🚣🏼 ⚽️ 📨 Desmontamos o gerador de imagens de ressonância magnética 🥣 👲🏿 ✊🏼

Física quântica, matemática, biologia, criogenia, química e eletrônica se entrelaçaram em um único padrão para serem incorporadas no ferro e mostrar o mundo interior real de uma pessoa, e mesmo assim, ler seus pensamentos. A eletrônica desses dispositivos, em termos de confiabilidade e complexidade, só pode ser comparada com os do espaço. Este artigo é dedicado aos equipamentos e princípios da ressonância magnética.

No campo da tomografia moderna, os mastodontes do mundo eletrônico estão liderando: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Somente essas grandes empresas podem arcar com o desenvolvimento de equipamentos sofisticados, cujo custo geralmente chega a dezenas (quase centenas) de milhões de rublos. É claro que o reparo de um equipamento tão caro de um representante oficial custa um centavo enorme para o proprietário do dispositivo (e, a propósito, eles são em sua maioria privados, não estatais). Mas não se desespere! Além de centros de serviços para reparo de laptops, telefones, máquinas cnc e de qualquer material eletrônico, existem empresas envolvidas no reparo de equipamentos médicos. Como trabalho em uma dessas empresas, mostrarei eletrônicos interessantes e tentarei descrever sua funcionalidade em palavras claras.

Scanner de ressonância magnética da GE Healthcare com campo de 1,5 Tesla. A mesa é separada do tomógrafo e pode ser usada como cadeira de rodas regular.

Toda a mágica da ressonância magnética começa com a física quântica, de onde o termo "spin" se origina, aplicada a partículas elementares. Você pode encontrar várias definições do que é rotação, geralmente aceito - este é o momento do momento da partícula, o que quer que isso signifique. No meu entendimento, as partículas parecem girar constantemente (simplificadas) enquanto criam distúrbios em um campo magnético. Como partículas elementares, por sua vez, formam os núcleos dos átomos, acredita-se que seus spins sejam somados e o núcleo tenha seu próprio giro. Além disso, se quisermos de alguma forma interagir com os núcleos de átomos usando um campo magnético, será muito importante para nós que a rotação do núcleo seja diferente de zero. Coincidência ou não, mas o elemento mais comum em nosso universo - o hidrogênio tem um núcleo na forma de um único próton, que tem um spin igual a 1/2.

By the way

A rotação pode assumir apenas determinados valores, como números inteiros, por exemplo, 0,1,2 e meios inteiros, como 1/2 como um próton. Para aqueles que não estão familiarizados com a física quântica, isso parece antinatural, mas no nível quântico, tudo é dividido em partes e se torna um tanto discreto.

E isso significa que, simplisticamente, os núcleos de hidrogênio podem ser considerados ímãs muito pequenos, com um pólo norte e sul. E vale a pena mencionar que no corpo humano os átomos de hidrogênio são apenas o mar (cerca de 10 ^ 27), mas como não atraímos glândulas para nós, torna-se óbvio que todos esses pequenos "ímãs" são equilibrados entre si e outras partículas, e o magnético geral momento do corpo é praticamente zero.

Ilustração do livro de Evert Blink, "The Basics of MRI". Prótons com setas pretas, simbolizando a agulha da bússola, giram na direção da seta azul.

Ao aplicar um campo magnético externo, esse sistema pode ser desequilibrado e os prótons (nem todos, é claro) mudarão sua orientação espacial de acordo com a direção das linhas de força do campo.

Ilustração de Lars G. Hanson Introdução à ressonância magnética
Técnicas de imagem. Os giros de prótons no corpo humano são mostrados como vetores de setas. À esquerda está a situação em que todos os prótons estão em equilíbrio magnético. Certo - quando um campo magnético externo é aplicado. As visualizações inferiores mostram a mesma coisa em uma versão tridimensional, se você construir todos os vetores a partir de um ponto. Com tudo isso, há uma rotação (precessão) em torno das linhas do campo magnético, que é mostrada por uma seta vermelha redonda.

Antes de os prótons se orientarem de acordo com o campo externo, eles oscilam (precessão) por algum tempo em torno da posição de equilíbrio, como a agulha da bússola, que oscilaria perto da marca "norte" se o fabricante prudentemente não adicionasse fluido de amortecimento no mostrador. É digno de nota que a frequência de tais vibrações varia para átomos diferentes. Na medição desta frequência, por exemplo, são baseados métodos de ressonância para determinar a composição da substância de teste.

