автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Исследование неоднородностей магнитного поля с помощью визуализации эквипотенциалей поля на магнитно-резонансных томографах

Введение.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

1.1. MP-Томография как метод диагностики.

1.2. Ядерный магнетизм.

1.3. Ядерная магнитная восприимчивость.

1.4. Переориентация ядер в поле и магнитный резонанс.

1.5. Елоховское описание магнитного резонанса.

1.6. Вычисление величины ЯМР-сигнала.

1.7. Суммирование ЯМР-сигналов.

1.8. Влияние скорости восстановления намагниченности на время накопления томограммы.

1.9. Режим накопления томограмм с узкополосным частотным подавлением.

1.10. Режим спектральных исследований.

1.11. Типичная структура MP-Томографа.

1.12 Аппаратура MP - Томографа медицинского назначения.

ГЛАВА ВТОРАЯ. Экспериментальная часть работы.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Вычисления по модели поверхностных токов.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Оценка распределения поля MP-Томографа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

РАБОРЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Основная характеристика магнитно-резонансного томографа это точность передачи пространственных координат, которая, прежде всего, зависит от однородности основного магнитного поля томографа. Поэтому, существует необходимость разработки таких методов, которые позволяют визуализировать неоднородности магнитного поля.

В настоящее время продолжает интенсивно развиваться приборостроение медицинского назначения. Значительно совершенствуются методы медицинской диагностики на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), что позволяет выявлять новые данные об особенностях строения живых тканей, находящихся в норме и при патологических изменениях.

В коммерческих томографах конкурирующие фирмы предлагают широкий диагностический сервис из более чем ста импульсных последовательностей для выявлении тех или иных изменений в живых тканях. Однако при анализе изображений оператору томографа необходимо тщательно учитывать артефакты, которые обусловлены особенностями явления ЯМР.

В клинической практике используется режим получения MP-Томограмм с избирательным частотным подавлением сигнала от протонов жира, что и используют по ряду причин. Например, когда необходим контроль состояния зрительных нервных волокон, то при обычной съемки след от изображения нервных зрительных волокон теряется среди окружающей жировой ткани. Но если сигнал от жира подавлен с высокой эффективностью, то можно непосредственно наблюдать нервные волокна, отходящие от глаза, исследовать их геометрические параметры и возможные дегенеративные изменения.

Кроме этого, режим с подавлением жира применяют при контроле отсутствия метастатического поражения тел позвонков. При изображении позвоночника в телах позвонков иногда наблюдаются белые пятна. Причиной их происхождения может быть как возрастная жировая деструкция губчатого костного вещества тел позвонков и его костного мозга, так и весьма опасные воспалительные явления из-за возможного метастатического поражения (если в организме есть раковая опухоль).

В этих и в ряде других важных для медицинской диагностики случаях необходимо кроме стандартных MP-Томограмм получать дополнительные томограммы с использованием режима подавления сигналов жира.

Однако из теоретических предпосылок и клинической практики следует, что применение этой методики зависит от реальной, на данный момент, возможности аппарата и опыта обслуживающего персонала. Технический персонал, обслуживающий томограф, должен обладать хорошей теоретической подготовкой и иметь практические навыки для поддержания высоких метрологических характеристик прибора, поскольку при наличии неоднородностей магнитного поля основного магнита на томограммах могут появляться дополнительные темные полосы, которые не имеют анатомического объяснения.

Целью данной работы является: а) Разработка метода визуализации неоднородностей магнитного поля на основе MP-Томографии; б) Разработка методики вычисления неоднородностей магнитного поля на основе использования импульсов избирательного частотного подавления; в) Разработка метода оценки искажений магнитного поля МР-томографа, вызванного размещением в магнитной системе самого объекта исследования.

Представляет также интерес выработка рекомендаций для операторов МРТ режимов оптимального использования метода накопления MP-Томограмм с подавлением сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие вопросы: а) Разработать и изготовить поверочные фантомные устройства, позволяющие выявлять как неоднородности внешнего магнитного поля, так и искажения магнитного поля, обусловленные самим объектом исследования; б) Выполнить серию контрольных исследований однородности магнитного поля медицинских MP-Томографов, имеющих сверхпроводящие магниты; в) Оценить точность передачи пространственных координат МР-Томографа при разных импульсных режимах работы томографа; г) Вычислить неоднородность поля MP-Томографа, обусловленную не оптимальной настройкой (юстировкой) магнитной системы; д) Вычислить неоднородность магнитного поля, обусловленную диамагнетизмом объектов исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1) В работе разработан метод визуализации эквипотенциалей магнитного поля, который позволяет на томографическом изображении непосредственно наблюдать неорднородности индукции магнитного поля (отметим, что при анализе распределения поля традиционно используют снятие карты поля по точкам, последовательно передвигая ЯМР-датчик с ампулой воды в пространстве).

