Реферат: Магниторезонансная томография

Если в принимаемом сообщении кроме полезной составляющей с частотой  имеется также помеха с частотой , близкой к , то, например, первое равенство системы (2.13) будет иметь вид:

Если , то , и помеха оказывается за пределами полосы пропускания фильтра.

Конечным пунктом назначения МР сигнала в усилительном тракте являются АЦП каналов U и V. Перед каждым АЦП устанавливают фильтр НЧ с управляемой полосой пропускания, которая задается в соответствии с частотой смещения. В отличие от УЗ сканеров или цифровых РТС для цифрового преобразования МР сигнала, в принципе, не требуется сверхскоростной АЦП. Действительно, МР сигнал (тот, который считывается) длится около 8 мс. За это время требуется обычно сделать 256 отсчетов. Следовательно, время одного отсчета составляет примерно 30 мкс. Это время преобразования АЦП последовательного приближения типа К1113ПВ1, который представляет собой стандартную микросхему, имеющую все необходимое для сопряжения с ЭВМ. К тому времени, когда началась разработка первого российского МР томографа «Образ-1», эта микросхема уже выпускалась. Тем не менее, разработчики применили АЦП со структурой К1113ПВ1, но выполненный из нескольких отдельных элементов: регистр последовательного приближения (РПП), ЦАП, компаратор. Вероятно, разработчиков не устраивала разрядность К1113ПВ1 - 10, что давало точность преобразования в 0,1%. При использовании 12-разрядного РПП типа К155ИР17 точность увеличивается в 4 раза.

Структурная схема одного канала АЦП с фильтром нижних частот показана на рис. 4.9. Фильтр нижних частот выполнен в виде двухкаскадного активного фильтра с характеристикой Баттерворта, обеспечивающей меньшие частотно-фазовые искажения, чем другие характеристики (например, Чебышева). Изменения полосы пропускания фильтра осуществляется коммутацией элементов R, C аналоговым коммутатором.

Рисунок 4.9 - Канал АЦП и фильтра МР сигнала.

Передаточная характеристика одного каскада ФНЧ имеет вид:

т.е. каскад является звеном второго порядка, а фильтр в целом имеет четвертый порядок. Обычно число полос пропускания фильтра выбирают так, чтобы обеспечить их взаимное перекрытие в диапазоне от до Например, если частота смещения изменяется в пределах ±8 кГц относительно f₀, что соответствует максимальным расстояниям выбираемого слоя от центра магнита, то максимальная ширина полосы фильтра будет равна 16 кГц. При этом ее удобно изменять с шагом 1 кГц.

С выхода фильтра сигнал поступает на устройство выборки-хранения (УВХ), где запоминается его дискретный отсчет на время преобразования АЦП. Цифровые данные каналов U и V через мультиплексор контроллера крейта передаются в ЭВМ. Над этими данными выполняются преобразования Фурье и определяются амплитуды и фазы отдельных гармоник:

На рис. 4.10 приведена структурная схема устройства формирования сигналов для управления частотой смещения. Формирование этих сигналов осуществляется путем двойного преобразования: сначала аналоговый уровень U_F преобразуется с помощью интегратора DA1 в пилообразное напряжение, которое служит тактовой частотой для счетчика, а затем с помощью ПЗУ и ЦАП формируют функции косинуса и синуса сигналов смещения. Уровень U_F поставляется блоком программатора уровней, где он, в свою очередь, формируется с помощью ЦАП на основе цифровых данных, поступающих из ЭВМ.

Рисунок 4.10 - Устройства формирования сигналов смещения частоты.

Для запуска интегратора по специальной команде размыкается ключ S1 и начинается заряд конденсатора С1. При положительном U_F на выходе DA1 будет отрицательное линейно-изменяющееся напряжение (ЛИН), а при отрицательном U_F - положительное ЛИН. Сброс интегратора производится с помощью компараторов К1, К2 и одновибраторов ОВ1, ОВ2. При этом замыкается ключ S2 (S3), и конденсатор С2 (С3), предварительно заряженный от источника +U_оп1 (-U_оп1) разряжает конденсатор С1. Таким образом, формируется пилообразное напряжение. Его частота определяется формулой:

где .

Основу микросхемы К572ПА1 составляют резистивная матрица R-2R и коммутирующие ключи (рис. 4.11). Благодаря выбору соотношения резисторов матрицы R-2R ток источника опорного напряжения убывает в 2 раза в резисторах 2R по мере приближения к операционному усилителю.

