Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1 ОБЩИЕ

Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
МС МРТ
ТЕРМИН ЯМР
Термин ЯМР охватывает резонансные и
релаксационные явления, которые
наблюдаются в образце, помещенном в
магнитное и радиочастотное поле или в
магнитное поле, ориентация которого
скачкообразно меняется. Явление ЯМР
обусловлено магнитными моментами ядер.
Оно наблюдается у ядер со спином, отличным
от нуля.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ПРЕЦЕССИЯ
Основной процесс, характерный для ЯМР,
это прецессия магнитных моментов ядер,
помещенных в магнитное поле.
Вращение происходит с угловой
скоростью, соответствующей частоте
Лармора, пропорциональной гиромагнитной
постоянной и индукции поляризующего поля
 0  B0
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ПРЕЦЕССИЯ
Для возмущения магнитных моментов,
вращающихся с угловой скоростью  0 ,
необходимо приложить магнитное поле B
1
той же частоты, перпендикулярное B0 . Угол
отклонения вектора магнитных моментов
  B1
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
РЕЛАКСАЦИЯ
После возбуждения наблюдаются два
процесса релаксации (успокоения) с
постоянными времени T1 и T2. Т1
характеризует время возвращения магнитных
моментов к направлению B0 .Т2
характеризует время расфазировки
магнитных моментов.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
РЕЛАКСАЦИЯ
Т1 зависит от типа ядра, резонансной частоты
(индукции поляризующего поля), температуры,
подвижности спинов (микровязкости), наличия
больших молекул, наличия парамагнитных молекул.
Т2 зависит от резонансной частоты (менее
критично, чем Т1), температуры, подвижности
спинов, наличия больших молекул, наличия
парамагнитных молекул.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ВОЗБУЖДЕНИЕ ОБРАЗЦА
Возбуждение осуществляется импульсом
 / 2 радиочастотного поля B1, поворачивающим вектор магнитных моментов на 90
градусов. Этот вектор продолжает вращаться
с ларморовой частотой. При этом в приемной
катушке наводится Э.Д.С. индукции.
Постепенно, с постоянными времени Т1 и Т2,
сигнал спадает. Этот процесс называется
спадом свободной индукции (ССИ).
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Сигнал ССИ интенсивно спадает с
постоянной времени Т2 из-за расфазировки
ансамбля магнитных моментов. Если через
некоторое время t включить импульс РЧ-поля
, поворачивающий вектор магнитных
моментов на 180 градусов, то через время 2t
ансамбль магнитных моментов сфокусируется. При этом в приемной катушке наводится
Э.Д.С., называемая спиновым эхо.

Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Спиновое эхо несет информацию о
концентрации атомов водорода в
исследуемом образце, но не несет
информации о об их расположении. Для
построения изображения необходима
эта информация.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Принцип формирования изображений
заключается в кодировании частоты и фазы
ЯМР-сигнала. Для этого на однородное
поляризующее поле накладываются
градиентные магнитные поля, линейно
меняющиеся по координатам X, Y, Z.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ЧАСТОТНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Пусть на B0 наложено градиентное поле,
линейно меняющееся вдоль оси X. Тогда
составляющая индукции поля вдоль оси Z
равна
G X
где
BZ  B0 
X,
X
BZ
GX 
.
X
Тогда  ( X )   ( B0  GX X ) и координата X может
быть расшифрована по принятой частоте.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ФАЗОВОЕ КОДИРОВАНИЕ
При частотном кодировании объект
возбуждается в отсутствии градиента, затем
сигнал регистрируется в присутствии
градиента. Фазовое кодирование
осуществляется до того, как сигнал
регистрируется. Сразу после возбуждения
спины – когерентны. Но если включить
градиент, то  изменится.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Вектор M займет другое положение,
зависящее от знака, амплитуды и
длительности градиента. Спины начнут
разбегаться по фазе, т. к. частота будет от их
пространственного расположения в
градиентном поле. Таким образом, фаза
сигнала оказывается с координатой.
Информация о координате может быть
восстановлена с помощью преобразования
Фурье.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ВЫРЕЗАНИЕ СЛОЯ ОБЪЕКТА
Для перехода к двумерным изображениям
необходимо возбуждать отдельные плоскости
объекта. Если возбуждать ЯМР в объекте,
расположенном в градиентном поле
неселективным импульсом  / 2 с широким
спектром, то различные плоскости объекта
будут помечены разными частотами.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
ИДЕЯ СЕЛЕКЦИИ
Если возбуждать систему ядер частотой
 0 , соответствующей индукции B0 , и
одновременно прикладывать градиент,
например вдоль оси Z
BZ  B0  GZ ( z  z0 ),
то будут возбуждаться только ядра в плоскости
z  z0 .
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Если изменить частоту возбуждения, то
возбудится срез, соответствующий этой
частоте.
На практике возбуждение:
1) происходит в импульсном режиме;
2) надо возбудить срез достаточно
«толстый», чтобы получить хороший сигнал и
достаточно «тонкий», чтобы была
избирательность по слоям.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Для этого используется селективный
импульс  / 2 , например с огибающей sin X X .
При этом, толщина среза
4 Ln 2
Z 
.
GZ
Изменяя величину градиента G Z или
длительность импульса  можно изменять  Z .
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
СОСТАВ МР АППАРАТУРЫ
- МР-измерительный преобразователь
(МРИП), содержащий систему
поляризующего магнитного поля,
корректирующую и градиентные системы,
раадиочастотную систему;
- блок питания системы поляризующего
магнитного поля;
- блок управления корректирующей и
градиентными системами;
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
- передатчик;
- приемник;
- блок электроники;
- управляюще-вычислительный комплекс.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
СВЯЗЬ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МРИП С
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЕГО ОТДЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ
В магниторезонансной томографии
основным показателем является качество
получаемого изображения, зависящее от
разрешающей способности и контрастности
получаемого изображения.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
Разрешающая способность определяется
наименьшим расстоянием между точками
(дискрета разрешения), которые необходимо
различить.
Дискрета разрешения, например, вдоль
оси X
B0
X 
B0 ,
GX
где B0 - относительная неоднородность
поляризующего магнитного поля.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Отсюда следует, что разрешение тем
лучше, чем меньше дискрета разрешения, т.
е. больше градиент и меньше относитель-
ная неоднородность поляризующего
магнитного поля.
Относительная неоднородность
градиентного поля
2 X
G X 
.
x
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
На основании приведенных выражений
можно показать, что для получения
необходимой разрешающей способности
нелинейность градиента должна быть менее
1%, а неоднородность поляризующего поля
менее 10 4.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
КОНТРАСТНОСТЬ
Различить две области можно только если
S2
сигналы
, S1 , которые
они генерируют,
различны по интенсивности. Фактически
необходимо, чтобы модуль разности этих
сигналов был больше среднеквадратической
амплитуды шума
S1  S2  n.
Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
Это ограничение является препятствием для
получения очень тонких срезов. Фактически
сигнал исходит только от наблюдаемого
среза (уменьшается с уменьшением толщины
среза), тогда как шум исходит от всего
образца.
Хоулт показал, что отношение сигнал-шум
приемной катушки
B1V Q B03 2
S n
,

Расчет и проектирование магнитных систем. Лекция 2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МС
МРТ
где B1 -чувствительность приемной катушки
(индукция поля, генерируемого приемной
катушкой при единичном токе в последней);
Q -добротность катушки;
 -полоса принимаемых частот.
Из формулы можно сделать необходимые
выводы