Контрольная работа: Магнитные системы магнитно-резонансных томографов

Большинство исследователей-практиков диагностические возможности МРТ с резистивным магнитом устроили бы вполне, если бы не его колоссальное энергопотребление и расход воды для охлаждения. Поэтому применяют постоянные магниты, имеющие сравнительно небольшую индукцию (0,1 – 0,15 Тл), но зато не потребляющих никакого тока (не считая ГКМ и РЧ катушек).

Такие магниты обычно собирают из отдельных магнитных «кирпичиков» или стержней. Они могут состоять из нескольких кольцевых магнитов (рис.4,а). Выбор и сканирование слоя в МРТ с такими магнитами организуется точно так же, как в МРТ с катушечными магнитами. Используют также постоянные электромагниты с вертикальным полем и стальным сердечником (рис.4,б) с индукцией от 0,1 до 0,6 Тл. При одинаковой индукции ток подмагничивания и расходуемая мощность у электромагнита намного меньше, чем у резистивного магнита.

Последовательность градиентных импульсов для магнитов с вертикальным полем иная, чем для магнитов с горизонтальным полем. Так, для выбора сагиттального или аксиального (поперечного) слоя вначале нужно подать градиентный импульс Gxили Gy.

Рисунок 4. Постоянные магниты МРТ.

«Платой» за энергетическую экономичность постоянных магнитов является их большой вес. Так, у постоянных магнитов с индукцией 0,1 Тл он достигает 10 т.

Особенно массивны электромагниты с индукцией 0,3 – 0,6 Тл. Это объясняется тем, что полюса вертикального электромагнита плоско-параллельны или имеют небольшую кривизну, поэтому для получения высокой однородности поля их площадь должна быть большой. Например, вес электромагнита томографа QUAD12000 фирмы Fonarcиндукцией 0,6 Тл равен 45 тоннам!

Такой вес впечатляет и заставляет задуматься при выборе места установки магнита. Сборка и юстировка постоянных магнитов (получение необходимой степени однородности поля) представляют собой кропотливую работу.

Токи градиентных и корректирующих катушек намного меньше, чем ток основного магнита. Оценим их величину, исходя из смещения частот по координатам х и у на ± 15 кГц. Учитывая, что , и принимая x= 0,5 м, найдем

0,35×10^-3 Тл.

Сравнивая эту величину с индукцией основного магнита 0,1 Тл из ранее приведенного примера, получим ориентировочную величину тока в градиентной катушке около 2 А.

В действительности, так как число витков градиентных катушек невелико, их максимальный ток больше этой величины и достигает 10 А. Но градиентные импульсы весьма короткие и имеют большую скважность, поэтому тепловые потери в градиентных катушках невелики и они не требуют охлаждения.

Конструкции градиентных катушек приведены на рис.5. Градиент G_z формируется двумя катушками, расположенными по краям магнита. Протекающие в них токи имеют разные направления. В некоторой точке на оси z поля этих катушек взаимно компенсируются. Катушки, создающие градиенты G_x и G_y , имеют седлообразную форму и состоят из двух секций. Каждая секция в свою очередь состоит из двух половин, токи в которых направлены одинаково.

Кроме составляющих РЧ, направленных вдоль оси z ,их поля имеют и поперечные составляющие, однако их вклад в изменение основного поля ничтожно мал. Например, при В₀ = 0,2 Тл и G= 5 мТл/м, используя формулы Пифагора и приближенных вычислений, найдем вклад поперечных составляющих на длине в 1 м: DB₀ = B² _{x , y} /2B₀ = 6×10^-5 Тл, что на два порядка меньше вклада z-градиента.

Рисунок 5. Градиентные катушки.

Линейно поляризованном поле пары РЧ катушек можно представить суммой двух противоположно вращающихся магнитных полей. Из них только одно будет эффективным. На практике такое эффективное вращающееся поле создают с помощью двух пар ортогонально расположенных РЧ катушек, токи которых сдвинуты по фазе на 90^о . Они имеют также седлообразную форму и взаимно перекрываются (рис.6).

??????? 6. ?? ???????.

