatan medan, semakin besar jumlah proton yang dapat digunakan untuk menerima sinyal, sehingga resolusi pemindai secara langsung tergantung pada ini.

Efek ini dimanifestasikan tidak hanya dalam medan magnet yang kuat - setiap hari, bahkan dalam perjalanan ke toko untuk roti, proton tubuh kita dipengaruhi oleh medan magnet Bumi. Para peneliti dari Slovenia, misalnya, telah membangun sistem MRI eksperimental yang hanya menggunakan medan magnet planet kita.

Ilustrasi dari artikel ilmiah “Sistem Pencitraan Resonansi Magnetik Berbasis
Medan Magnet Bumi »Penulis: Ales Mohoric, Gorazd Planins dkk. Menunjukkan gambar yang diambil menggunakan sistem eksperimental. Di sebelah kiri adalah apel, di sebelah kanan adalah jeruk. Penting bahwa gambar dengan kualitas buruk tidak diperoleh, tetapi kemungkinan mendasar untuk menggunakan MR di bidang yang lemah.

Tentu saja, dalam pemindai medis komersial, medan magnet jauh lebih tinggi daripada bumi. Paling sering, scanner dengan bidang 1, 1,5 dan 3 Tesla digunakan, meskipun ada keduanya lebih lemah (0,2, 0,35 Tesla) dan monster parah 7 dan bahkan 10 Tesla. Yang terakhir digunakan terutama untuk kegiatan penelitian, dan di negara saya, sejauh yang saya tahu, tidak ada.

Secara struktural, bidang dalam pemindai dapat dibuat dengan cara yang berbeda - ini adalah magnet permanen, dan elektromagnet, dan superkonduktor yang direndam dalam helium mendidih yang mengalir melalui arus besar. Yang terakhir tersebar luas, dan sangat menarik, karena memungkinkan untuk mencapai kekuatan lapangan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan opsi lain.

Desain khas perangkat MRI, bidang yang dibuat oleh arus yang mengalir melalui superkonduktor. Sumbernya adalah Internet.

Suhu belitan superkonduktor dipertahankan berkat penguapan bertahap helium cair - pendingin, di samping itu, cryocooler beroperasi dalam sistem, yang disebut "kepala dingin" dalam jargon medis. Itu membuat suara champing yang khas, yang mungkin Anda dengar jika Anda pernah melihat perangkat dekat. Arus superkonduktor mengalir secara konstan, dan tidak hanya selama pengoperasian perangkat, masing-masing selalu ada medan magnet. Tidak menyadari fakta ini, para pembuat film sering menemukan (misalnya, di musim terakhir dari seri "Black Mirror" ada kesalahan serupa).

Pada panel kontrol perangkat jenis ini ada tombol merah besar yang memungkinkan Anda mematikan medan magnet (Rundown magnet). Ini bukan tanpa ironi yang disebut "Pemberhentian tombol."

Salah satu panel kontrol tomografi Siemens

Menekan tombol ini menyalakan pemanas darurat dalam wadah dengan refrigeran, yang menaikkan suhu belitan ke titik kritis, setelah itu proses berjalan seperti longsoran salju: setelah belitan memperoleh resistansi, arus melalui mereka langsung memanaskannya dan segala sesuatu di sekitarnya, yang mengarah ke emisi helium melalui pipa khusus. Proses ini disebut "Quench," dan ini mungkin hal yang paling menyedihkan yang dapat terjadi pada perangkat, karena memulihkannya setelah ini membutuhkan banyak waktu dan uang.

Siemens Espree tomograph, dengan bidang 1.5. Tesla, perhatikan kunci logam yang terletak dengan tenang di atas meja - tidak ada lagi medan magnet di sini. Itu dibeli untuk beberapa klinik pemerintah dari Siemens. Ini memiliki ukuran tangki yang relatif kecil dan diameter lubang yang besar. Ada pendapat bahwa pemendekan desain semacam itu menghasilkan fakta bahwa ia suka sering menggunakan helium sendiri (setidaknya peralatan di foto melakukan hal ini dengan keteraturan yang patut ditiru).

Sementara itu, setelah melakukan penyimpangan singkat, mari kita kembali ke teori lagi. Jika Anda hanya menerima gelombang radio yang dipancarkan oleh proton tubuh sebagai respons terhadap pulsa radio resonansi, gambar tidak dapat dibangun. Bagaimana cara melokalisasi sinyal yang datang langsung dari semua bagian tubuh? Pada suatu waktu, peneliti Paul Lauterbur dan Peter Mansfield menerima Hadiah Nobel dalam bidang kedokteran untuk memecahkan masalah ini. Singkatnya, solusi mereka adalah dengan menggunakan belitan tambahan di dalam aparatus, menciptakan perubahan yang hampir linier pada medan magnet di sepanjang arah yang dipilih - gradien medan. Karena ruang kita tampaknya tiga dimensi, tiga belitan digunakan - sumbu X, Y dan Z.

