Sistem magnetic pentru tomografe rezonanță magnetică

Sistemul IRM magnetic este caracterizat în principal de principalele tipuri de magneți. Cele produse magneți RMN sunt de trei tipuri: rezistiv, supraconductoare (criogenice) și constante.

magneți rezistive sunt bobine de un sistem cu o impedanță finită, care curge de curent constant. Ele pot crea un câmp cu B0 de inducție relativ mic = 0.12-.3 Tesla RMN si sunt folosite, oferind imaginea numai de tip „proton“. Cu toate acestea, pentru a crea chiar o inducție relativ mică necesită o mare putere de curent și. Și toată puterea de intrare este transformată în căldură, care trebuie să fie eliminate.

Estimăm valorile aproximative ale curentului și puterii necesare pentru a crea câmpuri cu inducție de 0,1 tesla. Pentru simplificare, presupunem că magnetul este proiectat ca un solenoid de 1 m în diametru și 1,5 m lungime. Intensitatea câmpului în interiorul calcula solenoid, folosind relația dintre intensitatea pe unitatea de lungime și j densitatea curentului (numărul de amperi-rotații per 1 m lungime) pentru solenoid infinit lung

Am găsit puterea câmpului

Să presupunem secțiune de sârmă ravnym100 mm 2 (10'10 mm), iar densitatea de curent admisibil în secțiunea d = 2 A / mm 2. Apoi curentul de magnet va fi I = 100 x 2 = 200 A, iar numărul de rotații per 1 m

w1 = 80000/200 = 400.

Numărul total de rotații ale solenoidului

w = L x w1 = 1,5 x 400 = 600.

,

r cupru = 0056 ohm × m / mm 2. Lungimea firului llim = PDW = 1800m și R = 1 ohm.

Tensiunea la bornele bobinei magnetului este egală cu U = IR = 200 V, iar consumul de putere P = UI = 40kW.

Valorile calculate în ciuda magnetului mare corespunde aproximativ cu tensiune și putere RMN-ul real „Imagine 1“. Pentru îndepărtarea unui astfel de mare capacitate necesită sistemul de răcire corespunzător.

Proiectarea sistemului magnetic cu un magnet RMN-ul rezistiv este prezentat în Fig.1. Magnetul principal este format din patru bobine de două diametre, care se potrivesc între sfera sau elipsoid de rotație (bobine Helmholtz).

Dimensiunile și distanțele lor sunt alese, astfel încât cea mai mare uniformitate posibilă a Ml magnetice. Serpentinele sunt conectate în serie. în interiorul magnetului

Figura 1. Sistem magnetic RMN cu un magnet rezistiv

Este un modul gradient de corecție (HCM). Are bobine de gradient și bobine de corecție pentru a îmbunătăți omogenitatea câmpului principal.

Acestea creează câmpuri suplimentare slabe (care coincide cu domeniul principal), care sunt funcții neliniare ale coordonatelor (proporțional cu produsul lor, pătrat, etc.). Curentul din aceste bobine pot fi controlate și să fie proporțională cu curentul magnetului principal. Pentru această corecție bobine este alimentat de la rezistențele de șunt incluse în circuitul magnetului principal. Toate bobine de GCF pentru a asigura o rigiditate structurală sunt plasate la țeava cilindrică din fibra de sticla

bobine RF sunt montate într-un modul detașabil care se potrivește în GCF. Ei au o structură relativ simplă, la care nu există cerințe ridicate. Aceste bobine au dimensiuni mari și sunt folosite pentru iradiere și recepționarea semnalelor MR din organism. Prin urmare, acestea sunt numite-inflamatorii. Mijloace pentru recepționarea (primirea numai) semnal MR din părțile locale (cap, spate) folosit bobina portabile de mici dimensiuni - dureri de cap, spinal și colab.

Bobinele magnetului principal aranjate într-un ecran nemagnetice (Figura 2). Fiecare bobină la rândul său, este format din mai multe secțiuni realizate din conductoare tubulare de secțiune pătrată. Secțiunea a bobinei este, de asemenea, conectat în serie. În partea de jos a ecranului sunt accesorii integrate, prin care apa este pompată prin furtunuri. Acesta curge prin conductorii goale la interior și îndepărtează căldura. Secțiunea sunt conectate în paralel cu sistemul de răcire țevii. Acest sistem nu este, în general închisă, adică, Apa uzată este deversată în canalizare. Consumul de apa ajunge la 3000 l / h, și există un preț. Astfel, funcționarea RMN-ul cu un magnet rezistiv este asociat cu un preț destul de mare pentru a plăti pentru energie electrică și apă.

Figura 2. Structura bobinei principale magnet

Mai mult, deși filtrarea apei de la robinet în canalele înguste ale conductoarelor sunt depozitate săruri și suspensii fine. Prin urmare, ele sunt periodic (la fiecare șase luni), trebuie să fie curățate.

