MRI Multicore

Saya akan berbicara tentang pencitraan resonansi magnetik medis multi-core - salah satu dari banyak bidang pengembangan MRI. Saya akan menyentuh fitur-fitur metode ini, solusi teknis yang diperlukan, aplikasi dan prospek.

Untuk memulai, kunjungan kecil ke dasar-dasar MRI.

Dasar-dasar MRI

Proses MRI dapat dijelaskan dalam langkah-langkah berikut:

1. Objek yang diteliti ditempatkan di medan magnet konstan magnet utama superkonduktor. Kekuatan medan magnet ini ditunjukkan oleh $$$B_0$dan sumbu sepanjang yang diarahkan dilambangkan dengan sumbu Z. Bidang $$$B_0$menentukan berapa banyak Tesla yang dimiliki pemindai MRI ini. Klinik menggunakan tomograf dengan 1,5 T dan 3 T. Tomografi MR dengan bidang ultra-tinggi - 7 T, 9,4 T, hanya ditemukan di lembaga penelitian.
2. Inti beberapa unsur kimia memiliki momen magnetik bukan nolnya sendiri. Kehadiran momen magnetik pada inti ditentukan oleh sifat kuantum yang melekat dari partikel - spin . Di bawah pengaruh lapangan $$$B_0$Momen magnetik inti berorientasi paralel (sebagian besar) dan antiparalel (lebih kecil) dengan garis gaya. Bersama-sama, inti ini memberikan magnetisasi objek makroskopis ke arah sepanjang sumbu Z.
   
   
   
   
   

   Selain itu, inti presesi . Sejauh ini, presesi tidak mempengaruhi magnetisasi umum, karena fase semua inti didistribusikan secara acak dan komponen momen magnetiknya tegak lurus terhadap sumbu Z yang saling membatalkan satu sama lain. Frekuensi presesi - Frekuensi Larmor , hanya bergantung pada medan magnet $$$B_0$dan sifat-sifat inti - rasio gyromagnetic-nya.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma,$$
   dimana $$$\ omega_0$- Frekuensi sudut Larmor dari presesi nuklir, [rad / s];
   $$$B_0$- kekuatan medan magnet, [T];
   $$$\ gamma$- rasio gyromagnetic dari inti, [rad / (T $$$\ cdot$c)].
   Rasio gyromagnetic didefinisikan sebagai $$$\ gamma = \ mu / h$dimana $$$\ mu$- momen magnetik intrinsik atom, [A $$$\ cdot$m $$$^ 2$]; $$$h$- Konstanta Planck, $$$h = 6.626.070.040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$J $$$\ cdot$s
   
   

   Saat ini, tomografi medis didasarkan pada kerja dengan atom hidrogen, yang intinya adalah proton biasa. Inti berbagai elemen kimia dalam bidang yang sama akan didahului dengan frekuensi yang berbeda. Untuk MRI multi-inti, atom menarik $$$^ {23} Na$, $$$^ {31} P$, $$$^ {13} C$, $$$^ {19} F$, $$$^ {17} O$, $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   Frekuensi larmor dari beberapa atom, MHz

   Atom	Gyromagnetik rasio, MHz / T	Kekuatan medan $$$B_0$T
   		1,5	3	7	9,4
   $$$^ {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

   
   

   Dari data ini, seseorang dapat memahami kemungkinan masalah MRI multicore. Frekuensi atom lain sangat berbeda dari frekuensi hidrogen, ini memerlukan melengkapi tomograf dengan set elektronik kedua untuk bekerja dengan sinyal RF. Di sisi lain, frekuensi fluor-19, sebaliknya, dekat dengan frekuensi hidrogen dan oleh karena itu kesulitan muncul dengan diferensiasi sinyalnya. Untuk mengatasi ini, Anda bisa menggunakan bidang ultra-tinggi di mana langkah pengambilan sampel dalam frekuensi menjadi lebih sempit. Rasio gyromagnetik juga bisa negatif, seperti pada oksigen-17. Nukleinya di bidang yang sama akan berpesiar dalam arah yang berlawanan dibandingkan dengan yang lain. Ini harus diperhitungkan pada langkah selanjutnya - eksitasi inti.

3. Koil frekuensi radio pemancar (antena) menciptakan impuls medan magnet $$$B_1$berputar di bidang XOY. Di sini fenomena resonansi terjadi, jika frekuensi rotasi lapangan bertepatan dengan frekuensi Larmor, maka inti berputar ke bidang XOY dan menyinkronkan fase rotasi. Jika durasi pulsa RF sedemikian rupa sehingga momen magnetik dari sebagian besar inti terorientasi ke bidang XOY, maka pulsa disebut 90 derajat . Setelah pulsa 90 derajat, magnetisasi makroskopis objek berputar di bidang XOY dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi Larmor dari inti.
   