By the way

Essa frequência não é anônima e leva o nome do físico irlandês Joseph Larmor, é chamada de frequência Larmor, respectivamente. Depende da magnitude do campo magnético aplicado e de uma constante especial - a proporção giromagnética, que depende do tipo de substância.

Para os núcleos de átomos de hidrogênio em um campo de 1 Tesla, essa frequência é de 42,58 MHz, ou, em palavras simples, vibrações de prótons em torno das linhas de campo de tal intensidade ocorrem cerca de 42 milhões de vezes por segundo. Se irradiarmos prótons com uma onda de rádio com uma freqüência apropriada, ocorrerá uma ressonância e as oscilações serão amplificadas, o vetor de magnetização geral mudará em um certo grau em relação às linhas do campo externo.

Ilustração de Lars G. Hanson Introdução às técnicas de ressonância magnética. É mostrado como o vetor de magnetização geral muda após a exposição a uma onda de rádio com uma frequência que causa ressonância no sistema. Não esqueça que tudo isso continua a girar em relação à linha do campo magnético (na figura está localizada verticalmente).

Aqui começa a parte mais interessante - após a interação da onda de rádio com os prótons e a amplificação ressonante das oscilações, as partículas tendem a voltar ao estado de equilíbrio, emitindo fótons (dos quais a onda de rádio consiste). Isso é chamado de efeito de ressonância magnética nuclear. De fato, todo o corpo em estudo se transforma em uma enorme variedade de transmissores de rádio em miniatura, o sinal a partir do qual é possível captar, localizar e construir uma imagem da distribuição dos átomos de hidrogênio em uma substância. Portanto, como você já deve ter adivinhado, a ressonância magnética mostra essencialmente uma imagem da distribuição da água no corpo. Quanto maior a intensidade do campo, maior o número de prótons que podem ser usados para receber sinais, de modo que a resolução do scanner depende diretamente disso.

Esse efeito se manifesta não apenas em campos magnéticos fortes - todos os dias, mesmo no caminho para a loja de pão, os prótons do nosso corpo são afetados pelo campo magnético da Terra. Pesquisadores da Eslovênia, por exemplo, construíram um sistema experimental de ressonância magnética que usa apenas o campo magnético do nosso planeta.

Ilustração do artigo científico “Sistema de Ressonância Magnética Baseado em
Campo Magnético da Terra »Autores: Ales Mohoric, Gorazd Planins e outros Demonstra imagens tiradas usando um sistema experimental. À esquerda é uma maçã, à direita é uma laranja. É significativo que as imagens com baixa qualidade não sejam obtidas, mas a possibilidade fundamental de usar a RM em campos fracos.

Obviamente, em scanners médicos comerciais, o campo magnético é muitas vezes superior ao da Terra. Na maioria das vezes, são utilizados scanners com um campo de 1, 1,5 e 3 Tesla, embora existam monstros mais fracos (0,2; 0,35 Tesla) e graves de 7 e até 10 Tesla. Estes últimos são usados principalmente para atividades de pesquisa e, no meu país, até onde eu sei, não há nenhum.

Estruturalmente, o campo no scanner pode ser criado de diferentes maneiras - são ímãs permanentes, eletroímãs e supercondutores imersos em hélio em ebulição, através do qual grandes correntes fluem. Estes últimos são difundidos e têm o maior interesse, pois permitem alcançar uma força de campo incomparavelmente maior em comparação com outras opções.

Um design típico de um dispositivo de ressonância magnética, cujo campo é criado pela corrente que flui através de supercondutores. A fonte é a Internet.

A temperatura dos enrolamentos supercondutores é mantida devido à evaporação gradual do refrigerante - hélio líquido. Além disso, o sistema opera um criocooler, chamado de “cabeça fria” no jargão médico. Emite sons característicos de champing, que você provavelmente ouviu se já viu o dispositivo por perto. A corrente nos supercondutores flui constantemente, e não apenas durante a operação do dispositivo, respectivamente, há sempre um campo magnético. Sem saber disso, os cineastas costumam se deparar (por exemplo, na última temporada da série "Black Mirror", houve um erro semelhante).

No painel de controle de dispositivos desse tipo, existe um grande botão vermelho que permite desativar o campo magnético (ímã de degradação). Não é sem ironia que se chama "Demissão de botão".

Um dos painéis de controle de tomografia da Siemens

Pressionar esse botão liga os aquecedores de emergência em um recipiente com refrigerante, que eleva a temperatura dos enrolamentos a um ponto crítico, após o qual o processo é como uma avalanche: depois que os enrolamentos adquirem resistência, a corrente através deles os aquece instantaneamente e tudo ao seu redor, levando à emissão de hélio através de um tubo especial. Esse processo é chamado de “Quench” e provavelmente é a coisa mais triste que pode acontecer com o dispositivo, pois restaurá-lo depois disso leva muito tempo e dinheiro.

