CC BY
23
СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ГРАДИЕНТОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Ю.И. Неронов, Нассар Муханнад
Режим получения магнитно-резонансных томограмм с избирательным частотным подавлением сигнала от тканей жира имеет важное диагностическое значение и используется в клинической практике по ряду причин. Этот режим применяют, например, для обнаружения признаков метастатического поражения тел позвонков. На МР-томограммах позвоночника некоторых пациентов в телах позвонков наблюдаются белые пятна. Причиной их происхождения может быть как достаточно безобидная возрастная жировая деструкция тел позвонков, так и воспалительные явления с повышенным содержанием воды из-за метастатического поражения как следствие наличия в организме злокачественной опухоли. В этих случаях накапливают дополнительные томограммы с использованием режима подавления жира, при котором пятна от жировой деструкции должны исчезать.
Исследование возможностей МР-томографов показывает, что для успешного использования такого режима требуется высокая пространственная однородность магнитного поля томографа. Это связано с необходимостью поддержания высоких метрологических характеристик аппарата. Этот режим сопровождается такими особенностями проявления, которые могут восприниматься как неизвестные артефакты.
Для контрольных исследований мы использовали томограф Magnetom Impact, который имеет сверхпроводящий магнит с полем 1 Тл. В этом поле резонансная частота липидных протонов примерно на 140 Гц ниже резонансной частоты основного для живого организма сигнала - сигнала от протонов воды.
Томограммы с подавлением жира получают с помощью импульсной последовательности, в которой перед подачей на исследуемый образец основного возбуждающего широкополосного 90-градусного импульса (с диапазоном воздействия порядка 1 КГц) подают импульс избирательного частотного подавления сигнала от протонов СН2-групп липидных соединений (с диапазоном воздействия порядка 30 Гц).
Анализ режима подавления мы проводили с помощью поверочного устройства, который авторами был собран из 32 ампул (диаметр ампул 30 мм), поставленных вплотную друг с другом. Устройство содержало четыре ряда по пять ампул, заполненных водой, разделенных тремя рядами по четыре ампулы, заполненных растительным маслом, см. [2].
Данное устройство использовано для получения изображений как с подавлением сигнала от СН2-групп (рис. 1, а), так и с переносом частоты подавления на центр сигнала воды (рис. 1, б).
Как видим (рис. 1), подавление проявляется на томограммах наличием темных областей в виде полос. Центры темных полос показывают расположение эквипотенциалей - множества точек, для которых выполняются резонансные условия узкополосного подавления сигналов.
Оказалось, что ЯМР-сигналы не подавлены равномерно по всему сечению ампул, как можно было ожидать. Тень от подавления внутри ампул имеет сложный контур. Для многих ампул, расположенных в окружении других ампул, хорошо виден контур восьмиконечной звезды.
Заметны эффекты как взаимного влияния ампул, так и проявления стационарных неоднородностей поля магнита томографа. В первом случае удобно рассматривать изображение внутренних ампул поверочного устройства, во втором - ампул, расположенных по краям поверочного устройства.
Сопоставление с изображением, в котором одна из центральных ампул была вынута, показало, что именно само высокооднородное магнитное поле испытывает
искажение: если ампула вынимается, то исчезают и темные кольцевые полуокружности на изображениях соседних ампул.
Искажение поля распространяется в ампуле на глубину до 10 мм с изменением интенсивности ЯМР-сигналов. Здесь мы имеем редкий случай наглядной визуализации распределения статических градиентов магнитного поля.
Величина регистрируемых изменений поля имеет величину единиц миллионных долей АВ/В=10-6. Ее можно оценить при изменении расстояния между ампулами по динамике темных полуокружностей внутри ампул.
Рис. 1. а) Томографическое изображение сечения 32 ампул, полученное при накопления ЯМР-сигналов с применением импульса частотного подавления сигналов от протонов жира. б) Аналогичная томограмма, полученная при переносе частоты подавления с протонов жира на протоны
воды
Если ампулы поверочного устройства разместить в общем сосуде и залить сосуд водой, то сложные тени внутри ампул исчезают. Это имеет следующее объяснение.
Объемный диамагнетизм обусловлен прежде всего средней плотностью валентных электронов, движение которых частично меняется внешним магнитным полем. Материал стекла, растительное масло и вода обладают близкими диамагнитными свойствами, но на границе с воздухом имеет место резкое изменение диамагнитных свойств.