Când inducția principal câmp care depășește 0,5 tesla aplicație magnet rezistiv este punct de vedere tehnic și economic imposibilă. Aici vin să înlocuiască magnet supraconductor (criogenice). Mosoare un astfel de magnet este plasat într-o carcasă de umplut cu heliu lichid având o temperatură de aproximativ -269 C (Figura 3).

Figura 3. Un design magnet criogenice

Carcasa este acoperită cu carcasa heliu lichid pentru a fi umplut cu azot lichid la o temperatură de -196 C. Conductorii bobinelor de niobiu-titan, care sunt în heliu lichid devin supraconductoare, adică impedanța lor devine zero.

Prin urmare, pentru a porni magnetul trebuie să-și prezinte pulsul actual de lichidare și apoi scurt-circuitat la un circuit extern. După aceea, curentul din bobinele magnet poate fi circulat de-a lungul anilor. Cu toate acestea, funcționarea magnetului criogenie există alte probleme. De-a lungul timpului, cantitatea de heliu lichid și azot este redus și trebuie să realimentare. De exemplu, într-un MRI magnet criogenic „Siemens“ Magnetom63 volum heliu lichid este de 865 l și azot lichid - 500 litri. În timpul funcționării, heliul poate fi redusă la 30% de volum, și azot - până la 20% din inițial.

La viteza heliu „se fierbe-off“ și azot de 0,4 și 1,0 l / h, acestea trebuie realimentare, respectiv după 52 și 16 zile. Acest lucru necesită costuri suplimentare (și semnificative), ceea ce explică de mare taxa pentru screening-ul pentru cryomagnet tomografie. Intervalele de actualizare heliu lichid și azot extinde, adică reduce consumul lor, aplicarea cooler suplimentar apa din exterior cu un ciclu închis. Cu toate acestea, acest sistem este complicat, iar consumul de energie suplimentară are loc.

Cei mai mulți cercetători și practicieni capacitățile de diagnostic MRI cu un magnet rezistiv aranjat pentru a finaliza, în cazul în care nu, pentru consumul de energie și apă extraordinară pentru răcire. Prin urmare, magneți permanenți sunt folosiți având o inducție relativ mică (0.1-0.15 T), dar nu consumă energie (nu de numărare HCM și RF bobinele).

Acești magneți sunt de obicei recoltate din „cărămizi“ magnetice individuale sau tijele. Acestea pot consta din mai mulți magneți inel (Figura 4a). Selectarea și scanarea IRM strat în astfel de magneți dispuși în același mod ca și cu bobina în magneți IRM. De asemenea, sunt utilizate magneți permanenți și un miez de fier câmp vertical (figura 4, b) inducerea de 0,1 până la 0.6 la Tesla. La prejudecată inducând egal curent și puterea consumată în electromagnetul este mult mai mică decât cea a magnetului rezistive.

Secvența de impulsuri de gradient la magnetul câmp vertical este diferit de cel pentru un câmp magnet orizontal. Astfel, pentru a selecta un strat (transversal) sagital sau axială trebuie să se aplice mai întâi Gxili puls gradient de Gy.

Figura 4. magneți IRM regulate.

„Plata“ pentru eficiența energetică a magneților permanenți este mare greutatea lor. Astfel, magneții permanenți cu inducție de 0,1 T el ajunge la 10 m.

Această greutate este impresionantă și te face să te întrebi unde unitatea de magnet. Asamblarea și alinierea a magneților permanenți (obținerea gradului necesar de uniformitate câmpului) sunt laborioasă muncă.

Curenții și corectarea bobinele de gradient mult mai mici decât curentul de magnetul principal. Estimăm valoarea lor în funcție de frecvența de offset la coordonatele x și y la ± 15 kHz. Având în vedere că

, și luând x = 0,5 m, obținem

0,35 × 10 -3 Tesla.

Comparând această valoare cu magnetul miez de inducție de 0,1 T din exemplul anterior, obținem cantitatea aproximativă de curent în bobina cu gradient de aproximativ 2 A.

De fapt, din moment ce numărul de rotații ale bobinelor de gradient este mic, curentul lor maximă este mai mare decât această valoare și până la 10 A. Cu toate acestea, impulsurile de gradient sunt foarte scurte și au un ciclu de mare, astfel încât pierderile de căldură în bobinele de gradient sunt mici și nu necesită refrigerare.

bobinele de gradient de proiectare sunt prezentate în Figura 5. gradient de Gz este format din două bobine amplasate la marginile magnetului. curenți care curg în ele au direcții diferite. La un anumit punct de pe axa z ale bobinelor de câmp se compensează reciproc. Coil, crearea gradienți Gx și Gy. Ei au o formă de șa și constau din două secțiuni. Fiecare secțiune la rândul său, este format din două jumătăți, care curenții în aceeași direcție.

De asemenea, componentele RF dirijat de-a lungul axei z, iar marjele lor sunt componentele transversale, dar contribuția lor la schimbarea câmpului la sol este neglijabilă. De exemplu, când B0 = 0,2 T și G = 5 mT / m, folosind formula lui Pitagora si calcul aproximativ, descoperim contribuția componentelor transversale la o lungime de 1 m: DB0 = B 2 x, y / 2B0 = 6 × 10 -5 T că două ordine de mărime mai mică decât contribuția gradient z.

