Магнитные системы МР томографов
Магнитные системыМРТ в основном отличаются типами главных магнитов. В выпускаемых МРТ используютсятри типа магнитов: резистивные, сверхпроводящие (криогенные) и постоянные.
Резистивные магнитыпредставляют собой систему катушек с конечным сопротивлением, по которым протекаетпостоянный ток. Они могут создать поле с относительно небольшой индукцией В0= 0,12 – 0,3 Тл и используются в МРТ, дающих изображения только «протонного» типа.Однако для создания даже такой сравнительно небольшой индукции требуются большиеток и мощность. Причем вся подводимая мощность превращается в тепло, которое необходимоотводить.
Оценим ориентировочныезначения тока и мощности, необходимые для создания поля с индукцией 0,1 Тл. Дляпростоты будем считать, что магнит выполнен в виде соленоида диаметром 1 м и длиной1,5 м. Напряженность поля внутри соленоида рассчитаем, пользуясь зависимостью междунапряженностью и погонной плотностью тока j (число ампер-витков на 1 мдлины) для бесконечно длинного соленоида
H0 = j.
Найдем напряженностьполя
/>80000 A/м.
Примем сечениепровода равным100 мм2 (10´10 мм), а допустимую плотностьтока в сечении d = 2 A/мм2. Тогда ток магнита будет равен I = 100×2 =200 А, а число витков на1 м
w1 = 80000/200 = 400.
Общее число витковсоленоида
w = L×w1 = 1,5×400 = 600.
Сопротивлениепровода
/>,
для меди r = 0,056 Ом×м/мм2, длина провода lпр = pDw = 1800 м и R = 1 Ом.
Напряжение наобмотке магнита будет равно U = IR = 200 В, а потребляемая мощность P = UI = 40кВт.
Рассчитанные величины несмотряна большие приближения соответствуют реальным напряжению и мощности магнита МРТ«Образ-1». Для отвода такой большой мощности нужна соответствующая система охлаждения.
Конструкция магнитной системыМРТ с резистивным магнитом показана на рис.1. Основной магнит состоит из четырехкатушек двух диаметров, которые вписываются между ними в сферу или эллипсоид вращения(катушки Гельмгольца).
Их размеры и расстояния выбираютсятак, чтобы обеспечить максимально возможную однородность магнитного моля. Катушкивключаются последовательно. Внутри магнита
/>
Рисунок 1. Магнитная системаМРТ с резистивным магнитом
находится градиентно-корректирующиймодуль (ГКМ). В нем размещены градиентные катушки, а также корректирующие катушкидля улучшения однородности основного поля.
Они создают дополнительнослабые поля (совпадающие с основным полем), которые являются нелинейными функциямикоординат (пропорциональны их произведению, квадрату и т.п.). Ток в этих катушкахможет регулироваться и быть пропорциональным току основного магнита. Для этого корректирующиекатушки запитывают от шунтовых сопротивлений, включенных в цепь основного магнита.Все катушки ГКМ для обеспечения жесткости конструкции размешаются в цилиндрическойбочке из стеклопластика
Радиочастотныекатушки монтируются в виде съемного модуля, который надевается на ГКМ. Они имеютотносительно простую конструкцию, к которой не предъявляется повышенных требований.Эти катушки имеют большие размеры и служат для облучения и приема МР сигнала отвсего тела. Поэтому они называются тельными. Для приема (только для приема) МР сигналаот локальных частей (головы, спины) применяют малогабаритные переносные катушки– головную, спинальную и др.
Катушки основногомагнита размещают в экранах из немагнитного материала (рис.2). Каждая катушка всвою очередь состоит из нескольких секций, выполненных из полых проводников квадратногосечения. Секции в катушке также соединены последовательно. В нижней части экранавстроены штуцеры, через которые по шлангам подается вода. Она протекает по полымпроводникам и отводит тепло. Секции подключаются параллельно к трубопроводу системыохлаждения. Эта система обычно незамкнутая, т.е. отработанная вода сбрасываетсяв канализацию. Расход воды достигает 3000 л/час, и за это приходится платить. Такимобразом, эксплуатация МРТ с резистивным магнитом связана с довольно большой платойза электроэнергию и воду.
/>
Рисунок 2. Конструкциякатушки основного магнита
Кроме того, несмотряна фильтрацию водопроводной воды в узких каналах проводников происходит отложениесолей и мелких взвесей. Поэтому их периодически (раз в полгода) приходится чистить.
При индукции основногополя свыше 0,5 Тл применение резистивного магнита технически и экономически становитсяневозможным. Здесь им на смену приходят сверхпроводящие (криогенные) магниты. Катушкитакого магнита помещают в кожух, заполненный жидким гелием, имеющим температуру–269оС (рис.3).
/>
Рисунок 3. Конструкциякриогенного магнита
Кожух с жидкимгелием охвачен кожухом, заполняемым жидким азотом с температурой –196оС. Проводники катушек из ниобия-титана, находящиеся в жидком гелии, становятся сверхпроводниками,т.е. их сопротивление становится равным нулю.
