CC BY
1Физика Водных Растворов
Постерный доклад
ДАТЧИК ЯМР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Тарасова А.А.1, Анисимов Н.В. 2
Физический факультет, МГУ имени М.В. Ломоносова, Факультет фундаментальной медицины, МГУ имени М.В. Ломоносова, 119991, Российская Федерация, Москва, Ленинские горы, д. 1 е-mail: [email protected]
Вода обладает уникальными физико-химическими характеристиками, к которым относятся большая диэлектрическая постоянная s=80 и низкая электропроводность. Сочетание этих свойств позволяет создать предельно компактный датчик сигнала ЯМР для исследования подводных объектов. Мы реализовали резонансный LC контур датчика на базе соленоида с индуктивностью L без подключения к нему внешней емкости. Резонансная частота f такого контура определяется формулой 2nf=(LC)-1/2, где C - собственная (межвитковая) емкость катушки. В обычных условиях эта емкость мала - единицы пикофарад и менее, и сопоставима с паразитными емкостями окружения. Но при погружении соленоида в воду данная емкость возрастает на величину диэлектрической постоянной воды, т.е. в 80 раз. Если частота контура близка к ларморовой, то внутри катушки возможно усиление сигнала ядерной индукции от прецессирующих спинов. При этом данный контур должен быть индуктивно связан обычной, подключаемой к приемнику с помощью кабеля, катушкой, имеющейся в комплекте магнитно-резонансного томографа (МРТ) или спектрометра ЯМР.
В ЯМР и МРТ практикуется использование индуктивно связанных катушек - обычной, подключенной к приемнику с помощью кабеля, и изолированного резонансного контура, расположенного предельно близко к зоне интереса, включая вариант имплантного исполнения. Для такого контура применяется термин «wireless coil» - беспроводная катушка. Выигрыш в чувствительности при детектировании сигнала от зоны интереса при использовании беспроводной катушки достигает KQ, где K - коэффициент взаимной индукции проводной и беспроводной катушек, а Q - добротность последней [1]. Но обычно беспроводную катушку реализуют из двух сосредоточенных элементов - индуктивности и емкости.
Беспроводной контур, содержащий лишь сосредоточенную индуктивность, даёт те же полезные функции, что и контур с сосредоточенной емкостью. Причем, для управления частотой контура можно изолировать часть витков соленоида от воды. Зато упрощается ее конструкция и манипуляции с ней при исследовании подводных объектов. Особенно это касается исследований растений - меньше вероятность того, что их части попадут внутрь контура, образованного проводами, соединяющими емкость с концами соленоида.
Мы проводили эксперименты на 0.5 Тл клиническом МРТ Bruker Tomikon S50. Беспроводная катушка была реализована на базе 10 виткового соленоида с внутренним диаметром 2 см, намотанного медным проводом диаметром 2 мм. Его индуктивность L=1.2 мкГн, а резонансная частота в воде составила 21.08 МГц, что соответствует ларморовой частоте протонов в поле 0.5 Тл. При тестовых измерениях мы фиксировали повышение сигнала ЯМР внутри соленоида примерно в 4-4.5 раз по сравнению с сигналом вне его [2].
Внутри данного соленоида мы размещали некоторых обитателей аквариума - растения, моллюски, рыбы и проводили их МР-сканирование. В результате получали изображения, на которых сигнал от этих объектов был в 2.5 и более раз сильнее, чем при использовании обычной фирменной катушки без соленоида.
При исследовании живых объектов надо обращать внимание на возможность повышения электропроводности воды из-за биологической активности. Чтобы нивелировать эти процессы можно использовать дистиллированную проточную воду.
Литература:
[1] R. R. Harrison Designing Efficient Inductive Power Links for Implantable Devices. 2007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). DOI: 10.1109/ISCAS.2007.378508.(2007).
[2] Н.В. Анисимов, Ю.А. Пирогов. Резонансные свойства погруженного в воду соленоида. Электромагнитные волны и электронные системы, 29 (2), 44-54 (2024).
