Диагностика с помощью ядерного магнитного резонанса

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Работа посвящена методам интроскопии непрозрачных для видимого света объектов при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Чтобы наблюдать это явление , объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности , окружающей исследуемый объект , возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС) , амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер , а также о других параметрах , специфических только для ядерного магнитного резонанса . После обработки на ЭВМ эта информация переходит в ЯМР-изображение , которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер , времена релаксации ядерного магнитного резонанса , распределение скоростей потока жидкости , диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Контраст ЯМР-изображений можно увеличить , вводя в организм различные парамагнитные вещества . Методы ЯМР-интроскопии позволяют следить за процессами поступления в организм и удаления из него атомных ядер , например фтора-19 , которые в нормальных условиях либо отсутствуют в организме , либо содержатся в ничтожных концентрациях . Благодаря указанным свойствам ЯМР-интроскопия стала самым мощным и многогранным методом диагностики в медицине , вытеснив на второй план реконструктивную рентгеновскую томографию , а также акустоскопию .

ЯМР-интроскопия развивается стремительными темпами . Этому , в частности , способствует то , что данный метод диагностики безвреден для здоровья человека . В отличие от рентгеновских методов диагностики ЯМР-интроскопия дает возможность получать как отдельные ЯМР-изображения, так и кинокадры , содержащие большое число ЯМР-изображений. Было зафиксировано несколько случаев , когда злокачественная опухоль в мозгу человека своевременно обнаруживалась при помощи ЯМР-интроскопии , в то время как рентгеновские методы диагностики выявляли эту болезнь на более поздней стадии , и лечение становилось невозможным . Есть все основания предполагать , что методом ЯМР-интроскопии будет решена проблема ранней диагностики рака , а также многих других болезней человека .

РАДИОЧАСТОТНЫЕ КАТУШКИ

Радиочастотные (РЧ) катушки ЯМР-спектрометров и ЯМР-интроскопов предназначены для подвода РЧ-поля к образцу и для съема РЧ- отклика системы спинов. Эти функции разделены в скрещенных РЧ- катушках , которые перпендикулярны друг к другу. Обе указанные функции может выполнять одна РЧ- катушка , если в передающей приемной системе имеется дуплексер или эквивалентная развязывающая цепь. В ЯМР- интроскопах используют как соленоидальные , так и седловидные РЧ- катушки. Амплитуда РЧ- поля в однородном соленоиде

В1=300(W· Q· n _с · Vc) [ГАсГ1] ^1/2 ,

где В1 выражено в мк Тл , РЧ - мощность W в Вт , объём РЧ - катушки V c в см³ . Постоянная времени нарастания напряжения в таком соленоиде

t _H =2Q / p n _o ,

2

где Q - добротность РЧ - катушки. Одиночная РЧ - катушка создает самую большую амплитуду В1 РЧ - поля в образце заданного объема V c .

Отношение сигнала к шуму S/N в цепи настроенной РЧ - катушки изменяется как корень квадратный из Q , и поэтому целесообразно иметь более высокое Q. Однако время , затрачиваемое на разделение двух соседних циклов облучения , пропорционально добротности. Поэтому в ЯМР- интроскопах , в которых используют импульсные методы формирования ЯМР - изображений , добротность ограничена.

Чтобы получить однородное РЧ - поле по объему образца , были построены седловидные РЧ- катушки взамен однородных соленоидальных. Вариации амплитуды магнитного поля по объему образца минимальны , если h/D=1.6554 , c=120.76°, (рис 1) , и магнитное поле перпендикулярно оси цилиндра. В оптимальной конфигурации седловидной РЧ- катушки производные от центрального поля второго порядка по координате обращаются в нуль для любого направления. Заметим , что седловидную геометрию с противоположными направлениями электрических токов используют также в градиентных катушках магнитного поля.

Однако оптимальные значения h/D и µ будут другими. Оптимизацию геометрии в этом случае определяет некоторая комбинация производных от центрального магнитного поля по координате третьего порядка.

Для расширения области однородного РЧ- поля в соленоидальной катушке вводят переменный шаг между витками. Анализ показал, что радиальная неоднородность сравнима с аксиальной неоднородностью или меньше ее, и обе указанные неоднородности улучшаются, если оптимально уменьшать шаг намотки к краям соленоида. Геометрия такого соленоида фиксируется при помощи четырех гребенок, изготовленных из нитрида бора. Таким образом, было получено двукратное увеличение однородности РЧ- поля на частоте v o = 270 MГц.

Сравнительный анализ соленоидальной и седловидной РЧ- катушек для ЯМР- интроско