CC BY
74
МИНИ-ЯМР-ТОМОГРАФ КАФЕДРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
В.К. Иванов, Ю.И. Неронов, В.А. Иванов
Изготовлен мини-ЯМР-томограф, который позволяет в реальном времени: 1) контролировать процедуру накопления ЯМР-сигналов, 2) контролировать качество изображения, 3) выполнять суммирование томографических изображений.
Использование явления ядерного магнитного резонанса как средства для магнитного внутривиденья было предложено в 1960 г. [1] в заявке на изобретение с авторским приоритетом В.А. Иванова. В настоящее время на этом принципе эксплуатируются ЯМР-томографы медицинского назначения, которые изготавливаются рядом зарубежных фирм. Из-за высокой стоимости этих приборов их число в России значительно уступает требованиям современного здравоохранения. Наряду с широким применением в области медицины и биологии, ЯМР-томографы могут успешно использоваться и для технических измерений.
ЯМР-томограммы медицинского назначения могут содержать некоторые артефакты, которые не имеют анатомического объяснения и связаны с физическими особенностями данного метода. Для правильного объяснения артефактов требуется хорошо знать как само явление ядерного магнитного резонанса, так и особенности использования этого явления для получения томографических изображений.
Для эффективного преподавания предметов, связанных с ЯМР-томографией, необходимо иметь действующую модель томографа, которая могла бы демонстрировать основные возможности магнитного внутривидения. Она должна позволять изучать явление ядерного магнитного резонанса, устройство ЯМР-аппаратуры, взаимодействие блоков томографа между собой и принципы накопления томографического изображения. Для достижения этой цели в СПб ГИТМО (ТУ) был разработан и изготовлен специализированный мини-ЯМР-томограф, который с 2000 г. активно используется при обучении студентов по специальности "Компьютерная томография".
Одно из основных требований здесь - разработка мини-ЯМР-томографа с минимальным энергопотреблением и высокой эксплуатационной надежностью в условиях учебного процесса.
Программное обеспечение данного томографа и набор фантомных устройств позволяют преподавателю достаточно быстро и оперативно в пределах стандартного курса обучать студентов. Томограф позволяет демонстрировать как само явление ядерного магнитного резонанса, так и принципы получения томограмм. Был подобран ряд фантомных устройств для демонстрации процедуры накопления томографического изображения.
На данный момент нам неизвестно о специально разработанном для учебных целей ЯМР-томографе. Фирмы, выпускающие дорогостоящие ЯМР томографы по заказам крупных медицинских центров, не заинтересованы в разработке таких компактных мини-приборов из-за требования их низкой стоимости при обеспечении высокой надежности.
В состав ЯМР томографа входят следующие элементы.
1. Постоянный магнит с полем В0 = 0.1278 Тл. Центр магнита имеет однородность
поля (ёВМЬ = 10 5) в шаровом объеме с диаметром 20 мм. В этом поле резонансная частота ядер атомов водорода равна /0 = 42.576 МГц/Тл • 0.1278Тл = 5.44 МГц.
2. Система создания градиентных магнитных полей Ох, Оу, Gz, осуществляющих пространственное кодирование образца. Градиентная система состоит из трех планарных градиентных катушек и усилителя мощности, способного подавать в
каждую из катушек импульсы тока порядка 1А с линейностью не хуже 0.5%. Усилитель питается от двуполярного источника питания напряжением ±12 В. Выходной ток подается на катушки через частотные фильтры, входной сигнал и напряжение питания также фильтруются. Сигнал на вход усилителя поступает с ЦАП(а) платы управления. Система кодирующих градиентов создает в центре магнита градиенты поля dB/dx, dB/dy, dB/dz величиной до 9 мТл/м и линейностью не хуже 1 % в шаровой области с диаметром 20 мм.
Рис. 1. Блок-схема ЯМР-томографа: УМ1, УМ2 - усилители мощности радиочастотного импульса, СУ - согласующее устройство, У1, У2 - усилители
ЯМР-сигнала, ФД - фазовые детекторы
3. Радиочастотная система:
передатчик, формирующий возбуждающие радиочастотные импульсы для поворота вектора намагниченности протонов образца на 90° и 180°; датчик, в которым обеспечивается возбуждение спиновой системы и регистрация ЯМР- сигналов;
приемник, усиливающий ЯМР-сигналы и преобразующий их в область низких частот.
4. Система цифровой регистрации. Регистрация принятого сигнала осуществляется платой оцифровки. В качестве платы оцифровки в мини-ЯМР-томографе использована стандартная звуковая карта персонального компьютера.
