Реферат: Магниторезонансная томография

В современных МРТ системах используются в основном постоянные и сверхпроводящие магниты. Это объясняется тем, что у них достаточно малое энергопотребление, и они не требуют дорогостоящей, а также энергоемкой системы охлаждения.

Напряженность поля постоянного магнита ограничена, но с развитием новых технологий, таких как, например, Tim-технология (Total imaging matrix), которая представляет собой революционное развитие радиочастотного тракта, РЧ-катушек и алгоритмов реконструкции с использованием методов параллельной визуализации, получаемые изображения ни в чём не уступают изображениям со сверхпроводящего МРТ. Также неоспоримым плюсом является то, что постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ - так называемая интервенционная МРТ.

4. Основные блоки МРТ

магнитный резонанс томография спиновое

Из электронных узлов, обеспечивающих действие системы, наибольший интерес представляют блоки радиочастотной группы. Структурная схема, отражающая связь и взаимодействие этой группы блоков изображена на рис. 4.1. Одним из главных требований, предъявляемых к РЧ блоку, является высокая стабильность радиочастоты, что обеспечивается применением кварцевого задающего генератора, который вырабатывает сигнал с частотой f₀, определяемой равенством Лармора. Поэтому смещение этой частоты при выборе слоя осуществляется не прямым способом, а путем косвенных нелинейных преобразований, например, смешиванием сигналов частоты  и частоты смещения.

Смещенный сигнал усиливается по напряжению и по мощности в блоке передатчика, модулируется огибающей с заданным законом изменения и поступает на РЧ катушки по общему коаксиальному фидеру. Соответственно их пространственному расположению пары катушек называются вертикальной (ВК) и горизонтальной (ГК) Для получения вращающегося магнитного поля в цепях каждой пары катушек имеются фазосдвигающие звенья, которые создают сдвиг фаз их токов в 90^о.

МР сигнал, получаемый от тела, снимается с тех же катушек, которые служат для возбуждения, и поступает по двум каналам в предварительный усилитель, расположенный поблизости. В нем сигналы каналов объединяются и по общему коаксиальному кабелю приходят на оконечный усилитель МР сигнала. Как было показано, для возбуждения катушек на них подаются большие (сотни вольт) напряжения. Поэтому должны быть предусмотрены меры по защите предусилителя МР сигнала от перенапряжений по входу. При приеме сигнала РЧ катушки, имеющие относительно малое входное сопротивление, могут оказывать шунтирующее действие. Для его исключения также принимают различные меры - нелинейные элементы, коммутирующие устройства, которые отключают РЧ катушки при приеме МР сигнала.

Объединенный МР сигнал детектируется синхронным детектором, который управляется напряжением задающего генератора. В синхронном детекторе МР сигнал разделяется на два канала U и V, сигналы которых находятся в квадратуре (сдвинуты по фазе на 90^о) и, по сути, представляют собой физическое воплощение представлений о вращающейся системе координат и ее параметров u и v.

Рисунок 4.1 - Блоки радиочастотной группы.

РЧ катушки. Упрощенные схемы цепей катушек для тела и для головы изображены на рис. 4.2. Катушки для тела, как уже говорилось, образуют две ортогонально расположенные пары - горизонтальную (ГК) и вертикальную (ВК).

Напряжение возбуждения на катушки подается по общему коаксиальному фидеру. Для сдвига фаз токов на 90^о в цепи горизонтальной и вертикальной пар включены соответственно индуктивность L1 и емкость С1. Для защиты от перегрузок по напряжению входов предварительного усилителя и устранения шунтирующего действия передатчика используются встречно-параллельные пары диодов. При возбуждении катушек через диоды протекают большие токи и их сопротивления малы. При этом диодные пары, включенные на входах усилителя, играют роль двухсторонних амплитудных ограничителей. Для слабых же МР сигналов диоды представляют собой большие сопротивления, благодаря чему диодные пары, включенные в цепи катушек за фидером, как бы отключают их от передатчика. Помеха, возникающая на входах усилителя, хотя и уменьшенная диодными ограничителями, все-таки остается слишком большой (0,7 В). Поэтому на практике применяют более сложные способы подавления помех.

a                                                                b

Рисунок 4.2 - РЧ катушки: для тела (а) и головы (b).