Tomógrafo Siemens Espree, com campo 1.5. Tesla, preste atenção nas teclas de metal que ficam quietas na mesa - não há mais campo magnético aqui. Foi comprado para algumas clínicas governamentais da Siemens. Possui um tamanho de tanque relativamente pequeno e um grande diâmetro de abertura. Há uma opinião de que tal encurtamento do design resultou no fato de que ele gosta de colocar hélio ao vento por conta própria (pelo menos o aparelho da foto faz isso com invejável regularidade).

Enquanto isso, depois de uma breve digressão, voltemos à teoria novamente. Se você simplesmente receber as ondas de rádio emitidas pelos prótons do corpo em resposta a pulsos de rádio ressonantes, a imagem não poderá ser construída. Como localizar um sinal que vem imediatamente de todas as partes do corpo? Ao mesmo tempo, os pesquisadores Paul Lauterbur e Peter Mansfield receberam o Prêmio Nobel de Medicina por resolver este problema. Em suma, a solução é usar enrolamentos adicionais no aparelho, criando uma mudança quase linear no campo magnético ao longo da direção selecionada - o gradiente do campo. Como nosso espaço parece ser tridimensional, são utilizados três enrolamentos - os eixos X, Y e Z.

Ilustração do livro de Evert Blink, "The Basics of MRI". É assim que são os enrolamentos gradientes adicionais dentro do aparelho - os enrolamentos reais têm obviamente uma estrutura mais complexa.

Se a intensidade do campo magnético variar linearmente, quando um dos gradientes for ativado, os prótons nessa direção terão frequências ressonantes diferentes.

Ilustração de howequipmentworks.com. Os enrolamentos de gradiente (azul) e os de frequência de rádio (verde) são desenhados simbolicamente. É mostrado que, ao criar um gradiente de campo ao longo da tabela no ponto A, a frequência ressonante dos prótons será diferente da frequência no ponto B

O uso de gradientes permite manipular o campo para que o sinal venha apenas de áreas específicas. Dependendo da amplitude do sinal recebido, o brilho do pixel na imagem é selecionado. Quanto maior a concentração de prótons na região, mais brilhante é o resultado.

Claro ...

Essa descrição é obviamente muito exagerada. Na realidade, o sinal é localizado combinando os três gradientes de uma só vez, e a imagem é construída não pixel por pixel, como você pode pensar nesta descrição, mas imediatamente por uma linha inteira. Nem o menor papel nisso é desempenhado pela conhecida transformação de Fourier. Uma descrição detalhada pode ser encontrada no livro “Introdução às técnicas de imagem por ressonância magnética”, de Lars G. Hanson. Este artigo, infelizmente, não se encaixa em tudo.

Para criar um gradiente de campo magnético, uma grande corrente deve ser passada através dos enrolamentos de gradiente, e o pulso deve ser bastante curto, com uma frente íngreme, e para alguns programas é necessário que a direção da corrente no enrolamento de gradiente mude instantaneamente para o oposto para reversão de magnetização. Conversores de pulso poderosos fazem isso, eles ocupam um rack inteiro na sala de equipamentos.

Aparelhos amplificadores de gradiente Siemens Harmony 1T. Desempenho - até 300 Amps e até 800 Volts, ao usar seis módulos - a foto mostra três módulos.

Os dispositivos Siemens tradicionalmente usam o resfriamento a água dos componentes de energia - os tubos são visíveis na foto. Isso geralmente resulta (um trocadilho interessante) em uma boa saudação em qualquer vazamento. Apesar da qualidade alemã, ninguém se preocupou em instalar sensores de vazamento (a esse respeito, eles deveriam ter aprendido com a GE). Mas, para ser justo, blocos de gradiente especificamente raramente fluem, mais frequentemente eles falham sem motivo aparente.

O interior do módulo de gradiente da Siemens Harmony é um tipo antigo.

Um módulo como os mostrados na foto é difícil de reparar - os transistores são colados a um tubo de cobre para algo como soldagem a frio e queimam dezenas ao mesmo tempo. Para remover a placa, você precisa soldar várias dezenas de pernas ao mesmo tempo! Melhor esquecer esse pesadelo e procurar uma solução mais recente de um fabricante alemão.