   
   

   Dalam gulungan RF penerima, magnetisasi berputar ini menginduksi tegangan - sinyal (peluruhan) induksi bebas . Resesi, karena relaksasi dari keadaan ini terjadi, dan magnetisasi khusus ini hilang. Relaksasi terjadi dalam dua cara. Relaksasi silang , dengan waktu yang konstan $$$T_2$dikaitkan dengan hilangnya sinkronisasi fase rotasi atom. Relaksasi memanjang , dengan waktu yang konstan $$$T_1$terkait dengan kembalinya orientasi momen magnetik inti sepanjang medan $$$B_0$.
   

   
   
   
   
   

   Secara umum, untuk mendapatkan beberapa informasi tentang objek, ini sudah cukup. Sinyal akan berisi informasi integral dan rata-rata tentang inti objek ini. Sebagai contoh, pergeseran kimia dapat dilihat dalam spektrum frekuensi dari suatu sinyal - perubahan dalam frekuensi Larmor karena interaksi atom dalam suatu senyawa kimia. Ini adalah dasar dari spektroskopi NMR, suatu metode yang digunakan oleh ahli kimia untuk menganalisis komposisi kimia suatu objek.
   

   
   

   Dalam publikasi ini, saya akan berbicara sedikit tentang gulungan RF dan fitur-fiturnya dalam MRI multi-core.
   

Desain RF Coil

Koil RF pemancar (Tx) ditugaskan untuk mentransmisikan pulsa dari frekuensi tertentu secara efisien dan menciptakan medan magnet seragam yang tegak lurus terhadap sumbu Z. Menariknya, hilangnya pulsa RF dalam sistem sangat besar. Dari beberapa kilowatt yang dibuat oleh power amplifier, hanya puluhan watt yang mencapai kumparan. Oleh karena itu, gulungan RF dibuat secara elektrik beresonansi pada frekuensi tertentu. Desain koil RF juga memberlakukan batasan dan anatomi. Dalam studi MRI, hanya bagian tubuh yang sering dipertimbangkan - kepala, dada, lutut, dll. Koil transmisi untuk studi seluruh tubuh biasanya dibangun ke dalam tomograf itu sendiri, dan untuk studi bagian-bagian individu tubuh itu diwakili oleh modul terpisah.

Kepala RF Coil Siemens

Saya akan memberikan beberapa contoh desain koil.

1. Coil dalam bentuk solenoid.

   
   
   
   
   

   Cara sederhana untuk membuat bidang seragam di dalam gulungan solenoida. Tampaknya bidang dalam gulungan seperti itu tidak dapat dibuat berputar. Tetapi perlu diingat bahwa vektor $$$B_1$mengubah menurut hukum sinusoidal dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari dua komponen yang berputar berlawanan arah.
   

   
   

2. Sadel Coil

   
   
   
   
   

3. Birdcage Reel

   
   
   
   
   

   Di sebelah kiri adalah "sangkar burung" dari jenis frekuensi yang lebih rendah, di sebelah kanan - yang atas.

   
   

   Opsi lanjutan. Mungkin dalam bentuk frekuensi rendah atau frekuensi tinggi. Berkat pengaturan elemen - nilai kapasitansi dan induktansi karena panjang kaki (jarang), arus frekuensi yang diperlukan memiliki distribusi sudut yang hampir sinusoidal dan menciptakan medan yang seragam. Jika sinyal quadrature diterapkan, maka bidang $$$B_1$akan murni berputar.

   
   

4. Multi Coils

   
   
   
   
   

   Head coil terdiri dari antena dipol pendek dan loop persegi panjang.

   
   

   Mereka dibangun dari beberapa antena sederhana yang diatur dalam lingkaran. Elemen-elemennya bisa berupa antena dipol, antena loop, antena microstrip, dll. Di sini Anda dapat melihat bagaimana anatomi memengaruhi desain. Sebagai contoh, panjang gelombang radiasi frekuensi Larmor proton pada 7 T adalah 1 m. Antena dipol biasa harus setengah dari panjang gelombang radiasi yang terdeteksi. Tidak praktis membuat gelung yang panjang untuk memeriksa kepala, sehingga antena dipol diperpendek dengan menambahkan induktor ke pundaknya.
   

   
   

Fungsi kumparan penerima juga dapat direalisasikan pada kumparan pemancar, setelah menerima kumparan penerima pancar (TxRx). Coils penerima murni (Rx) juga harus beresonansi, tetapi persyaratan desainnya agak berbeda. Mereka dapat dibuat dalam bentuk kisi antena loop datar. Jadi mereka terletak langsung di permukaan tubuh, sehingga mengurangi hilangnya sinyal yang diterima.

Siemens Surface Receiver Coil

Penyetelan halus frekuensi kumparan dilakukan dengan mengubah kapasitansi kapasitor. Penting juga untuk mencocokkan impedansi koil dan jalur untuk transfer energi yang efisien. Impedansi koil menggunakan sirkuit induktor dan kapasitor yang mentransformasikan impedansi mengarah ke standar 50 ohm.

