RM multicore

Vou falar sobre a ressonância magnética médica com vários núcleos - uma das muitas áreas do desenvolvimento da RM. Vou abordar os recursos do método, as soluções técnicas necessárias, a aplicação e as perspectivas.

Para começar, uma pequena excursão ao básico da ressonância magnética.

Fundamentos da ressonância magnética

O processo de ressonância magnética pode ser descrito nas seguintes etapas:

1. O objeto em estudo é colocado em um campo magnético constante de um grande ímã principal supercondutor, como regra. A intensidade do campo deste ímã é indicada por $$$B_0$e o eixo ao longo do qual é direcionado é indicado pelo eixo Z. Campo $$$B_0$determina quantos Tesla esse scanner de ressonância magnética possui. As clínicas usam tomógrafos com 1,5 T e 3 T. Os tomógrafos de RM com campos ultra altos - 7 T, 9,4 T, são encontrados apenas em institutos de pesquisa.
2. Os núcleos de alguns elementos químicos têm seu próprio momento magnético diferente de zero. A presença de um momento magnético no núcleo é determinada pela propriedade quântica inerente às partículas - spin . Sob a influência do campo $$$B_0$Os momentos magnéticos dos núcleos são orientados em paralelo (a maioria) e antiparalelo (menor) às linhas de força. Juntos, esses núcleos dão ao objeto magnetização macroscópica na direção ao longo do eixo Z.
   
   
   
   
   

   Além disso, os núcleos precessam . Até agora, a precessão não afeta a magnetização geral, porque as fases de todos os núcleos são distribuídas aleatoriamente e os componentes de seus momentos magnéticos perpendiculares ao eixo Z se anulam mutuamente. Frequência de precessão - frequência de Larmor , depende apenas do campo magnético $$$B_0$e as propriedades do núcleo - sua proporção giromagnética.
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gama,$$
   onde $$$\ omega_0$- Frequência angular de Larmor da precessão nuclear, [rad / s];
   $$$B_0$- intensidade do campo magnético, [T];
   $$$\ gama$- razão giromagnética do núcleo, [rad / (T $$$\ cdot$c)].
   A razão giromagnética é definida como $$$\ gama = \ mu / h$onde $$$\ mu$- momento magnético intrínseco do átomo, [A $$$\ cdot$m $$$^ 2$]; $$$h$- constante de Planck, $$$h = 6.626.070.040 (81) \ cdot10 ^ {- 34}$J $$$\ cdot$s
   
   

   Hoje, a tomografia médica é baseada no trabalho com átomos de hidrogênio, cujo núcleo é um próton comum. Núcleos de vários elementos químicos no mesmo campo precessão com frequências diferentes. Para ressonância magnética multinúcleo, os átomos são interessantes $$$^ {23} Na$, $$$^ {31} P$, $$$^ {13} C$, $$$^ {19} F$, $$$^ {17} O$, $$$^ {129} Xe.$
   

   
   

   Frequências Larmor de alguns átomos, MHz

   Atom	Giromagnético relação, MHz / T	Intensidade do campo $$$B_0$T
   		1,5	3	7	9,4
   $$$^ {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

   
   

   A partir desses dados, pode-se entender os possíveis problemas da ressonância magnética multicore. As frequências de outros átomos são muito diferentes da frequência do hidrogênio. Isso requer que o tomógrafo seja equipado com um segundo conjunto de eletrônicos para trabalhar com um sinal de RF. Por outro lado, a frequência do flúor-19, pelo contrário, é próxima da frequência do hidrogênio e, portanto, surgem dificuldades com a diferenciação de seus sinais. Para resolver isso, você pode usar campos ultra-altos nos quais a etapa de amostragem na frequência se torna mais estreita. A proporção giromagnética também pode ser negativa, como no oxigênio-17. Seus núcleos no mesmo campo irão recuar na direção oposta em comparação com outros. Isso deve ser levado em consideração na próxima etapa - excitação dos núcleos.

3. A bobina de radiofrequência de transmissão (antena) cria um impulso de campo magnético $$$B_1$girando no plano XOY. Aqui ocorre o fenômeno da ressonância , se a frequência de rotação do campo coincidir com a frequência de Larmor, os núcleos giram para o plano XOY e sincronizam as fases de rotação. Se a duração do pulso de RF é tal que os momentos magnéticos da maioria dos núcleos são reorientados para o plano XOY, então o pulso é chamado de 90 graus . Após um pulso de 90 graus, a magnetização macroscópica do objeto gira no plano XOY com uma frequência igual à frequência Larmor do núcleo.
   