Figura 5. Bobinele de gradient.

Câmp polarizat liniar, o pereche de bobine RF pot fi reprezentate ca suma a două câmpuri magnetice contra-rotative. Dintre acestea, doar unul este eficient. În practică, astfel de câmp rotativ efectiv este generat de două perechi de curenți de bobine RF dispuși ortogonal care sunt decalate în fază cu 90 °. Ei au, de asemenea, o formă de șa și se suprapun (Figura 6).

Figura 6. bobina RF.

antena RF este format din două perechi de bobine 1 și 2. Acești curenți sunt egali

Câmpul rezultat va arata ca HP =

. Astfel, câmpul rezultant este rotit cu o viteză unghiulară w și are H1 amplitudine. Rezultă că, pentru a crea tensiuni egale într-un sistem eficient, cu un câmp rotativ necesare bobine de 2 ori mai puțin curent decât în ​​sistemul cu polarizare liniară. Acest lucru înseamnă că sistemul RF este polarizat circular, de excitație necesită o capacitate de 2 ori mai mică (presupunând că P

Deoarece dimensiunile bobina RF sunt suficient de mari și frecvența curentului de alimentare - mare (5 MHz și mai mult), acestea operează cu un număr mic de spire, chiar și cu o singură spiră. Aceasta oferă o reducere a interturn capacitatii parazite. singură bobină rândul său, este realizată dintr-un fir gros, și la frecvențe foarte mari (peste 20 MHz), care afectează efectul de suprafață, cav conductor argintată.

Trebuie avut în vedere faptul că la frecvențe în cazul în care cele mai multe scanere de lucrări MR, bobine RF aproape nu radiaza unde electromagnetice în spațiu, deoarece dimensiunile lor sunt mult mai mari decât lungimea de undă. Într-adevăr, la o inducție B0 = 0,15 T și o frecvență de 6,3 MHz, lungimea de undă va fi egală cu aproximativ 50 m. Chiar și la inducerea mare de 1,5 T. Lungimea de undă este de 5 m, care este mult mai mare decât bobinele RF. Numai la inducție foarte mare la 4 T, care este utilizat în scopuri de cercetare, se poate manifesta efectul radiațiilor electromagnetice. Astfel, putem presupune că domeniul bobina RF are doar o componentă magnetică.

Pentru evaluarea stresului pe bobina trebuie sa stie sa reactanță XL = wL. Inductanța bobinei circulare poate fi determinată din formula

,

unde diametrul bobinei D, diametrul d- al firului. Prid = 1 cm se obține L = 1,6 mH. La o frecvență de 5 MHz rezistență bobina reactanța este de 50 ohmi. Deoarece o pereche de bobine sunt conectate în serie, rezistența lor totală este egală cu 100 ohmi. Tensiunea aplicată la bobinele fac XL I = 140 V, iar pentru acționarea celor două perechi de bobine necesare putere 2 x 0,5UI = 200 wați. Astfel, generatorul de impulsuri de RF trebuie să aibă o capacitate suficient de mare. RMN-ul cu câmpuri puternice, aceste probleme sunt exacerbate. Astfel, după inducția câmpului sol 1 Tesla frecvența MR va fi de 42,6 MHz. Rezistența aceeași bobină la această frecvență va avea de 8 ori, iar tensiunea pe ele în același curent depășește 1000 V. Pentru puterea necesară de conducere RFID are mai multe kW. Este evident că avem nevoie de o abordare diferită la proiectarea bobinelor.

termoviziune de rezonanță magnetică produc țările dezvoltate practic toate. Liderii Recunoscute considerat "Siemens" în acest domeniu, "Brooker", "Philips", "Hitachi". Suficient de fiabile și relativ ieftine IRM produce România. În cursul examinării principiului aparatelor RMN și a sistemului de antrenare magnetică acționează parametrii individuali. Acestea și unii parametri suplimentari care caracterizează nivelul IRM, sunt prezentate în tabelul 1. Tabelul acoperă întregul spectru RMN. Toate acestea sunt produse și exploatate și, așa cum este evident din ceea ce a fost spus mai devreme, au avantajele și dezavantajele lor. Produs și perfecționat chiar și energie-RMN cu un magnet rezistiv. Ei au arătat ei înșiși să fie fiabile, relativ ușor de întreținut și de configurare.

Din Tabelul 1 observăm o tendință de a reduce timpul de reconstrucție un strat cu inducție crescută a magnetului principal. Acest lucru se datorează posibilității de utilizare într-o inducție mare de secvențe „rapide“, de exemplu, secvențe „echo de gradient“ și unghi redus. Trebuie adăugat că inducția depășește 1,5 T este posibilă excepție de nuclee de hidrogen (protoni) „se angajeze“ în grele sodiu corp de colectare a datelor și nucleul de fosfor, care transporta informații importante privind metabolismul. La o inducție mai mică de rezonanță magnetică de nuclee de atomi imposibile.

Tabelul 1. tomografe Caracteristici comparative