Fitur RF Coils untuk Multi-Core MRI

Jadi, untuk menerima sinyal dari inti hidrogen dan selain beberapa unsur lain dalam MRI, gulungan RF harus memiliki sifat yang berbeda. Bagaimana cara mengimplementasikannya.

1. Opsi paling sederhana. Buat dua kumparan yang berbeda, satu untuk hidrogen dan satu untuk elemen lain. Lakukan studi penuh dengan kumparan proton, lepaskan objek dan kumparan, letakkan kumparan lain untuk mengembalikan objek dan ulangi penelitian. Mengingat pemindaian MRI memakan waktu dan peka terhadap gerak, opsi ini tidak berlaku.
   

2. Buat gulungan resonansi ganda. Puncak resonansi kedua dapat dimasukkan ke dalam koil dengan menambahkan rangkaian LC secara seri. Pengenalan sirkuit LC tambahan memungkinkan Anda menyetel koil ke frekuensi 3 atau lebih
   

   
   
   
   
   

3. Gunakan sakelar. Misalnya, dengan bantuan PIN dioda, dimungkinkan untuk memotong kapasitor tuning tambahan. Jadi ketika menerapkan tegangan konstan, sirkuit penyetelan listrik berubah dan, karenanya, frekuensi resonansi kumparan.
   

   
   
   
   
   

4. Gunakan dua (atau lebih) gulungan secara bersamaan. Masing-masing disetel ke frekuensinya sendiri. Hal ini menimbulkan masalah kopling induktif bersama antara kumparan. Seringkali diselesaikan dengan menggunakan desain kumparan khusus. Geometri dan jenis antena dipilih sehingga bidang yang dibuat oleh mereka ortogonal satu sama lain. Opsi lain - tambahkan filter LC pasif ke setiap gelung, singkirkan sinyal dari yang lain; Dengan menggunakan dioda PIN, goncang koil yang saat ini tidak digunakan.
   

   
   
   
   
   

5. Gulungan birdcage empat cincin. Di satu dan di sisi lain, satu lagi "sel" ditambahkan ke "sel" biasa. Segmen bagian dalam beroperasi mirip dengan koil frekuensi tunggal konvensional. Segmen eksternal bersama-sama membentuk "sangkar burung" yang disetel ke frekuensi yang berbeda. Desain ini memungkinkan kumparan untuk beresonansi secara independen satu sama lain.
   

   
   
   

   Di sebelah kiri adalah “sangkar burung” 4-cincin dengan segmen eksternal seperti frekuensi tinggi, di sebelah kanan - yang lebih rendah.

   
   

Kesimpulan

Pencitraan in vivo dan spektroskopi dalam studi MRI adalah tugas yang sulit. Konsentrasi atom selain hidrogen dalam tubuh manusia cukup rendah, karena ini rasio signal-to-noise ketika bekerja dengan atom-atom ini rendah. Untuk meningkatkan SNR, MRI dengan bidang ultra-tinggi digunakan, tetapi dalam bidang tersebut kesulitan muncul dengan keseragaman bidang. Dengan Tesla seperti itu, panjang gelombang emisi proton sudah sebanding dengan ukuran bagian-bagian tubuh.

Tetapi penggunaan atom lain membawa informasi berharga tentang metabolisme. Atom $$$^ {23} Na$membawa informasi tentang keseimbangan garam dalam sel. Sel-sel hidup yang sehat secara konstan mempertahankan konsentrasi ion natrium yang rendah di dalam dirinya sementara berada di luar yang tinggi dengan pompa natrium-kalium. Proses ini berjalan dengan biaya energi, oleh karena itu gangguan metabolisme tercermin dalam perubahan konsentrasi ion natrium di dalam sel. Tumor otak, iskemia, stroke, gangguan bipolar dikaitkan dengan peningkatan konsentrasi natrium di dalam sel dan ini dapat dilihat dengan bantuan MRI multi-core.

Contoh lain dari fosfor dalam bentuk atom $$$^ {31} P$. Ini termasuk dalam metabolit penting - ATP, phosphocreatine, dll. Dengan melakukan spektroskopi fosfor pada otot, seseorang dapat mengevaluasi keberadaan zat-zat ini dan tingkat metabolisme dalam otot.

Spektroskopi $$$^ {13} C$sudah digunakan dalam spektroskopi NMR untuk menganalisis senyawa kimia organik, tetapi in vivo konsentrasinya dalam tubuh manusia rendah, tetapi metode ini masih berlaku.

Atom $$$^ {17} O$ia memiliki konsentrasi rendah dalam keadaan alaminya, tetapi jika ia menjenuhkan udara yang dihisap orang yang sedang diselidiki, Anda dapat membuat peta tingkat metaboliknya, yang membantu dalam diagnosis tumor.

Tapi tetap saja, sebelum meluasnya penggunaan MRI multinuklir di klinik, masih ada jalan panjang yang harus ditempuh dan akan memakan waktu 20-30 tahun.

Sumber