Рисунок 4.11 - Перемножающий ЦАП типа К572ПА1.

В зависимости от положения ключей S9…S0 ячейки матрицы вносят или не вносят свой вклад в общий выходной сигнал, который определяется выражением:

где n - разрядность ЦАП,  - бит (0 или 1 в зависимости от положения ключа). Величина R₀ обычно равна R.

Преобразования, выполняемые над функциями цифро-аналоговыми преобразователями и сумматорами, удобно представить в виде условной стуктурно-алгоритмической схемы, приведенной на рис. 4.12. В ней учитывается инверсия функций операционными усилителями ЦАП и сумматорами. Опорное напряжение U_оп3, подаваемое на сумматоры для компенсации постоянных составляющих, условно обозначены как «+1». Пилообразному напряжению соответствует функция kt.

Таким образом, сигналы на выходах сумматоров условно можно представить в виде:

Рисунок 4.12 - Структурно-алгоритмическая схема получения квадратурных сигналов.

Программатор уровней поставляет постоянные напряжения и относительно длинные импульсы в различные блоки, большинство из которых уже встречались. Напомним еще раз, какие это сигналы: прежде всего, градиентные импульсы G_x, G_y, G_z; напряжение U_F, управляющее частотой смещения; уровень напряжения, определяющий амплитуду огибающей РЧ импульса; напряжение, управляющее коэффициентом усиления МР сигнала и некоторые другие. Уровни и полярность этих сигналов устанавливаются с помощью ЦАП, управляемых цифровыми данными, поступающими из ОЗУ. Данные в ОЗУ засылаются из ЭВМ по мере выполнения программы.

Программатор импульсов отвечает за выполнение команд ЭВМ, передаваемых через контроллер крейта. Как правило, после загрузки команд и данных работа этого блока протекает автономно. Для этого он снабжен собственным генератором тактовых импульсов. В блоке имеются ОЗУ длительностей и счетчик интервалов, ОЗУ команд, счетчик циклов последовательностей, устройство изменения масштаба времени интервалов (мс/мкс), делители частоты.

При разработке этих блоков обычно используют известные решения и стандартные, хорошо зарекомендовавшие себя, микросхемы. Однако на их слишком глубокое внедрение рассчитывать не приходится, так как МР томографы - очень «аналоговые» системы, и кроме того, они не настолько унифицированы, как УЗ сканеры.

Энергетическая установка и система охлаждения играют важную роль в работе МР томографа с резистивным магнитом. В особенно сложных условиях работает источник питания основного магнита. Он должен вырабатывать ток в сотни ампер при очень высокой стабильности (10^-6) и малых пульсациях. Поэтому здесь применяется двухконтурное регулирование - в цепи постоянного и переменного тока. Первичным источником, разумеется, является трехфазная сеть. Структурная схема источника питания главного магнита (одна фаза) показана на рис. 4.13.

В качестве датчика тока служит шунтовое сопротивление R_ш, включенное в цепь тока главного магнита. Падение напряжения на нем является сигналом обратной связи. Это напряжение поступает на электронный регулятор и на усилитель, где сравнивается с напряжениями эталонных источников. При отклонении тока от заданной величины электронный стабилизатор стремится восстановить его прежнее значение. Кроме того, на выходе усилителя появляется сигнал рассогласования, который воздействует на дроссель насыщения и изменяет его сопротивление переменному току, что тоже способствует стабилизации тока магнита. Подобный способ регулирования нам уже знаком по рентгеновским аппаратам.

Рисунок 4.13 - Источник питания главного магнита.

Точность стабилизации во многом зависит от шунта. Для исключения влияния помех падение напряжения на нем должно быть достаточно большим - около вольта. Но это означает, что при токе магнита 200 А на шунте будет выделяться мощность около 200 Вт. Сопротивление шунта при этом должно равняться примерно 0,005 Ом. Понятно, что такая большая мощность приведет к выделению значительного тепла, которое нужно отводить. Универсальным средством для охлаждения силовых узлов в МР томографе с резистивным магнитом является вода. Она охлаждает не только обмотку магнита, но попутно и радиаторы силовых полупроводниковых приборов электронного стабилизатора и выпрямителя, а также шунт. Для этого шунт делают в виде коробки, через которую протекает проточная вода. Благодаря интенсивному охлаждению удается поддерживать постоянство сопротивления шунта.