   
   

   Nas bobinas de RF receptoras, essa magnetização rotativa induz uma tensão - um sinal (decaimento) de indução livre . Recessão, porque ocorre um relaxamento desse estado e essa magnetização específica é perdida. O relaxamento ocorre de duas maneiras. Relaxamento cruzado , com tempo constante $$$T_2$está associado a uma perda de sincronização das fases de rotação dos átomos. Relaxamento longitudinal , com constante de tempo $$$T_1$associado ao retorno da orientação dos momentos magnéticos dos núcleos ao longo do campo $$$B_0$.
   

   
   
   
   
   

   Em geral, para obter algumas informações sobre o objeto, isso é suficiente. O sinal conterá informações integrais e médias sobre esses núcleos de objeto. Por exemplo, mudanças químicas podem ser vistas no espectro de frequências de um sinal - mudanças na frequência de Larmor devido à interação de átomos em um composto químico. Essa é a base da espectroscopia de RMN, um método usado pelos químicos para analisar a composição química de um objeto.
   

   
   

   Nesta publicação, falarei um pouco mais sobre as bobinas de RF e seus recursos na ressonância magnética multinúcleo.
   

RF Coil Designs

As bobinas de RF transmissoras (Tx) têm a tarefa de transmitir eficientemente um pulso de uma determinada frequência e criar um campo magnético uniforme perpendicular ao eixo Z. Curiosamente, a perda de pulso de RF no sistema é enorme. De vários quilowatts criados por amplificadores de potência, apenas dezenas de watts atingem bobinas. Portanto, as bobinas de RF são produzidas ressonando eletricamente em uma determinada frequência. O design da bobina de RF também impõe limitações e anatomia. Nos estudos de ressonância magnética, apenas parte do corpo é frequentemente considerada - cabeça, peito, joelho etc. A bobina transmissora para o estudo de todo o corpo é geralmente incorporada ao próprio tomógrafo e, para o estudo de partes individuais do corpo, é representada por módulos separados.

Bobina de cabeça RF Siemens

Vou dar alguns exemplos de projetos de bobinas.

1. Bobina na forma de um solenóide.

   
   
   
   
   

   Uma maneira simples de criar um campo uniforme dentro dos enrolamentos do solenóide. Pode parecer que os campos dessa bobina não podem ser girados. Mas vale lembrar que o vetor $$$B_1$a mudança de acordo com uma lei senoidal pode ser representada como a soma de dois componentes girando em direções opostas.
   

   
   

2. Bobina de sela

   
   
   
   
   

3. Carretel Gaiola

   
   
   
   
   

   À esquerda está a “gaiola de pássaro” do tipo de frequências mais baixas, à direita - as superiores.

   
   

   Opção avançada. Pode ser na forma de baixas ou altas frequências. Graças à configuração dos elementos - os valores de capacitância e indutância devido ao comprimento da perna (raramente), a corrente da frequência necessária possui uma distribuição angular quase sinusoidal e cria um campo uniforme. Se um sinal de quadratura for aplicado a ele, o campo $$$B_1$será puramente rotativo.

   
   

4. Multi Coils

   
   
   
   
   

   Bobina de cabeça composta por antenas dipolo reduzidas e loops retangulares.

   
   

   Eles são construídos a partir de várias antenas mais simples, dispostas em círculo. Os elementos podem ser antenas dipolo, antenas de loop, antenas de microfita, etc. Aqui você pode ver como a anatomia afeta o design. Por exemplo, o comprimento de onda da radiação da frequência Larmor de um próton a 7 T. É 1 M. Uma antena dipolo comum deve ter metade do comprimento de onda da radiação detectada. É impraticável fazer uma bobina tão longa para examinar a cabeça, para que a antena dipolo seja encurtada adicionando indutores em seus ombros.
   

   
   

A função de bobinas receptoras também pode ser realizada em bobinas transmissoras, tendo recebido uma bobina transmissora-receptora (TxRx). As bobinas que recebem puramente (Rx) também devem ser ressonantes, mas os requisitos de projeto são um pouco diferentes. Eles podem ser feitos na forma de uma treliça de antenas de loop plano. Portanto, eles estão localizados diretamente na superfície do corpo, reduzindo assim a perda do sinal recebido.

Bobina de recepção de superfície Siemens

O ajuste fino da frequência das bobinas é realizado alterando a capacitância dos capacitores. Também é importante combinar as impedâncias da bobina e o caminho para uma transferência eficiente de energia. A impedância da bobina usando circuitos de indutores e capacitores que transformam a impedância leva a um padrão de 50 ohms.