Ilustrasi dari buku Evert Blink "The Basics of MRI." Ini adalah seperti apa lilitan gradien tambahan di dalam aparatus terlihat - belitan nyata tentu saja memiliki struktur yang lebih kompleks.

Jika kekuatan medan magnet bervariasi secara linear, maka ketika salah satu gradien diaktifkan, proton di sepanjang arah ini akan memiliki frekuensi resonansi yang berbeda.

Ilustrasi dari howequipmentworks.com. Gulungan gradien (biru) dan gulungan frekuensi radio (hijau) digambar secara simbolis. Terlihat bahwa saat membuat gradien bidang di sepanjang tabel pada titik A, frekuensi resonansi proton akan berbeda dari frekuensi di titik B

Menggunakan gradien memungkinkan Anda untuk memanipulasi bidang sehingga sinyal hanya datang dari area tertentu. Tergantung pada amplitudo sinyal yang diterima, kecerahan piksel dalam gambar dipilih. Semakin tinggi konsentrasi proton di wilayah tersebut, semakin cerah hasilnya.

Tentu saja ...

Deskripsi seperti itu tentu saja sangat dilebih-lebihkan. Pada kenyataannya, sinyal dilokalkan dengan menggabungkan ketiga gradien sekaligus, dan gambar dibangun bukan pixel demi pixel, seperti yang mungkin Anda pikirkan dari deskripsi ini, tetapi langsung oleh seluruh baris. Tidak sedikit peran dalam hal ini dimainkan oleh transformasi Fourier yang terkenal. Penjelasan terperinci dapat ditemukan dalam buku "Pengantar Teknik Pencitraan Resonansi Magnetik" oleh Lars G. Hanson. Artikel ini, sayangnya, tidak cocok untuk semuanya.

Untuk membuat gradien medan magnet, arus yang besar harus dilewatkan melalui belitan gradien, dan pulsa harus jangka pendek, dengan bagian depan yang curam, dan untuk beberapa program diperlukan sama sekali bahwa arah arus dalam belitan gradien langsung berubah ke kebalikan untuk pembalikan magnetisasi. Konverter pulsa yang kuat melakukan ini, mereka menempati seluruh rak di ruang peralatan.

Peralatan amplifier gradien Siemens Harmony 1T. Kinerja - hingga 300 Amps dan hingga 800 Volts, saat menggunakan enam modul - foto menunjukkan tiga modul.

Perangkat Siemens biasanya menggunakan pendingin air komponen daya - tabung terlihat di foto. Ini sering menghasilkan (permainan kata-kata yang menarik) sebagai penghormatan yang baik jika ada kebocoran. Meskipun kualitas Jerman kebanggaan, tidak ada yang repot-repot memasang sensor kebocoran (dalam hal ini, mereka seharusnya belajar dari GE). Tetapi dalam keadilan, khususnya blok gradien jarang mengalir, lebih sering mereka gagal tanpa alasan yang jelas.

Bagian dalam modul gradien dari Siemens Harmony adalah tipe lama.

Modul seperti yang diperlihatkan dalam foto sulit untuk diperbaiki - transistor direkatkan ke tabung tembaga untuk sesuatu seperti pengelasan dingin, dan mereka membakar lusinan di sana sekaligus. Untuk melepas papan, Anda harus menyolder beberapa lusin kaki secara bersamaan! Lebih baik lupakan mimpi buruk ini, dan lihat solusi yang lebih baru dari pabrikan Jerman.

Penguat gradien dari Siemens Harmony. Versi lebih baru. Dua papan simetris dibaut ke transistor efek medan yang sangat kuat. Transistor bekerja dalam kelompok enam secara paralel, tentu saja mereka juga membakar tidak satu per satu. Model dalam foto sudah sedikit "pecah", bukannya konektor asli antara papan, pelat tembaga disolder. Perhatikan sudut kanan atas foto - ini adalah kabel optik yang digunakan sinyal untuk membuka kunci. Jika Anda mencampur koneksi mereka - unit segera terbakar dengan pop keras, tidak ada perlindungan "dari orang bodoh" yang disediakan untuk teknik ini.