Катушка для головы надевается непосредственно на голову пациента и подключается к предварительному усилителю коротким коаксиальным кабелем с разъемом. Она состоит из двух секций, каждая из которых содержит пару катушек - сигнальную (L1) и компенсирующую (L2). Эти катушки находятся в непосредственной близости друг от друга и имеют почти стопроцентное сцепление. При возбуждении излучающей системы (катушки для тела) в сигнальной катушке L1 наводится сильная помеха. Для ее компенсации и служит катушка L2. В ее цепи возникает большой ток, создающий размагничивающее поле для L1 и тем самым компенсирующее помеху. По окончании РЧ импульса сопротивление диодной пары становится большим и на слабый МР сигнал катушка L2 не оказывает шунтирующего действия. Для этой же цели служит нелинейная индуктивность L3.

Предварительный усилитель МР сигнала предназначен для усиления очень слабых РЧ откликов, поэтому к нему предъявляются повышенные требования в части собственных шумов. Это требование удовлетворяется, как и в видеоусилителях рентгеновских телевизионных систем, применением во входных каскадах малошумящих полевых транзисторов. Но в отличие от видеоусилителя предварительный усилитель МРС принимает узкополосный сигнал, поэтому от внешних и внутренних помех можно дополнительно отстроиться с помощью селективных цепей. Одна из возможных схем предварительного усилителя МРС приведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 - Предварительный усилитель МР сигнала.

Сигналы от РЧ катушек поступают на входы 1 и 2 «вертикального» и «горизонтального» каналов. Сильные сигналы (помехи), возникающие при возбуждении катушек, ограничиваются двусторонними диодными ограничителями, которые уже были показаны на рис.4. В каждом канале сигналы усиливаются повторителем на малошумящем полевом транзисторе (например, КП307) и усилителем напряжения У1, который может быть выполнен на быстродействующем операционном усилителе. Нагрузкой повторителя служит дроссель L1. Его сопротивление переменному току будет большим, а сопротивление постоянному - маленьким. Поэтому напряжение затвор-исток полевого транзистора оказывается практически равным нулю. Крутизна транзистора будет при этом максимальной.

Для повышения стабильности усиления каждый канал охвачен параллельной отрицательной ОС через емкости С1, С2, С3, а дроссель для повышения устойчивости схемы зашунтирован высокоомным сопротивлением.

Так как сигналы каналов ВК и ГК находятся в квадратуре, то при их простом объединении на входе суммирующего усилителя амплитуда результирующего сигнала была бы только в  раз больше амплитуды одного из них. Во избежание потери усиления их фазы сдвигаются соответственно на -45^о и +45^о с помощью фазосдвигающей цепочки R1, R2, C4, поскольку, как это видно из рис.4, напряжение в канале ГК отстает от напряжения в канале ВК. Таким образом, на входе усилителя они оказываются в одной фазе. Как правило, общее усиление предварительного усилителя составляет около 2000. При этом его выходное напряжение получается равным примерно 40 мВ, что косвенным образом свидетельствует об очень малой величине МРС (»20 мкВ).

Передатчиком в МРТ обычно называют многокаскадный усилитель мощности и модулятор. Особенность его работы заключается в том, что он должен развивать большую мощность в течение действия сравнительно короткого РЧ импульса при достаточно большой скважности (длительность РЧИ составляет 3-8 мс, а длительность периода повторения обычно не менее 40 мс). Поэтому средняя выходная мощность передатчика сравнительно невелика. Тем не менее, для повышения надежности в его выходных каскадах применяют мощные высокочастотные транзисторы. В частности, разработчики охотно используют полевые транзисторы с изолированным затвором благодаря небольшой мощности, необходимой для их раскачки. Пример построения схемы передатчика показан на рис. 4.4.

Рисунок 4.4 - Передатчик РЧ сигнала.

Несущая со смещенной частотой непрерывно поступает от РЧ блока. Она не обязательно должна иметь форму гармонического колебания - это может быть и прямоугольное напряжение (меандр). Главное требование, предъявляемое к ней - стабильность частоты и амплитуды. Сигнал огибающей поступает от блока выбора слоя. Несущая усиливается двухтактным усилителем. Его первый каскад на транзисторах VT1, VT2 (резистивный) раскачивает мощный выходной каскад на полевых транзисторах с изолированным затвором VT7, VT8. Для согласования входного и выходного каскадов служат двухтактные эмиттерные повторители на комплементарных парах транзисторов VT3, VT4 и VТ5, VT6.

