Импульсный Магниторезонансный Томограф

Инновационный Проект – 2009.
«Импульсный Магниторезонансный Томограф».
АННОТАЦИЯ.
В
настоящем
Проекте
предлагается
разработка и
изготовление
опытного
образца
Импульсного магниторезонансного Томографа (ИМРТ). Этот принцип работы
томографа базируется на идеях защищённых патентом
RU 2047871. Использование
импульсной
магнитной
системы
в
этом
устройстве
позволяет
получать
томограммы высокого качества относительно простыми
средствами, а применение сверхпроводящих сигнальных
катушек позволяет в несколько раз улучшать качество
изображения. Сочетание импульсной магнитной системы и
сверхпроводящих магнитных катушек в одном устройстве
приближает качество получаемого изображения к стандартным
высокополевым МРТ изготовленных в “GE”, “Siemens”,
“HITACHI” и др.
Все
вышеперечисленные
факторы
делают
такой
Импульсный магниторезонансный
Томограф
достаточно
дешёвым медицинским прибором ( ≈300÷400 KЄ) при
заявленных
достаточно
высоких
параметрах.
Такой
прибор,
при
отсутствии
необходимости
применения
принудительного охлаждения
и
низком
потреблении
электрической
мощности, может
оказаться
совершенно
незаменимым в отдалённых от крупных медицинских
центров
местах.
Авторы
Проекта
предполагают
использовать уже имеющиеся наработки и на первом этапе
планируют изготовить Прототип ИМРТ для предварительной
отработки методики получения однородного магнитного поля
импульсным методом.
Время реализации Проекта – 3 года, а общая стоимость
составляет 40,0 млн. руб.
Импульсный магниторезонансный томограф.
Предлагается разработать импульсный магниторезонансный томограф
(МРТ) для медицинской диагностики, отличающийся от известных систем тем,
что в данном устройстве совмещается применение однородного импульсного
магнитного поля и сверхпроводящих сигнальных катушек.
Использование импульсной магнитной системы МРТ позволяет получать в
протонном режиме томограммы высокого качества относительно простыми
методами. Качество изображения томограмм и скорость их получения в сильной
степени зависят от величины магнитного поля. Предлагается система с
резистивным импульсным магнитом, поле которого медленно нарастает и затем
спадает, причем формируется плато с индукцией до 0,5 Т. Источником питания
является батарея конденсаторов. Метод формирования импульсного магнитного
поля, стабилизированного во времени, является принципиально новым. Он
заключается в том, что колоколообразная форма импульсного магнитного поля,
возникающего при разряде батареи конденсаторов через магнитную систему,
компенсируется полем формирующей катушки с током, управляемым датчиком
магнитного поля. Проведённые авторами Проекта предварительные расчёты
показали принципиальную возможность получения необходимого по
однородности и апертуре импульсного магнитного поля.
Магнит томографа такого типа обладает очень высокой экономичностью
и не нуждается в охлаждении. Потребляемая мощность при поле 0,5 Т не
превышает 1 – 2 кВт, тогда как промышленные томографы, с магнитным полем
даже до 0,2 Т, потребляют 25 – 30 кВт мощности и имеют водяное охлаждение.
Имеются данные [1,2,3], что при использовании сигнальных катушек,
изготовленных из высокотемпературных сверхпроводников и охлаждаемых
жидким азотом, чувствительность значительно увеличивается, и томограф с
полем 0,5 Т имеет качество изображения такое же, как стандартный томограф с
полем 1,5 Т. В стандартном протонном МРТ поляризация ядер водорода в
молекулах осуществляется за счет наложенного сильного магнитного поля
(обычно больше 1,5 Т).
В рамках настоящего проекта предлагается разработать пилотный
вариант МРТ с апертурой 600-700 мм для полномасштабной диагностики.
Томограф рассчитан на получение ЯМР-томограмм на протонах быстрыми
методами, такими как FLASH или эхо-планарный метод за время около 1
секунды. В этом случае томограммы свободны от искажений, вызванных
движением органов. Томограф с импульсным магнитным полем пригоден для
применения не только в диагностических центрах, но и в небольших клиниках,
как в стационарных, так и в полевых условиях, в районах стихийных бедствий.
Разработка предлагаемого МРТ будет проводится в соответствии с ГОСТ
Р 50267.33-99 (МЭК 60601-2-33-95) “Изделия медицинские электрические”.
Краткое описание Импульсного Магниторезонансного Томографа.
Импульсный МРТ включает следующие основные узлы: импульсный
электромагнит с системой стабилизации магнитного поля, градиентные
катушки, радиочастотные катушки, приемо-передающие РЧ системы, система
визуализации и обработки изображений, электронное оборудование и
программное обеспечение системы управления сканированием, источники
питания. Требуемая однородностью магнитного поля не хуже 0.0003 в области
изображаемого органа. Такое же требование накладывается на стабильность
поля на плато во время набора сигнала. Рабочая частота в поле 0,5 Т для
протонов составляет 21,3 МГц.
