Контрольная работа: Магнитные системы магнитно-резонансных томографов

Магнитные системы МРТ в основном отличаются типами главных магнитов. В выпускаемых МРТ используются три типа магнитов: резистивные, сверхпроводящие (криогенные) и постоянные.

Резистивные магниты представляют собой систему катушек с конечным сопротивлением, по которым протекает постоянный ток. Они могут создать поле с относительно небольшой индукцией В₀ = 0,12 – 0,3 Тл и используются в МРТ, дающих изображения только «протонного» типа. Однако для создания даже такой сравнительно небольшой индукции требуются большие ток и мощность. Причем вся подводимая мощность превращается в тепло, которое необходимо отводить.

Оценим ориентировочные значения тока и мощности, необходимые для создания поля с индукцией 0,1 Тл. Для простоты будем считать, что магнит выполнен в виде соленоида диаметром 1 м и длиной 1,5 м. Напряженность поля внутри соленоида рассчитаем, пользуясь зависимостью между напряженностью и погонной плотностью тока j(число ампер-витков на 1 м длины) для бесконечно длинного соленоида

H₀ = j.

Найдем напряженность поля

80000 A/м.

Примем сечение провода равным100 мм² (10´10 мм), а допустимую плотность тока в сечении d = 2 A/мм² . Тогда ток магнита будет равен I= 100×2 =200 А, а число витков на 1 м

w₁ = 80000/200 = 400.

Общее число витков соленоида

w= L×w₁ = 1,5×400 = 600.

Сопротивление провода

,

для меди r = 0,056 Ом×м/мм² , длина провода l_пр = pDw= 1800 м и R= 1 Ом.

Напряжение на обмотке магнита будет равно U= IR= 200 В, а потребляемая мощность P= UI= 40кВт.

Рассчитанные величины несмотря на большие приближения соответствуют реальным напряжению и мощности магнита МРТ «Образ-1». Для отвода такой большой мощности нужна соответствующая система охлаждения.

Конструкция магнитной системы МРТ с резистивным магнитом показана на рис.1. Основной магнит состоит из четырех катушек двух диаметров, которые вписываются между ними в сферу или эллипсоид вращения (катушки Гельмгольца).

Их размеры и расстояния выбираются так, чтобы обеспечить максимально возможную однородность магнитного моля. Катушки включаются последовательно. Внутри магнита

Рисунок 1. Магнитная система МРТ с резистивным магнитом

находится градиентно-корректирующий модуль (ГКМ). В нем размещены градиентные катушки, а также корректирующие катушки для улучшения однородности основного поля.

Они создают дополнительно слабые поля (совпадающие с основным полем), которые являются нелинейными функциями координат (пропорциональны их произведению, квадрату и т.п.). Ток в этих катушках может регулироваться и быть пропорциональным току основного магнита. Для этого корректирующие катушки запитывают от шунтовых сопротивлений, включенных в цепь основного магнита. Все катушки ГКМ для обеспечения жесткости конструкции размешаются в цилиндрической бочке из стеклопластика

Радиочастотные катушки монтируются в виде съемного модуля, который надевается на ГКМ. Они имеют относительно простую конструкцию, к которой не предъявляется повышенных требований. Эти катушки имеют большие размеры и служат для облучения и приема МР сигнала от всего тела. Поэтому они называются тельными. Для приема (только для приема) МР сигнала от локальных частей (головы, спины) применяют малогабаритные переносные катушки – головную, спинальную и др.

Катушки основного магнита размещают в экранах из немагнитного материала (рис.2). Каждая катушка в свою очередь состоит из нескольких секций, выполненных из полых проводников квадратного сечения. Секции в катушке также соединены последовательно. В нижней части экрана встроены штуцеры, через которые по шлангам подается вода. Она протекает по полым проводникам и отводит тепло. Секции подключаются параллельно к трубопроводу системы охлаждения. Эта система обычно незамкнутая, т.е. отработанная вода сбрасывается в канализацию. Расход воды достигает 3000 л/час, и за это приходится платить. Таким образом, эксплуатация МРТ с резистивным магнитом связана с довольно большой платой за электроэнергию и воду.

Рисунок 2. Конструкция катушки основного магнита

Кроме того, несмотря на фильтрацию водопроводной воды в узких каналах проводников происходит отложение солей и мелких взвесей. Поэтому их периодически (раз в полгода) приходится чистить.

При индукции основного поля свыше 0,5 Тл применение резистивного магнита технически и экономически становится невозможным. Здесь им на смену приходят сверхпроводящие (криогенные) магниты. Катушки такого магнита помещают в кожух, заполненный жидким гелием, имеющим температуру –269^о С (рис.3).

Рисунок 3. Конструкция криогенного магнита

Кожух с жидким гелием охвачен кожухом, заполняемым жидким азотом с температурой –196^о С. Проводники катушек из ниобия-титана, находящиеся в жидком гелии, становятся сверхпроводниками, т.е. их сопротивление становится равным нулю.

Поэтому для запуска магнита достаточно подать в его обмотку импульс тока и затем замкнуть накоротко внешнюю цепь. После этого ток в катушках магнита может циркулировать годами. Однако при эксплуатации криогенного магнита возникают другие проблемы. С течением времени количество жидкого гелия и азота уменьшается и их приходится дозаправлять. Например, в криогенном магните МРТ Мagnetom63 фирмы «Сименс» объем жидкого гелия составляет 865 л, а жидкого азота – 500 л. В процессе работы допускается уменьшение объема гелия до 30%, а азота – до 20 % от начального.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--