5. Реконструирование изображений в МРТ

Если бы каждая из трех спиновых областей испытывала разное магнитное поле, можно было бы отобразить их положения. Градиент магнитного поля позволяет сделать это (рис. 5.1). Градиентом магнитного поля является изменение магнитного поля в зависимости от положения. Одномерный градиент магнитного поля - это изменение относительно одного направления, тогда как двумерный градиент - изменение относительно двух. Наиболее используемым видом градиентом в магнитно-резонансной томографии является одномерный линейный градиент магнитного поля. Одномерный градиент магнитного поля вдоль оси x магнитного поля B₀ означает, что магнитное поле увеличивается по направлению x. Длина вектора показывает величину магнитного поля. [11]

Рисунок 5.1 - Градиент магнитного поля.

Точка в центре магнита, где (x,y,z) =0,0,0 называется изоцентром магнита. В изоцентре магнитное поле имеет напряженность B₀ и резонансная частота равна ₀.

Если линейный градиент магнитного поля применить к гипотетической голове с тремя спин содержащими областями, эти области будут испытывать разные магнитные поля (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 - Области с разными магнитными полями.

Следствием этого будет являться ЯМР-спектр с более чем одним сигналом. Амплитуда сигнала пропорциональна числу спинов в плоскости, перпендикулярной градиенту. Этот процесс называется частотным кодированием и делает резонансную частоту пропорциональной положению спина.

Этот принцип является основой всей магнитно-резонансной томографии. Для того чтобы понять как из ЯМР-спектра создается изображение, рассмотрим метод обратного проецирования.

С нескольких углов применяется одномерный градиент поля и для каждого градиента регистрируется ЯМР-спектр. К примеру, допустим, что нам необходимо изображение плоскости YZ объекта. Градиент магнитного поля по направлению +Y применяется к объекту и регистрируется ЯМР-спектр.

Второй ЯМР-спектр регистрируется с градиентом углом  в один градус к оси +Y. Процесс повторяется 360 раз между 0^o и 359^o.

После того, как получены все данные, они могут быть восстановлены по проекциям пространства в компьютерной памяти (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 - Восстановление данных.

Изображение можно увидеть после нивелирования (определения разности точек) фоновой интенсивности.

Схема обратного отображения называется обратным преобразованием Радона.

Заключение

Метод МРТ вышел за рамки лабораторных исследований совсем недавно - в начале 80-х годов и к настоящему времени развитие компьютерной и измерительной техники и появление новейших технологий создания однородных магнитных полей поставили его в один ряд с методами КТ, а в некоторых случаях и вывели на первое место.

МРТ строится по переизлучению радиоволн ядрами водорода (протонами), содержащимися в тканях тела, сразу же после получения ими энергии от радиоволнового сигнала, которым облучают пациента. Таким образом, контрастность тканей отражает особенности «внутренних», ядерных структур вещества, и она зависит от ряда таких факторов, как строение вещества, взаимодействие между молекулами, молекулярное движение (диффузия, кровоток), что позволяет не только дифференцировать на изображении патологические и здоровые ткани, но и дает возможность наблюдать отражение функциональной деятельности отдельных структур. Выбирая форму облучающего радиоволнового сигнала или импульсной последовательности, можно выделить влияние на тканевую контрастность одного какого-нибудь параметра, и одна и та же ткань на одной МРТ может получиться светлой, а на другой - темной.

Методы ЯМР находят все более широкое применение для изучения технологических процессов в заводских лабораториях, а также для контроля и регулирования хода этих процессов в различных технологических коммуникациях непосредственно на производстве. Исследования последних пятидесяти лет показали, что магнитно-резонансные методы позволяют обнаруживать нарушения протекания биологических процессов на самой ранней стадии. Разработаны и выпускаются установки для исследования всего тела человека методами магнитного резонанса (методами ЯМР-томографии).

Что касается стран СНГ, и прежде всего России, то методы магнитного резонанса (особенно ЯМР) к настоящему времени заняли прочное место в научно-исследовательских лабораториях этих государств. В различных городах (Москве, Новосибирске, Казани, Таллине, Санкт-Петербурге, Иркутске, Ростове-на-Дону и др.) возникли научные школы по использованию указанных методов со своими оригинальными задачами и подходами к их решению.

Так как большинство МР томографов закрытого типа, то это доставляет небольшой дискомфорт пациенту. Такие томографы небезопасны для людей с клаустрофобией. Так же для достаточно качественного МР-снимка необходимо, чтобы человек находился в обездвиженном состоянии.