Звездообразные тени возникают из-за сложной формы воздушных промежутков между ампулами для центральных ампул поверочного устройства. Соответственно возникают краевые эффекты - локальные искажения однородности магнитного поля. Совершенно очевидно, что подобные краевые эффекты должны иметь место и на томограммах с анатомическими структурами. Так, при изображениях головы также имеются внутренние полости (например, лобные пазухи). На границах таких полостей тоже имеется резкое краевое изменение объемной магнитной восприимчивости. Проявление соответствующих теней усложняет медицинскую диагностику, поскольку такие тени не отражают какие-то реальные анатомические структуры. Кроме этого, в этой связи теперь становится понятна причина трудностей, которые, как правило, возникают при попытках получения ЯМР-спектров высокого разрешения in vivo для тканей мозга вблизи лобных пазух.
При рассмотрении интенсивности сигналов от протонов крайних ампул можно обнаружить ряд особенностей. Наибольшее подавление с максимальным потемнением наблюдается для верхнего ряда у ампул с левой стороны, а для нижнего ряда у ампул, наоборот, с правой стороны (рис. 1, а). Для томограммы с подавлением сигнала воды (рис. 1, б), наоборот, максимальное потемнение наблюдается для правых ампул верхнего ряда и левых ампул нижнего ряда.
Из этого следует, что магнитное поле данного томографа в плоскости ХЕ можно в первом приближении описать поверхностью, известной из геометрии как гиперболический параболоид: Р(х,г) (рис. 2).
Рис. 2. Поверхность гиперболического параболоида
Если исключить краевые эффекты из-за диамагнетизма, то томограммы (рис. 1) указывают на то, что распределение магнитного поля на плоскости, проходящей через центр исследуемого томографа, можно в первом приближении представить выражением
Б(х,г) = В0 +[(d2B/¡Xdz) Х7]/2.
Для оценки производной c¡1B/dxdz мы использовали поверочное устройство со сплошным заполнением центра исследуемого пространства томографа образцом. Для этого удобным является большой шар, наполненный водой. Шаровая форма не искажает магнитное поле, и тени, связанные с граничным скачком диамагнетизма, должны отсутствовать. Использованный нами шар имел диаметр 238 мм. Шар был наполнен водой с добавлением парамагнитной соли медного купороса СиБ04 - 0,5 г/литр.
у
Рис. 3. Томограммы трех разных сечений шара. Изображения были накоплены с использовании избирательного частотного подавления: тени как следы подавления проявляются в виде гипербол - сечений гиперболического
параболоида
Если частота резонансного подавления подобрана оператором так, что в центре шара располагается область подавления, то темные полосы от центральной области будут пересекать шар по двум линиям. Эти линии соответствуют направлениям X и Z на рис. 2.
При увеличении частоты подавления на +30 Гц темные полосы на томограмме шара образуют две гиперболы, а при уменьшении частоты на -30 Гц полосы также образуют две гиперболы, которые являются сопряженными. Другими словами, при переходе от частоты подавления (vo + 30) Гц к частоте (vo - 30) Гц ось гиперболы изменяется на 90°. При этом наблюдается сдвиг зоны подавления от центра на AL = 66 мм. Следовательно, можно определить величину градиента:
[d2B/dxdz]/2 = Av/(y AL AL) =
= (30 Гц)/[(42,57 МГц/Тл)(0,066 м)(0,066 м)] = 0,164 мТл/м2, где у - гиромагнитное отношение протона.
Таким образом, магнитное поле исследованного томографа MAGNETOM Impact в плоскости XZ будет в первом приближении описываться следующим выражением:
B(x,z) = Bo +[0,164 мТл/м2] XZ.
Кроме этого, рассмотрение томограмм показывает наличие неоднородности поля в виде поверхностей эллиптического параболоида, однако эта неоднородность присутствует с меньшим весом, чем рассмотренная выше.
Очевидно, что для надежного клинического применения режима получения томограмм с подавлением сигналов жира требуется выполнение коррекции однородности магнитного поля. Устранить неоднородность поля можно с помощью установки в полости сверхпроводящего магнита небольших ферромагнитных пластин-вкладышей.
Обсуждаемый метод визуализации неоднородностей магнита может являться основой для автоматизированной процедуры корректировки поля. При наличии набора токовых компенсаторов, корректирующих разные квадратичные неоднородности, достаточно процедуры шагового поиска оптимальных токов компенсации при достижении одинаковой интенсивности сигналов от центральной области шара (на томограммах типа рис. 3) с максимальным расширением этой области до границ шара.
Авторы выражают благодарность профессору В.А. Иванову за интерес к настоящей работе и подробное обсуждение ее результатов.