Recursos de bobinas de RF para ressonância magnética multinúcleo

Portanto, para receber um sinal dos núcleos de hidrogênio e, além de algum outro elemento na ressonância magnética, as bobinas de RF devem ter propriedades diferentes. Como implementá-lo.

1. A opção mais simples. Faça duas bobinas diferentes, uma para hidrogênio e outra para outro elemento. Realize um estudo completo com uma bobina de prótons, remova o objeto e a bobina, coloque outra bobina para devolver o objeto e repita o estudo. Dado que uma ressonância magnética consome tempo e é sensível ao movimento, a opção não é aplicável.
   

2. Faça bobinas de ressonância dupla. O segundo pico de ressonância pode ser introduzido na bobina pela adição de um circuito LC em série. A introdução de circuitos LC adicionais permite ajustar a bobina para 3 ou mais frequências
   

   
   
   
   
   

3. Use interruptores. Por exemplo, com a ajuda de diodos PIN, é possível ignorar capacitores de sintonização adicionais. Portanto, ao aplicar uma tensão constante, o circuito de sintonia elétrica muda e, consequentemente, a frequência ressonante da bobina.
   

   
   
   
   
   

4. Use duas (ou mais) bobinas ao mesmo tempo. Cada um deles é sintonizado em sua própria frequência. Isso levanta o problema do acoplamento indutivo mútuo entre as bobinas. Muitas vezes, é resolvido usando um design de bobina especial. A geometria e o tipo de antenas são selecionados para que os campos criados por elas sejam ortogonais entre si. Outras opções - adicione um filtro LC passivo a cada bobina, removendo o sinal da outra; Usando diodos PIN, perturbe a bobina atualmente não utilizada.
   

   
   
   
   
   

5. Bobina de gaiola de quatro anéis. Por um lado, e por outro lado, mais uma "célula" é adicionada à "célula" usual. O segmento interno opera de maneira semelhante a uma bobina convencional de frequência única. Os segmentos externos juntos formam uma "gaiola de pássaro" sintonizada para uma frequência diferente. Esse design permite que as bobinas ressoem independentemente uma da outra.
   

   
   
   

   À esquerda, há uma “gaiola para pássaros” de 4 anéis com um segmento externo, como altas frequências, à direita - inferiores.

   
   

Conclusão

A imagiologia e espectroscopia in vivo nos estudos de ressonância magnética é uma tarefa difícil. A concentração de átomos além do hidrogênio no corpo humano é bastante baixa, por causa disso a relação sinal / ruído ao trabalhar com esses átomos é baixa. Para melhorar o SNR, a RM com campos ultra-altos é usada, mas nesses campos surgem dificuldades com a uniformidade do campo. Com esse Tesla, o comprimento de onda da emissão de prótons já é comparável ao tamanho das partes do corpo.

Mas o uso de outros átomos carrega informações valiosas sobre o metabolismo. Átomos $$$^ {23} Na$transportar informações sobre o balanço de sal nas células. As células saudáveis ​​que vivem constantemente mantêm uma baixa concentração de íons sódio dentro de si mesmas, enquanto no exterior são elevadas com bombas de sódio e potássio. Esse processo acompanha os custos de energia; portanto, os distúrbios metabólicos se refletem em uma alteração na concentração de íons sódio dentro das células. Tumores cerebrais, isquemia, derrames e distúrbios bipolares estão associados a um aumento na concentração de sódio no interior das células e isso pode ser observado com a ajuda da ressonância magnética multinúcleo.

Outro exemplo de fósforo na forma de um átomo $$$^ {31} P$. Está incluído em importantes metabólitos - ATP, fosfocreatina, etc. Ao realizar espectroscopia de fósforo nos músculos, pode-se avaliar a presença dessas substâncias e o nível de metabolismo nos músculos.

Espectroscopia $$$^ {13} C$já usado na espectroscopia de RMN para analisar compostos químicos orgânicos, mas in vivo sua concentração no corpo humano é baixa, mas o método ainda é aplicável.

Atom $$$^ {17} O$possui baixa concentração em seu estado natural, mas quando satura o ar que a pessoa em estudo respira, é possível construir um mapa de sua taxa metabólica, o que ajuda no diagnóstico de tumores.

Mas, ainda assim, antes do amplo uso da RM multinuclear nas clínicas, ainda há um longo caminho a percorrer e isso levará de 20 a 30 anos.

Fontes