Поэтому для запускамагнита достаточно подать в его обмотку импульс тока и затем замкнуть накоротковнешнюю цепь. После этого ток в катушках магнита может циркулировать годами. Однакопри эксплуатации криогенного магнита возникают другие проблемы. С течением времениколичество жидкого гелия и азота уменьшается и их приходится дозаправлять. Например,в криогенном магните МРТ Мagnetom 63 фирмы «Сименс» объем жидкого гелия составляет 865л, а жидкого азота – 500 л. В процессе работы допускается уменьшение объема гелиядо 30%, а азота – до 20 % от начального.
При скорости «выкипания»гелия и азота, равных 0,4 и 1,0 л/ч, их необходимо дозаправлять соответственно через52 и 16 дней. Это требует дополнительных (и значительных) затрат, чем и объясняетсявысокая плата за обследование на томографах с криомагнитами. Интервалы обновленияжидкого гелия и азота расширяют, т.е. уменьшают их расход, применяя дополнительноевнешнее водяное охлаждение с замкнутым циклом. Однако при этом система усложняется,и возникает дополнительный расход электроэнергии.
Большинство исследователей-практиковдиагностические возможности МРТ с резистивным магнитом устроили бы вполне, еслибы не его колоссальное энергопотребление и расход воды для охлаждения. Поэтому применяютпостоянные магниты, имеющие сравнительно небольшую индукцию (0,1 – 0,15 Тл), нозато не потребляющих никакого тока (не считая ГКМ и РЧ катушек).
Такие магнитыобычно собирают из отдельных магнитных «кирпичиков» или стержней. Они могут состоятьиз нескольких кольцевых магнитов (рис.4, а). Выбор и сканирование слоя в МРТ с такимимагнитами организуется точно так же, как в МРТ с катушечными магнитами. Используюттакже постоянные электромагниты с вертикальным полем и стальным сердечником (рис.4, б)с индукцией от 0,1 до 0,6 Тл. При одинаковой индукции ток подмагничивания и расходуемаямощность у электромагнита намного меньше, чем у резистивного магнита.
Последовательностьградиентных импульсов для магнитов с вертикальным полем иная, чем для магнитов сгоризонтальным полем. Так, для выбора сагиттального или аксиального (поперечного)слоя вначале нужно подать градиентный импульс Gx или Gy.
/>
Рисунок 4. Постоянныемагниты МРТ.
«Платой» за энергетическуюэкономичность постоянных магнитов является их большой вес. Так, у постоянных магнитовс индукцией 0,1 Тл он достигает 10 т.
Особенно массивныэлектромагниты с индукцией 0,3 – 0,6 Тл. Это объясняется тем, что полюса вертикальногоэлектромагнита плоско-параллельны или имеют небольшую кривизну, поэтому для получениявысокой однородности поля их площадь должна быть большой. Например, вес электромагнитатомографа QUAD 12000 фирмы Fonar c индукцией 0,6 Тл равен 45 тоннам!
Такой вес впечатляети заставляет задуматься при выборе места установки магнита. Сборка и юстировка постоянныхмагнитов (получение необходимой степени однородности поля) представляют собой кропотливуюработу.
Токи градиентныхи корректирующих катушек намного меньше, чем ток основного магнита. Оценим их величину,исходя из смещения частот по координатам х и у на ± 15 кГц. Учитывая, что />, и принимая x = 0,5 м, найдем
/>/>0,35×10-3 Тл.
Сравнивая эту величину с индукциейосновного магнита 0,1 Тл из ранее приведенного примера, получим ориентировочнуювеличину тока в градиентной катушке около 2 А.
В действительности, так какчисло витков градиентных катушек невелико, их максимальный ток больше этой величиныи достигает 10 А. Но градиентные импульсы весьма короткие и имеют большую скважность,поэтому тепловые потери в градиентных катушках невелики и они не требуют охлаждения.
Конструкции градиентных катушекприведены на рис.5. Градиент Gz формируется двумя катушками,расположенными по краям магнита. Протекающие в них токи имеют разные направления.В некоторой точке на оси z поля этих катушек взаимно компенсируются. Катушки,создающие градиенты Gx и Gy, имеют седлообразную форму и состоят из двух секций. Каждая секцияв свою очередь состоит из двух половин, токи в которых направлены одинаково.
Кроме составляющих РЧ, направленныхвдоль оси z, их поля имеют и поперечные составляющие, однако их вклад в изменениеосновного поля ничтожно мал. Например, при В0= 0,2 Тл и G = 5 мТл/м, используя формулыПифагора и приближенных вычислений, найдем вклад поперечных составляющих на длинев 1 м: DB0= B2x,y/2B0= 6×10-5 Тл, что на два порядка меньше вклада z-градиента.
/>
Рисунок 5. Градиентные катушки.
