多核核磁共振

我将讨论多核医学磁共振成像-MRI发展的众多领域之一。 我将介绍该方法的功能，必要的技术解决方案，应用和前景。

首先，对MRI的基础知识进行一小段考察。

MRI基础知识

MRI的过程可以按以下步骤描述：

1. 被研究的物体通常被放置在通常是超导主磁铁的恒定磁场中。 该磁体的场强由下式表示 $$$B_0$ Z轴表示的方向 。 田野 $$$B_0$ 确定此MRI扫描仪有多少特斯拉。 诊所使用1.5 T和3 T断层扫描仪。 仅在研究机构中才发现具有7T，9.4T超高场的MR断层扫描仪。
2. 一些化学元素的核具有自己的非零磁矩。 原子核中磁矩的存在取决于粒子自旋的固有量子性质。 在领域的影响下 $$$B_0$ 原子核的磁矩与力线平行（最大），反平行（较小）。 这些原子核一起沿Z轴方向赋予对象宏观磁化强度 。
   
   
   
   
   

   另外，核心是必需品 。 到目前为止，进动不影响一般的磁化强度，因为 所有原子核的相位都是随机分布的，并且它们垂直于Z轴的磁矩的分量相互抵消。 进动频率- 拉莫尔频率 ，仅取决于磁场 $$$B_0$ 以及磁芯的特性-磁旋比。
   

   $$

   $$\ omega_0 = B_0 \ cdot \ gamma，$$
   在哪里 $$$\ omega_0$ -拉莫尔核进动的角频率，[rad / s]；
   $$$B_0$ -磁场强度，[T]；
   $$$\伽玛$ -磁芯的回磁比，[rad /（T $$$\ cdot$ c）]。
   旋磁比定义为 $$$\伽玛= \亩/小时$ 在哪里 $$$\亩$ -原子的固有磁矩，[A $$$\ cdot$ 米 $$$^ 2$ ]; $$$h$ -普朗克常数， $$$h = 6,626,070,040（81）\ cdot10 ^ {-34}$ J. $$$\ cdot$ s
   
   

   如今，医学断层扫描是基于氢原子的作用，氢原子的核心是普通质子。 同一场中各种化学元素的核将以不同的频率进动。 对于多核MRI，原子很有趣 $$$^ {23} Na$ ， $$$^ {31} P$ ， $$$^ {13} C$ ， $$$^ {19} F$ ， $$$^ {17}$ ， $$$^ {129} Xe。$
   

   
   

   一些原子的拉莫尔频率，MHz

   原子	旋磁的 比率，MHz / T	场强 $$$B_0$ ，T。
   		1,5	3	7	9,4
   $$$^ {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}$	-5.77	-8.66	-17.32	-40.40	-54.26

   
   

   从这些数据，可以了解多核MRI的可能问题。 其他原子的频率与氢的频率有很大不同，这要求断层扫描仪配备第二套电子设备以处理RF信号。 另一方面，氟-19的频率接近于氢的频率，因此在区分其信号时会遇到困难。 为了解决这个问题，您可以使用超高磁场，其中频率的采样步幅会变窄。 旋磁比也可以为负数，例如氧气17。 与其他原子核相比，它在同一磁场中的原子核将朝相反的方向进动。 下一步必须考虑到这一点-原子核的激发。

3. 发射射频线圈 （天线）产生磁场脉冲 $$$B_1$ 在XOY平面中旋转。 这里发生共振现象，如果场旋转频率与拉莫尔频率一致，则原子核旋转到XOY平面并使旋转相位同步。 如果RF脉冲的持续时间使得大多数原子核的磁矩重新定向到XOY平面，则该脉冲称为90度 。 在90度脉冲后，物体的宏观磁化强度在XOY平面中旋转，其频率等于原子核的拉莫尔频率。
   

   
   

   在接收RF线圈中，这种旋转的磁化感应产生电压- 自由感应的信号（衰减） 。 后退，因为从该状态发生松弛 ，并且失去了该特定的磁化强度。 松弛以两种方式发生。 交叉松弛 ，具有时间常数 $$$T_2$ 与原子旋转相位失去同步有关。 纵向松弛 ，具有时间常数 $$$T_1$ 与核沿磁场的磁矩方向的返回有关 $$$B_0$ 。
   

   
   
   
   
   

   通常，要获取有关对象的一些信息，就足够了。 该信号将包含有关这些对象核心的完整平均信息。 例如，可以在信号的频谱中看到化学位移-由于化合物中原子的相互作用，拉莫尔频率发生了变化。 这是NMR光谱学的基础，NMR是化学家用来分析物体化学成分的一种方法。
   

   
   

   在本出版物中，我将进一步讨论RF线圈及其在多核MRI中的功能。
   

射频线圈设计

发射（Tx）RF线圈的任务是有效地发射给定频率的脉冲并产生垂直于Z轴的均匀磁场，有趣的是，系统中RF脉冲的损耗很大。 从功率放大器产生的几千瓦，到线圈只有几十瓦。 因此，使RF线圈在给定频率下电谐振。 RF线圈设计还施加了局限性和结构。 在MRI研究中，通常只考虑身体的一部分-头部，胸部，膝盖等。 用于研究全身的发射线圈通常内置在断层扫描仪本身中，对于研究人体的各个部位，它由单独的模块表示。