2) Разработан метод оценки градиентов магнитного поля на основе регистрации и анализа ряда томограмм, накопленных при изменении частоты избирательного частотного подавления.

3) Разработан способ оценки неоднородности магнитного поля, возникающей из-за диамагнитных свойств размещенного в поле объекта исследования.

Выполненные исследования позволяют пользователям медицинских МР-Томографов оценивать область исследования в пространстве магнитной системы с пренебрежимо малыми геометрическими искажениями; оценивать предельное спектральное разрешение при накоплении локальных ЯМРспектров, разрабатывать устройства для компенсации неоднородностей магнитного поля.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах в Центральном Научно - Исследовательском Рентгено - Радиологическом Институте (ЦНИРРИ); на семинарах СПбГИТМО, на семинарах в СПбГУ и СПбГЭТУ.

В этой связи, основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем. В диссертации автор представляет:

1. Способ визуализации эквипотенциалей магнитного поля МР-Томографов и определение величины градиентов магнитного поля томографа по ряду изображений, накопленных при изменении частот заполнения импульсов избирательного подавления ЯМР-сигналов.

2. Способ регистрации неоднородностей магнитного поля, возникающих из-за граничных изменений диамагнетизма (парамагнетизма) исследуемых объектов и способ математического описания таких эффектов на основе модели гипотетических поверхностных токов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1). С целью исследования неоднородностей магнитного поля был применен режим накопления томограмм с импульсом избирательного частотного подавления. Изготовлено несколько фантомных устройств, использование которых при подборе частот заполнения импульса подавления позволило наблюдать эквипотенциали распределения магнитного поля.

2). Для фантомных устройств, составленных из ампул с водой и ампул с растительным маслом, на томограммах зарегистрированы характерные краевые эффекты: томограммы сечения ряда ампул содержат тени от частотного подавления в виде восьмиконечных звезд. Эти эффекты зависят от расстояния между ампулами. При заполнении пространства между ампулами водой краевые эффекты исчезают.

3). Экспериментальные эффекты (в частности, тени в виде восьмиконечных звезд) были описаны математически с помощью модели поверхностных токов. Модель поверхностных токов была использована для учета краевых изменений диамагнитных свойств объекта исследования.

4). Использован режим накопления томограмм с избирательным частным подавлением для определения распределения поля в магнитной системе томографа Magnetom Impact (В0 = 1 Тл). Установлено, что магнитное поле этого томографа описывается функциональной зависимостью: В(ху)=Во+(0,164мТл/м2) XY.

РАБОРЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ю.И.Неронов, Нассар Муханнад, В.К.Иванов. «Использование избирательного частотного подавления ЯМР-сигналов в магнитно-резонансной томографии для визуализации неоднородностей магнитного поля», журнал «Научное приборостроение», 2001, том 11, № 1, стр. 56-59.

2. Ю.И.Неронов, П.П. Парамонов, Нассар Муханнад, В.К.Иванов. «Визуализация неоднородностей магнитного поля с помощью MP-томограмм», журнал «Датчики и системы» 2001, № 8, стр. 11-13.

3. Ю.И.Неронов, Нассар Муханнад, В.К.Иванов. «Использование избирательного частотного подавления ЯМР-сигналов в магнитно-резонансной томографии для визуализации эквипотенциалей магнитного поля». Сборник статей: Научно-технический вестник СПбГИТМО, Выпуск 3, изд. СПбГИТМО, 2001 года.

4. Ю.И.Неронов, Нассар Муханнад, В.К.Иванов.// "Способ визуализации эквипотенциалей магнитного поля с использованием магнитно-резонансной томографии", Научно-технический Вестник СПбГЭТУ (в печати).

1. Абрагам А. "Ядерный магнетизм". М.: 1963.

2. Александров И.В. "Теория ядерного магнитного резонанса". М.: 1964.

3. Дж. Эмсли, Дж.Финей, СЛ. Сатклиф. "Спектроскопия ЯМР высокого разрешения", Том 1 и Том 2, Изд. МИР, М., 1969

4. Александров И.В. "Теория магнитной релаксации". М.: 1975.