Линейно поляризованном полепары РЧ катушек можно представить суммой двух противоположно вращающихся магнитныхполей. Из них только одно будет эффективным. На практике такое эффективное вращающеесяполе создают с помощью двух пар ортогонально расположенных РЧ катушек, токи которыхсдвинуты по фазе на 90о. Они имеют также седлообразную форму и взаимноперекрываются (рис.6). /> />
Рисунок 6. РЧ катушки.
РЧ антенна состоит из двухпар катушек 1 и 2. Их токи равны /> и. /> Результирующее поле Нрбудет иметь вид Нр = />.Таким образом, результирующее поле вращается с угловой скоростью w и имеет амплитуду Н1.Отсюда следует, что для создания одинаковой эффективной напряженности в системес вращающимся полем требуется в 2 раза меньший ток катушек, чем в системе с линейнойполяризацией. Это означает, что РЧ система с круговой поляризацией, требует длявозбуждения в 2 раза меньшей мощности (учитывая, что Р ~ I2).
Ввиду того, что размеры РЧкатушек достаточно велики, а частоты питающих токов – высокие (5 МГц и более), ихвыполняют с небольшим числом витков и даже одновитковыми. Это дает уменьшение паразитныхмежвитковых емкостей. Одновитковую катушку выполняют из толстого провода, а на оченьвысоких частотах (более 20 МГц), где сказывается поверхностный эффект, из пологопосеребренного проводника.
Следует иметь в виду, чтопри частотах, на которых работает большинство МР томографов, РЧ катушки практическине излучают электромагнитные колебания в пространство, так как их размеры намногобольше длины волны. Действительно, при индукции В0= 0,15 Тл и частоте6,3 МГц длина волны будет равна примерно 50 м. Даже при большой индукции в 1,5 Тлдлина волны равна 5 м, что намного больше размеров РЧ катушек. И только при оченьбольшой индукции до 4 Тл, которая используется в исследовательских целях, можетпроявляться эффект излучения электромагнитной энергии. Поэтому можно считать, чтополе РЧ катушек имеет только магнитную составляющую.
Для оценки напряжения на катушкенужно знать ее реактивное сопротивление XL= wL.Индуктивность кругового витка можно определить по формуле
/>,
где D – диаметр витка, d – диаметр провода. При d = 1 см получим L = 1,6 мкГн. На частоте 5 МГцреактивное сопротивление витка будет равно 50 Ом. Так как катушки одной пары включаютсяпоследовательно, то их общее сопротивление будет равно 100 Ом. Напряжение, подводимоек катушкам, составит ХLI = 140 В, а для возбуждения двух пар катушек потребуетсямощность 2×0,5UI = 200 Вт. Таким образом, генератор РЧ импульсов должен обладатьдостаточно большой мощностью. В МРТ с сильными полями эти проблемы обостряются.Так, при индукции основного поля 1 Тл частота МР будет равна 42,6 МГц. Сопротивлениетех же катушек на этой частоте будет уже в 8 раз больше, а напряжение на них притом же токе превысит 1000 В. Для возбуждения РЧИ потребуется мощность уже в несколькокВт. Очевидно, что здесь нужен другой подход к конструкции катушек.
Магнитно-резонансные томографывыпускают практически все развитые страны. Признанными лидерами в этой области считаютсяфирмы «Сименс», «Брукер», «Филипс», «Хитачи». Достаточно надежные и относительнонедорогие МРТ производит Россия. По ходу рассмотрения устройства и принципа действиямагнитных систем МРТ приводились их отдельные параметры. Эти и некоторые дополнительныепараметры, характеризующие уровень МРТ, даны в табл.1. Таблица охватывает весь спектрМРТ. Все они выпускаются и эксплуатируются и, как видно из сказанного ранее, имеютсвои достоинства и недостатки. Выпускаются и совершенствуются даже энергоемкие МРТс резистивным магнитом. Они показали себя надежными, относительно простыми в обслуживаниии в настройке.
Из табл.1 видна тенденцияк уменьшению времени реконструкции одного слоя с увеличением индукции главного магнита.Это объясняется возможностью применения при большой индукции «быстрых» последовательностей,например, последовательности «градиентное эхо» и малоугловых. Следует добавить,что при индукции свыше 1,5 Тл появляется возможность кроме ядер водорода (протонов)«вовлечь» в сбор данных об организме тяжелые ядра натрия и фосфора, которые несуточень важную информацию о метаболизме. При более низкой индукции магнитный резонансядер этих атомов невозможен.
Таблица 1. Сравнительные характеристикитомографовТип томографа
Фирма,
страна
Тип
магнита
Индукция,
Тл
Частота,
Мгц Минимальное время реконструкции слоя с
«Образ-1,2,3»
«Икона»
Magnetom P8
Magnetom
63 SP
Tomikon S200
QUAD 12000
Россия
То же
Siemens,
ФРГ
То же
Bruker
США
Fonar
США
Резистивный
Постоянный
Постоянный
(феррит)
Криомагнит
(гелий, азот)
То же
Электро-магнит
0,12 – 0,14
0,12
0,2
1,5
2
0,6
5 – 6
5
8,3
63,6
85,2
24,9
30
–
меньше 1 с
0,72
0,4
0,7