西门子射频头线圈

我将提供一些线圈设计示例。

1. 螺线管形式的线圈。

   
   
   
   
   

   在螺线管绕组内部创建均匀磁场的简单方法。 似乎无法使这种线圈中的磁场旋转。 但值得记住的是 $$$B_1$ 根据正弦定律变化可以表示为两个方向相反的分量之和。
   

   
   

2. 鞍形线圈

   
   
   
   
   

3. 鸟笼卷轴

   
   
   
   
   

   左侧是较低频率类型的“鸟笼”，右侧-较高频率。

   
   

   高级选项。 可能为低频或高频形式。 由于设置了元素-腿长（很少）引起的电容和电感值，所需频率的电流几乎呈正弦角分布，并产生均匀的磁场。 如果对其施加正交信号，则该场 $$$B_1$ 将纯粹旋转。

   
   

4. 多线圈

   
   
   
   
   

   头线圈由缩短的偶极天线和矩形环组成。

   
   

   它们是由几个排列成一个圆形的较简单的天线构成的。 这些元素可以是偶极天线，环形天线，微带天线等。在这里，您可以看到解剖结构如何影响设计。 例如，质子的拉莫尔频率的辐射在7 T处的辐射波长为1 m，普通的偶极天线应为检测到的辐射的波长的一半。 制作如此长的线圈来检查头部是不切实际的，因此通过在其肩上增加电感器来缩短偶极天线。
   

   
   

接收线圈的功能也可以在已经接收了发送-接收线圈（TxRx）的发送线圈上实现。 纯接收线圈（Rx）也应谐振，但设计要求有所不同。 它们可以制成扁平环形天线的网格形式。 因此它们直接位于身体表面，从而减少了接收信号的损失。

西门子表面接收线圈

通过改变电容器的电容来精确调节线圈的频率。 匹配线圈的阻​​抗和有效的能量传输路径也很重要。 使用电感器和电容器的电路来转换阻抗的线圈阻抗导致标准的50欧姆。

用于多核MRI的射频线圈的功能

因此，要接收来自氢核的信号以及MRI中的其他元素，RF线圈必须具有不同的特性。 如何实施。

1. 最简单的选择。 制作两个不同的线圈，一个用于氢气，另一个用于其他元素。 用质子线圈进行完整的检查，取出物体和线圈，放另一个线圈返回物体并重复检查。 鉴于MRI扫描既费时又对运动敏感，因此该选项不适用。
   

2. 制作双谐振线圈。 可以通过添加串联的LC电路将第二谐振峰引入线圈。 通过引入其他LC电路，您可以将线圈调谐到3个或更多频率
   

   
   
   
   
   

3. 使用开关。 例如，借助PIN二极管，可以旁路额外的调谐电容器。 因此，在施加恒定电压时，电调谐电路会发生变化，从而改变线圈的谐振频率。
   

   
   
   
   
   

4. 同时使用两个（或更多）线圈。 他们每个人都调整到自己的频率。 这引起了线圈之间的互感耦合的问题。 通常使用特殊的线圈设计即可解决。 选择天线的几何形状和类型，以使天线创建的场彼此正交。 其他选项-在每个线圈上添加一个无源LC滤波器，以消除另一个线圈的信号； 使用PIN二极管使当前未使用的线圈发生故障。
   

   
   
   
   
   

5. 四环鸟笼卷轴。 一方面，将一个“单元格”添加到通常的“单元格”中。 内部部分的操作类似于常规的单频线圈。 外部部分共同构成了一个调谐到不同频率的“鸟笼”。 这种设计允许线圈彼此独立谐振。
   

   
   
   

   左侧是一个带有外部部分（例如高频）的4圈“鸟笼”，右侧-下部。

   
   

结论

MRI研究中的体内成像和光谱学是一项艰巨的任务。 人体中除氢以外的原子浓度非常低，因此在使用这些原子时信噪比很低。 为了改善SNR，使用了具有超高场的MRI，但是在这种场中，场均匀性会出现困难。 有了这样的特斯拉，质子的发射波长已经可以与人体各部分的大小相媲美。

但是，使用其他原子会带来有关新陈代谢的宝贵信息。 原子 $$$^ {23} Na$ 携带有关细胞中盐平衡的信息。 存活的健康细胞不断地在体内保持低浓度的钠离子，而在外部使用钠钾泵则保持高浓度。 这个过程伴随着能量消耗，因此代谢紊乱反映在细胞内钠离子浓度的变化中。 脑肿瘤，局部缺血，中风，双相情感障碍与细胞内钠浓度升高有关，这可以借助多核MRI观察到。

磷原子形式的另一个例子 $$$^ {31} P$ 。 它包含在重要的代谢产物-ATP，磷酸肌酸等中。通过在肌肉中进行磷光谱分析，可以评估这些物质的存在以及肌肉中新陈代谢的水平。

光谱学 $$$^ {13} C$ 已经在NMR光谱中用于分析有机化合物，但是在体内它在人体中的浓度很低，但是该方法仍然适用。

原子 $$$^ {17}$ 它在自然状态下浓度很低，但是如果它使被调查者呼吸的空气饱和，则可以绘制其代谢率图，这有助于诊断肿瘤。

但是，在临床上广泛使用多核MRI之前，还有很长的路要走，这将需要20到30年的时间。

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