5. Система управления. Чтобы программное обеспечение мини ЯМР-томографа могло подавать управляющее воздействие на блоки томографа, была разработана и изготовлена плата управления. Плата имеет интерфейс с ЭВМ через шину ISA. На плате расположены два параллельных программируемых интерфейсов ЦВВ, шесть ЦАП(ов) и операционные усилители. ЦВВ используются для подачи управляющих дискретных сигналов на ЦАП(ы), с выхода которых управляющие аналоговые потенциалы подаются на операционные усилители для согласования с нагрузкой.
6. Устройства обработки информации. Для управления процессом получения томографического изображения, для обработки полученных данных, для отображения результатов обработки и для осуществления интерфейса с оператором в мини-ЯМР-томографе применен компьютер IBM PC AT 486DX4/100 и
разработано соответствующее програмное обеспечение.
После запуска программы и успешной инициализации оборудования на экране отображается информация о процессе работы. Вид экрана приведен далее.
В левой части экрана отображаются действительная и мнимая части оцифрованного сигнала. Синими линиями помечены интервалы включения градиентов, а красными - интервал дальнейшего использования вектора оцифровки эхосигнала. Так как ЯМР-эксперимент постоянно повторяется, то эта картинка постоянно перерисовывается - контроль за процессом накопления ЯМР-сигналов осуществляется в реальном времени. Предусмотрена возможность изменять масштаб отображения ЯМР-сигналов по обеим осям.
В правой части экрана снизу отображается спектр мощности эхо-сигнала (рис. 2). В правой верхней части экрана отображается полученная томограмма. В нижней строке экрана отображаются параметры ЯМР-эксперимента: длительность 90 и 180 градусных импульсов, TE, TR и т.д. Под спектром мощности на дисплее, кроме этого, отображаются цифры, указывающие режимы работы томографа и текущие значения ряда параметров.
• + + + ♦ ФФФ МР-ТОМОГРАММА 64X64
Re - сигнал
L t
У V**
1
V
а и . J
Im- сигнал
/Л Л тя А IW
Г Л 1 гг4 о.оё
V 1 ч
СПЕКТР МОЩНОСТИ
Рис. 2. Визуализация режимов работы томографа (вариант представления
регистрируемы сигналов и результатов их обработки): отображение действительных и мнимых частей комплексных чисел зарегистрированного ЯМР-сигнала, отображение спектра мощности, отображение томограммы с матрицей 64x64, накопленной от фантомного устройства, представляющего собой цилиндрическую деталь из текстолита с 20 отверстиями, заполненными
водой
На рис. 2 представлены контрольные сигналы и томограмма одного из фантомных устройств (цилиндрическая деталь из текстолита с 20 отверстиями, заполненными водой). На томограмме хорошо заметны как краевые искажения при передаче круглых отверстий из-за ограниченного размера матрицы, так и нарушение симметрии расположения отверстий относительно центра из-за статических квадратичных составляющих градиентов поля постоянного магнита.
Полученную томограмму можно увеличить на весь экран. При этом повторение ЯМР-экспериментов приостанавливается. В этом режиме в левой верхней части экрана отображается томограмма, справа от нее отображается график распределения интенсивности эхо-сигнала в слое вдоль вертикальной прямой, а под томограммой -вдоль горизонтальной. Текущее положение сечений относительно томограммы
показано на ней желтыми точками. В этом режиме можно изменить яркость и контрастность отображения томограммы. Томограмму можно сохранить в рабочем файле для дальнейшей обработки. В начале файла помещается информация о параметрах, при которых была получена томограмма.
Качество томографического изображения определяется такими параметрами, как разрешающая способность и контрастность. В практической работе эти параметры приходится ограничивать из-за необходимости минимизировать время проведения экспериментального исследования [2]. Программное обеспечение позволяет суммировать томограммы и контролировать качество изображения из-за улучшения отношения сигнал/шум.
В настоящее время томограф активно используется в учебном процессе при изучении дисциплин, связанных с ЯМР-томографией. Усилиями преподавателей и аспирантов проводится его модернизация с целью повышения качества получаемых томограмм и введения дополнительных режимов работы с привлечением студентов для выполнения курсовых и дипломных работ.
Литература
1. В. А. Иванов. Способ определения внутреннего строения материальных объектов. Авт. св. № 1112266, приоритет от 1960 г. // Биллютень изобретений, 1984, № 33.
2. В.А. Иванов, Ю.И. Неронов, К. Вольняк. К оценке рациональных параметров и времени накопления в ЯМР-томографии // Приборостроение. 1990. Т. 33. № 3. С. 66-70.