РЧ антенна состоит из двух пар катушек 1 и 2. Их токи равны и. Результирующее поле Н _р будет иметь вид Н _р = . Таким образом, результирующее поле вращается с угловой скоростью w и имеет амплитуду Н₁ . Отсюда следует, что для создания одинаковой эффективной напряженности в системе с вращающимся полем требуется в 2 раза меньший ток катушек, чем в системе с линейной поляризацией. Это означает, что РЧ система с круговой поляризацией, требует для возбуждения в 2 раза меньшей мощности (учитывая, что Р ~I² ).

Ввиду того, что размеры РЧ катушек достаточно велики, а частоты питающих токов – высокие (5 МГц и более), их выполняют с небольшим числом витков и даже одновитковыми. Это дает уменьшение паразитных межвитковых емкостей. Одновитковую катушку выполняют из толстого провода, а на очень высоких частотах (более 20 МГц), где сказывается поверхностный эффект, из полого посеребренного проводника.

Следует иметь в виду, что при частотах, на которых работает большинство МР томографов, РЧ катушки практически не излучают электромагнитные колебания в пространство, так как их размеры намного больше длины волны. Действительно, при индукции В₀ = 0,15 Тл и частоте 6,3 МГц длина волны будет равна примерно 50 м. Даже при большой индукции в 1,5 Тл длина волны равна 5 м, что намного больше размеров РЧ катушек. И только при очень большой индукции до 4 Тл, которая используется в исследовательских целях, может проявляться эффект излучения электромагнитной энергии. Поэтому можно считать, что поле РЧ катушек имеет только магнитную составляющую.

Для оценки напряжения на катушке нужно знать ее реактивное сопротивление X_L = wL. Индуктивность кругового витка можно определить по формуле

,

где D– диаметр витка, d– диаметр провода. Приd= 1 см получим L= 1,6 мкГн. На частоте 5 МГц реактивное сопротивление витка будет равно 50 Ом. Так как катушки одной пары включаются последовательно, то их общее сопротивление будет равно 100 Ом. Напряжение, подводимое к катушкам, составит Х_L I= 140 В, а для возбуждения двух пар катушек потребуется мощность 2×0,5UI= 200 Вт. Таким образом, генератор РЧ импульсов должен обладать достаточно большой мощностью. В МРТ с сильными полями эти проблемы обостряются. Так, при индукции основного поля 1 Тл частота МР будет равна 42,6 МГц. Сопротивление тех же катушек на этой частоте будет уже в 8 раз больше, а напряжение на них при том же токе превысит 1000 В. Для возбуждения РЧИ потребуется мощность уже в несколько кВт. Очевидно, что здесь нужен другой подход к конструкции катушек.

Магнитно-резонансные томографы выпускают практически все развитые страны. Признанными лидерами в этой области считаются фирмы «Сименс», «Брукер», «Филипс», «Хитачи». Достаточно надежные и относительно недорогие МРТ производит Россия. По ходу рассмотрения устройства и принципа действия магнитных систем МРТ приводились их отдельные параметры. Эти и некоторые дополнительные параметры, характеризующие уровень МРТ, даны в табл.1. Таблица охватывает весь спектр МРТ. Все они выпускаются и эксплуатируются и, как видно из сказанного ранее, имеют свои достоинства и недостатки. Выпускаются и совершенствуются даже энергоемкие МРТ с резистивным магнитом. Они показали себя надежными, относительно простыми в обслуживании и в настройке.

Из табл.1 видна тенденция к уменьшению времени реконструкции одного слоя с увеличением индукции главного магнита. Это объясняется возможностью применения при большой индукции «быстрых» последовательностей, например, последовательности «градиентное эхо» и малоугловых. Следует добавить, что при индукции свыше 1,5 Тл появляется возможность кроме ядер водорода (протонов) «вовлечь» в сбор данных об организме тяжелые ядра натрия и фосфора, которые несут очень важную информацию о метаболизме. При более низкой индукции магнитный резонанс ядер этих атомов невозможен.

Таблица 1. Сравнительные характеристики томографов

Тип томографа

Фирма, страна

« 1 2 3 4 » К-во Просмотров: 170 Бесплатно скачать Контрольная работа: Магнитные системы магнитно-резонансных томографов >>> Скачать <<< Меню Поиск