5. Ацаркин В .А., Скроцкий Г.В., Сороко Л.М., Федин Э.И. "ЯМР-интроскопия". УФН. 1981, т. 135. с. 285 - 315.

6. Богданов Т.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А., Пашков А.Н., Подольский О.А., Сычев Е.Н. "Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники". М. : Радио и связь, 1990,238 с.

7. Бородин П.М. "Ядерный магнитный резонанс" учебное пособие. Ленинград: Издание Ленинградского университета. 1982.

8. Боттомли П. "ЯМР-интроскопия. Методы и применение". Приборы для научных исследований. 1982. т.53. N 9, с.1319-1337.

9. Р.Эрнст, Дж.Боденхаузен, А.Вокаун."ЯМР в одном и двух измерениях". Изд. МИР, Москва 1990.

10. Иванов В.А., Неронов Ю.И., Вольняк К. "К определению рациональных параметров и времени накопления ЯМР-томограммы", ж. Приборостроение (Известия высших учебных заведений), N3. 1990.

11. Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. "Краткий справочник по физике" Изд. Высшая школа, М. 1969.

12. Кикоин И.К. "Таблицы физических величин" Изд. Атомиздат, М. 1975.

13. Иванов В.А. "Внутривиденье (ЯМР-томография)" Л., Изд. Знание, 1989.

14. Г.Корн, Т.Корн. "Справочник по математике для научных работников" М. Изд. Наука, 1973.

15. J.Frahm, T.Michaelis, K.D.Verboldt, H.Bruhn, V.L.Gyngell, W.Hanicke. Improvements in Localized Proton NMR Spectroscopy of Human Brain // J. Magnetic Resonance, 1990, V. 90, C. 464-473.

16. Ю.И.Неронов, З.Рахимов. Исследование протонного обмена в растворах H20-C2H50H-C5D5N // ЖСХ, 1971. Т. 12, № 3, С. 392-396,.

17. Джералд Фишбах. Психика и мозг // В Мире Науки Scientific American, 1992, Т. 11, С. 10-20.

18. Л.А.Тютин, Г.Д.Рохлин, Ю.И.Неронов, Д.И.Руденко, Л.А.Стуков. «Протонная Магнитно-Резонансная Спектроскопия головного мозга», Сб. «Магнитно-Резонансная томография в клинической практике» // Изд. ЦНИРРИ. С-Петербург, 1996.С. 67-71.

19. S.E.Rose, J.D.Chalk, G.J.Galloway,D.M.Doddrell. Detection of dimethyl sulfone in the human brain by in vivo proton MRS// Magnetic Resonance Imaging, Vol. 18, pp. 95-98, 2000.

20. Неронов Ю.И., Haccap Муханнад, Иванов В.К. "Использование избирательного частотного подавления ЯМР-сигналов в МРТ для визуализации неоднородностей магнитного поля", журнал Научное приборостроение. Том 11, № 1, стр. 56-59, Изд. РАН, 2001 год.

21. Неронов Ю.И., Иванов В.А., и др. "Исследование погрешностей передачи линейного размера в магнитно-резонансной томографии", Научное Приборостроение. Том 10, № 2. Стр. 68-71, Изд. РАН, 2000 г.

22. Неронов Ю.И., Тютин Л.А., Стуков Л.А. "Некоторые проблемы обеспечения точности определения концентрации метаболитов в тканях головного мозга при ЯМР спектральных исследованиях", журнал Научное Приборостроение, Том 11, № 2, стр. 64-69; Изд. РАН, 2001 г.

23. M. Hajek, M.Burian, M.Dezortova. Application of LCModel for quality control and quantitative in vivo H MR spectroscopy by short echo time STEAM sequence. // Magnetic Resonance in Physics, Biology and Medicine. Vol. 10, pp. 617, 2000.

24. W. Dreher, D. Leibfritz. \\ Detection of homonuclear decoupled in vivo proton NMR spectra using constant time chemical shift encoding: CT-PRESS // Magnetic Resonance Imaging. Vol. 17, No. 1, pp. 141-150, 1999.

25. A.Ziegler, B.Gillet, J.Beioeil, J. Macher, M. Decorps, J. Nedelec. \\ Localized 2D correlation spectroscopy in human brain at 3 T. \\ Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine. Vol. 14, pp. 45-49, 2001.

26. Peter Rinck, Robert Muller, Steffan Peterson. // An Introduction to Magnetic Resonance in Medicine. New York, 1990.российскаягосударственная!1. БИБЛИОТЕКА ГО -€> О^ь