Amplificador de gradiente da Siemens Harmony. Versão mais recente. Duas placas simétricas são parafusadas a transistores de efeito de campo muito potentes. Os transistores trabalham em grupos de seis em paralelo, é claro que eles também não queimam um de cada vez. O modelo na foto já está um pouco "quebrado", em vez dos conectores nativos entre as placas, as placas de cobre são soldadas. Preste atenção no canto superior direito da foto - esses são os cabos ópticos pelos quais passa o sinal para abrir as teclas. Se você misturar a conexão deles - a unidade queima imediatamente com um estalo alto, nenhuma proteção "contra o tolo" é fornecida nesta técnica.

Um dos principais problemas durante o reparo é a falta de documentação, principalmente porque o equipamento é muito especializado. Portanto, às vezes é preciso encher muitos cones e queimar alguns componentes caros para entender o que estava errado. Obviamente, você pode comprar manuais de serviço por dinheiro, mas, como regra, eles são muito superficiais. Empresas legais mantêm seus segredos seguros.

Quanto mais forte o campo magnético no aparelho, os correspondentes mais poderosos são os transdutores de gradiente. Em dispositivos com um campo de 1,5 T e 3 T, o conjunto de transistores de efeito de campo paralelo que precisam ser discados para fornecer a energia necessária se torna muito grande, os conjuntos IGBT entram em ação, semelhantes aos que são colocados nos conversores de frequência industriais para controle do motor.

Amplificador de gradiente Quantum Cascade na análise, corrente de até 500 Amperes, tensão de saída de até 2000 V. Ele contém 20 conjuntos IGBT poderosos. Há um ponto interessante aqui - o conjunto em si não suporta 2 kilovolts, essa tensão é obtida usando cinco fontes independentes de 400V cada. Meu sonho é montar uma bobina de Tesla a partir desta unidade.

O que está acontecendo com os enrolamentos gradientes quando essas correntes monstruosas fluem através deles, levando em conta o fato de que eles também estão em um campo magnético fraco? A força de Ampere, é claro, faz com que se deformam, mas eles são firmemente inundados com resina até a própria impossibilidade. No entanto, mesmo isso não economiza - como os gradientes funcionam na faixa de frequências sonoras, as vibrações resultantes disso podem gerar sons bastante altos, em volume semelhante a um golpe de martelo em um prego (com a ressalva de que você ouviu cerca de 5.000 golpes martelando). por segundo). Portanto, em quase todos os dispositivos de ressonância magnética existem fones de ouvido ou tampões para os ouvidos. Software e hardware monitoram constantemente o nível de som na sala do scanner para que os decibéis não ultrapassem os limites aceitáveis. Um campo magnético que muda rapidamente durante a operação de gradientes, juntamente com pulsos de radiofrequência geradores de ressonância, induz correntes de Foucault em qualquer superfície de metal perto do scanner, o que leva a vibrações de metal e um leve aquecimento, e artefatos característicos aparecerão nas imagens, mesmo a partir de uma pequena vedação de metal. É por esse motivo que antes do exame de ressonância magnética eles precisam se livrar de todo o metal (as vedações não precisam ser removidas).

A unidade de sintetizador (em dispositivos Siemens) ou o excitador (no caso de dispositivos GE) são responsáveis por criar os pulsos de radiofrequência da frequência desejada. Apesar dos nomes diferentes, suas funções são aproximadamente as mesmas. Essas unidades geralmente são confiáveis e raramente requerem reparo se manuseadas com cuidado. O sinal é formado pela síntese digital-analógica e é uma função sinc.

Dois tipos de pulsos de radiofrequência são mostrados à esquerda - gaussiano e sinc, também conhecido como seno cardinal. O lado direito mostra o perfil de excitação quando usado como um sinal excitante de radiofrequência - ou seja, o formato da região onde os prótons entram na ressonância é mostrado aproximadamente em uma vista lateral. Obviamente, a versão inferior é mais preferível para a criação de imagens (fatias), especialmente quando localizadas próximas umas das outras, a fim de reduzir a influência dos sinais fora da área de digitalização selecionada.

Finalmente, chegamos, sem exagero, ao bloco mais interessante em minha opinião em todo o tomógrafo - um amplificador de potência de radiofrequência, que converte um sinal fraco de um sintetizador em um sinal poderoso alimentado a uma antena transmissora no dispositivo.

By the way

Na literatura estrangeira, todas as antenas relacionadas ao tomógrafo são denominadas “Coil”, o nome “coil” se enraizou em russo. - «» . Body coil — «-» — - , , — .

1 10, 1.5 15 , . , . — .
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General Electric Hitachi , Analogic. , — , , , , .