Модуляция осуществляется с помощью транзисторов VT9, VT10, которые управляют током специального источника питания. Такой способ питания называют «плавающей землей» или «подземным» источником. При отсутствии РЧИ потенциал точки а равен нулю, поэтому напряжение U_си полевых транзисторов также равно нулю, и ток в цепи РЧ катушек отсутствует. Поступающий от формирователя огибающей сигнал открывает транзисторы VT9, VT10, и потенциал точки а понижается. Это приводит к отпиранию транзисторов VT7, VT8 и возбуждению тока в РЧ катушках. Рассмотренный способ модуляции аналогичен анодной или коллекторной модуляции. Он характеризуется высокой линейностью воспроизведения огибающей в широком динамическом диапазоне, но требует большой мощности от модулятора. Для обеспечения пропорциональности между управляющим сигналом огибающей и выходным напряжением модулятора усилитель огибающей охватывают глубокой отрицательной ОС по напряжению.

Для работы в выходном каскаде передатчика подходят мощные полевые транзисторы КП904А, Б с максимальной мощностью рассеяния 75 Вт и минимальной крутизной около 250 мА/В. При выходном токе 1,4 А, взятом из ранее рассмотренного примера, потребуется напряжение U_зи = 1,4/0,25 = 5,6 В. Емкость затвор-исток этих транзисторов составляет около 200 пФ. На частоте 5 МГц их входной ток будет равен , т.е. ток получается достаточно большим. Но если бы использовать биполярные транзисторы, он был бы не меньше, а линейность была бы хуже.

Во вторичной цепи трансформатора Т2 включена пара встречно-параллельных диодов. Она, как и аналогичные пары в цепях РЧ катушек, служит для отключения выхода передатчика во время приема МР сигнала с целью предотвращения его шунтирования сравнительно малым выходным сопротивлением трансформатора.

Основными частями РЧ блока являются генератор смещенной частоты и синхронный детектор МР сигнала. Структурная схема генератора приведена на рис.4.5.

Рисунок 4.5 - Генератор сигналов смещенной частоты.

Принцип смещения частоты основан на тригонометрическом преобразовании:

Функции перемножения и сложения выполняются с помощью аналоговых перемножителей (АП). При этом один из сомножителей является гармонической функцией, а другой - периодической негармонической. Гармонический сигнал с частотой  выделяют на параллельном колебательном контуре, подключаемом к выходам АП и настроенном на частоту . Впрочем, затем он может снова стать прямоугольным, если в качестве предварительного усилителя ПУ и оконечного каскада ОК использовать цифровые микросхемы К500 или К1500.

В качестве АП можно применить популярную микросхему К174ПС1. Она представляет собой аналоговый перемножитель общего применения с предельной частотой 220 МГц. Его выходное напряжение определяется выражением где  - масштабный коэффициент. Электрическая схема этого АП приведена на рис. 4.6.

Рисунок 4.6 - Аналоговый перемножитель К174ПС1.

Регулятор фазы поддерживает точный сдвиг фаз в 90^о между квадратурными сигналами с частотой . Это достигается применением АП (АП3) и фильтра нижних частот, в качестве которого используется интегратор. Выходное напряжение интегратора смещает потенциал на выходе фазосдвигающей цепи, которая представляет собой интегрирующую RC-цепь. В результате сдвигается во времени фронт импульса на входе одного из триггеров-делителей на 2. Регулятор охвачен обратной связью сигналами  и . В результате на выходе АП3 возникает переменное прямоугольное напряжение с частотой  (см. рис. 4.7). При точном равенстве сдвига фаз 90^о это напряжение будет иметь форму меандра, и поэтому выходное напряжение интегратора будет равно нулю.

Рисунок 4.7 - Напряжение на выходе АП3.

Канал синхронного детектора показан на рис. 4.8. МР сигнал от предварительного усилителя поступает на вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления, который выполнен на АП (АП1). Сущность управления усилением состоит в том, что один из входных сигналов представляет собой постоянное напряжение, подаваемое от блока программатора уровней. В частности, при возбуждении РЧ катушек, когда на входе этого усилителя возникает большой сигнал, на управляющем входе на некоторое время устанавливается нулевой уровень. Это приводит к блокировке усилителя.

Рисунок 4.8 - Синхронный детектор МР сигнала.

Первая гармоника сигнала  выделяется на колебательном контуре и детектируется синхронным детектором, который выполнен также на аналоговых перемножителях. На их сигнальные входы подается один и тот же сигнал а на опорные входы - квадратурные опорные сигналы  и . Спектры выходных сигналов АП2 и АП3 описываются выражениями (2.13) и представляют собой биения колебаний. Фильтры нижних частот выделяют из этих биений низкочастотные составляющие  и , которые несут информацию о параметрах, характеризующих локальные свойства тканей. Эти сигналы усиливаются и поступают в каналы U и V аналого-цифровых преобразователей.