В томографе необходимы градиентные обмотки, создающие линейный
градиент магнитного поля по трем взаимно-ортогональным направлениям.
Требуемая величина градиента по осям до 15 мТ/м.
На рис. 1 приведена принципиальная схема импульсного магниторезонансного томографа на протонах.
Работа МРТ на протонах осуществляется стандартным образом, так что
величина поляризации ядер водорода в молекулах воды
определяется
максимальным значением индукции магнитного поля. Поляризация протонов
при работе с импульсным магнитом за время достижения «плато» с индукцией
0.5 Т успевает достичь равновесного значения и в этом случае томограмма
изображаемого органа получается высокого качества
Заключение.
Таким образом, предлагаемый сровнительно простой по устройству
медицинский прибор позволяет получать стандартные протонные томограммы
высокого качества. С другой стороны именно простота устройства, отсутствие
необходимости применения охлаждающей воды (жидкого гелия) и низкое
потребление электрической мощности позволяет использовать такой МРТ в
достаточно автономных условиях эксплуатации. Важно также отметить, что
использование в ИМРТ сверхпроводящих сигнальных катушек приближает
качество получаемого изображения к стандартным высокополевым МРТ
изготовленных в “GE”, “Siemens”, “HITACHI” и др., но являющихся
значительно более дорогими и сложными устройствами. С другой стороны
сверхпроводящие сигнальные катушки могут охлаждаться стандартными
криокулерами и, таким образом, для использования ИМРТ необходимо только
подключение к электросети. Кроме этого, полученные посредством ИМРТ
снимки, в виде информационных файлов, могут при необходимости
передаваться в крупные диагностические центры России. В конечном итоге
именно сочетание импульсного магнитного поля и сверхпроводящих
сигнальных катушек делает ИМРТ качественным и простым (мобильным)
медицинским прибором.
Все вышеперечисленные факторы делают предлагаемый импульсный
томограф также и достаточно дешёвым медицинским прибором (300-400 KЄ)
при высоких заявленных параметрах. Таким образом этот прибор может
оказаться незаменимым в отдалённых от крупных медицинских центров местах.
Для реализации Проекта предполагается использовать сотрудников и уже
имеющиеся в ОИЯИ наработки в этой области, а также привлекать
необходимых специалистов со стороны.
Приложение 1. План – график разработки Импульсного МРТ;
№
этапа
Наименование этапов и
перечень входящих в
них работ
1
Разработка эскизного и
технического проектов
Прототипа ИМРТ.
Изготовление и
испытания прототипа
ИМРТ.
Проведение расчётов и
конструкторских работ
по созданию полномасштабного опытного
образца ИМРТ.
2
3
Сроки
выполнения работ
Стоимость
работ по
этапам
(млн.руб)
6 мес.
5,0
12 мес.
12.0
6 мес.
5,0
4
5
7
Изготовление и
технические испытания 8 мес.
полномасштабного
опытного образца
ИМРТ.
Медицинские испыта4 мес.
ния полномасштабного
образца ИМРТ.
Участие в медицинских Не
испытаниях в НИИ
устанавмедицинского профиля. ливается
10,0
8,0
По
дополнительному
соглашению
40,0
Приложение 2. Смета затрат на проект разработки Импульсного МРТ
(млн. руб.)
N
Наименование статей затрат
1
Стоимость работ в
экспериментальных
мастерских
Заработная плата
Оплата НИР, выполняемых
по договорам
Материалы и оборудование
Транспортные расходы
Непредвиденные расходы
Командировочные расходы
Итого
2
3
4
5
6
7
Полная
стоимость
1,5
1 год
2 год
3 год
0,5
0,5
0,5
28,0
3,5
8,0
1,5
11,0
1,5
9,0
0,5
2,0
0,6
2,4
2,0
40,0
0,5
0,2
1,5
1,0
13,2
1,0
0,2
0,5
0,5
15,2
0,5
0,2
0,4
0,5
11,6
Инициативная группа:
Н.А. Бажанов (ЛЯП, ОИЯИ), Ю.А. Усов (ЛЯП, ОИЯИ)
В.В. Фимушкин (ЛФВЭ, ОИЯИ), Н.Никулин.
Литература.
1.J.C. Ginefri et al. , Methods. V. 43(2007) 54-67.
“Technical aspects: development, manufacture and installation of a cryo-cooled HTS
coil system for high-resolution in-vivo imaging of the mouse at 1.5 T”.
2. K.H.Lee et al. , IEEE Trans. Biomed. Eng. V. 51 (2004) 2024-30.
“Performance of large-size superconducting coil in 0.2T MRI system”.
3. M.Poirier-Quinot et al. , Magn. Reson. Med. v. 60 (2008) 917-927.
“Performance of a miniature high-temperature superconducting (HTS) surface coil
in vivo microimaging of the mouse in a standard 1.5T clinical whole-body scanner.
Тел./Факс : 8-49621-65735;
yuusov@jinr.ru //snt.jinr.ru