Salah satu masalah utama selama perbaikan adalah kurangnya dokumentasi, terutama karena peralatannya sangat khusus. Karena itu, kadang-kadang Anda harus mengisi banyak kerucut dan membakar beberapa komponen mahal untuk memahami apa yang salah. Tentu saja, Anda dapat membeli manual layanan untuk mendapatkan uang, tetapi sebagai aturan, mereka sangat dangkal. Perusahaan-perusahaan keren menjaga rahasia mereka tetap aman.

Semakin kuat medan magnet pada peralatan, semakin kuat pula transduser gradien. Pada perangkat dengan bidang 1,5 T dan 3 T, sekelompok transistor efek medan paralel yang perlu diputar untuk memberikan daya yang diperlukan menjadi terlalu besar, rakitan IGBT ikut berperan, sama dengan yang dimasukkan ke konverter frekuensi industri untuk kontrol motor.

Quantum Cascade amplifier gradien dalam analisis, arus hingga 500 Ampere, tegangan keluaran hingga 2000 V. Ini berisi 20 rakitan IGBT yang kuat. Ada hal yang menarik di sini - rakitan itu sendiri tidak akan tahan 2 kilovolt, tegangan ini diperoleh dengan menggunakan lima sumber independen masing-masing 400V. Impian saya adalah merakit gulungan Tesla dari unit ini.

Apa yang terjadi dengan belitan gradien ketika arus mengerikan mengalir melalui mereka, dengan mempertimbangkan fakta bahwa mereka juga berada dalam medan magnet yang lemah? Kekuatan Ampere, tentu saja, menyebabkan mereka berubah bentuk, tetapi mereka dengan kuat dibanjiri dengan resin hingga sangat mustahil. Namun demikian, meskipun ini tidak menyelamatkan - karena gradien bekerja dalam kisaran frekuensi suara, getaran yang timbul dari ini dapat menimbulkan suara yang cukup keras, dalam volume menyerupai pukulan palu pada kuku (dengan peringatan bahwa Anda mendengar sekitar 5.000 pukulan memalu per detik). Karena itu, di hampir semua perangkat MRI terdapat headphone atau sumbat telinga. Perangkat lunak dan perangkat keras secara konstan memonitor level suara di ruang pemindai sehingga desibelnya tidak melampaui batas yang dapat diterima. Medan magnet yang berubah dengan cepat selama operasi gradien, ditambah dengan pulsa frekuensi radio yang menghasilkan resonansi, menginduksi arus eddy di permukaan logam dekat pemindai, yang mengarah ke getaran logam dan sedikit pemanasan, dan artefak khas akan muncul dalam gambar bahkan dari segel logam kecil. Karena alasan inilah sebelum pemeriksaan di MRI mereka perlu membuang semua logam (segel tidak perlu dilepas).

Unit synthesizer (dalam perangkat Siemens) atau exciter (dalam hal perangkat GE) bertanggung jawab untuk membuat pulsa frekuensi radio dari frekuensi yang diinginkan. Meskipun namanya berbeda, fungsinya kira-kira sama. Unit-unit ini umumnya dapat diandalkan dan jarang membutuhkan perbaikan jika ditangani dengan hati-hati. Sinyal dibentuk oleh sintesis digital-ke-analog, dan merupakan fungsi sinc.

Dua jenis pulsa frekuensi radio ditampilkan di sebelah kiri - Gaussian dan sinc, juga dikenal sebagai sinus kardinal. Sisi kanan menunjukkan profil eksitasi ketika digunakan sebagai sinyal menarik frekuensi radio - yaitu, bentuk wilayah di mana proton masuk ke resonansi kira-kira ditampilkan dalam tampilan samping. Tentu saja, versi yang lebih rendah lebih disukai untuk membuat gambar (irisan), terutama ketika mereka terletak berdekatan satu sama lain untuk mengurangi pengaruh sinyal di luar area pemindaian yang dipilih.

Akhirnya, kami muncul, tanpa berlebihan, ke blok paling menarik menurut saya di seluruh tomograf - penguat daya frekuensi radio, yang mengubah sinyal lemah dari synthesizer menjadi sinyal kuat yang diumpankan ke antena pemancar di perangkat.

Ngomong-ngomong

Dalam literatur asing, semua antena yang terkait dengan tomograf disebut "Coil", nama "koil" telah berakar dalam bahasa Rusia. - «» . Body coil — «-» — - , , — .

1 10, 1.5 15 , . , . — .
, , , .

General Electric Hitachi , Analogic. , — , , , , .