автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Исследование влияния химического сдвига на точность передачи координат в МР-томографии

Введение.стр

ГЛАВА 1. ЯМР-томография - основные положения, методыреадизации и области применения.стр

1.1. Основные физические принципы томографии основанной на явлении ядерного магнитного резонанса.стр

1.2. Методы построения изображений на основе ядерного магнитного резонанса.стр

1.2.1. Метод двумерного преобразования Фурье (Two dimensional Fourier Transform - 2DFT).стр

1.2.2. Метод частичного насыщения (Partial Saturation - PS). стр

1.2.3. Метод обратного восстановления (Inversion Recovery - IR).стр

1.2.4. Спин - эхо последователь.стр

1.3. Влияние величин Т(1) и Т(2) продольной и поперечной релаксации ткани при спин-эхо последовательности.стр

1.4. Технические средства для построения изображения методом Фурье.стр

1.4.1. Процедура построения Фурье изображения.стр.

1.4.2. Построение и обработка изображения.стр

1.5. Практическая последовательность импульсов.стр

1.5.1. Последовательность частичного насьпцения

PS2D) и (PS3D).стр

1.5.2. Последовательность обратного восстановления (IR2D).стр

1.5.3. Спин - эхо последовательность (SE).стр

1.5.4. Многослойна спин - эхо последовательность.стр

1.5.5. Двойное эхо последовательность (2D).стр

Выводы.стр

ГЛАВА II. Разработка много компонентного поверочного устройства для контроля основных характеристик

ЯМР - томографа.стр

2.1. Описание экспериментального фантома Ф 28 для проверки и контроля характеристик ЯМР томографа., стр

2.2. Описание экспериментального фантома Ф 4 для проверки и контроля характеристик ЯМР томографа., стр

2.3. Определение состава поверочных растворов.стр

2.4. Описание экспериментальной установки.стр

Выводы.стр

ГЛАВА III. Использование разработанных средств Ф4 " и " Ф28 " для контроля точности передачи координат медицинского ЯМР томографа "Magnetom Impact" фирмы Сименс.стр

3.1. Вывод уравнения связи интенсивности ЯМР сигнала с величиной требуемого разрешения и параметрами томографа.стр

3.2. Проверка разрешающей способностм медицинского ЯМР - томографа "Magnetom Impact".стр

3.3 Томографическое исследование фантомов.стр

3.3.1. Параметры спектра ЯМР.стр

3.3.2. Особенности протонной магнитно - резонансной снектроскопии. стр

3.3.3. Принципы пространственной локализации возбуждения сигналов магнитного резонанса.стр

3.3.4. Влияние химического сдвига частоты резонанса на точность передачи пространственных координат. Вывод уравнения.стр

5. Импульсные последовательности для накопления магнитно - резонансных томограмм.стр

4. Определение точности передачи пространственных координат при помощи фантомного устройства Ф 28.стр

1. Измерение радиальных расстояний четырех экспозиций с помощью программы "MAGNA" по экрану дисплея.стр

5. Определение точности передачи пространственных координат при помощи фантомного устройства Ф 4. стр

Научно-технический прогресс во всех областях науки неразрывно связан с созданием и эксплуатацией новых видов радиоэлектронной аппаратуры к точности и надежности функционирования которой предъявляются все более высокие требования. Обычно уровень применяемой измерительной техники отражает и уровень создаваемых технических систем. В связи с этим средства измерений непрерывно совершенствуются: они становятся высокоточными, быстродействующими и надежными, что в конечном итоге позволяет получить достоверную информацию о состоянии контролируемых технических параметров.

Этот процесс выражается как в совершенствовании традиционных, так и в создании приборов, основанных на новьк физических эффектах. К таким приборам можно отнести системы, основаны на явлении ядерного магнитного резонанса, в частности ЯМР-томографьг Наряду с широким применением в области медишны и биологи, ЯМР-томографы могут успепшо использоваться и для технических измерений. Явление ядерного магнитного резонанса можно применять для определения профилей деталей сложной формы из немагнитных материалов, измерения труднодоступных размеров и др.

На сегодняшний день в изданиях по измерительной технике вопросы метрологического обеспечения ЯМР-томографов освешаются зесьма слабо.

В настояииие время ЯМР-томографы преимущественно медицинского назначения выпускаются рядом зарубежных фирм, но из за их высокой стоимости они являются сегодня еще весьма редко встречаемыми приборами.

В последние время перед ЯМР-томографией открываются широкие возможности применения в технической диагностике, а точнее в области измерительной техники. Очень часто возникают сложности при определении различных сложных внутренних профилей ряда предметов или при измерении труднодоступных размеров деталей, когда невозможно применять традиционные методы. Здесь в помощь специалистам может прийти ЯМР-томография.

Актуальность работы:

Метод магнитно - резонансной томографии (МРТ) является к настоящему времени одним из наиболее эффективных методов исследования состояния мягких тканей живого организма.

Высокая диагностическая результативность МР-Томографии обусловлена тем, что контраст изображения зависит от ряда параметров и в том числе от релаксационных параметров локальной протонной намагниченности мягких тканей. Релаксационные параметры и, соответственно, контраст изображения в этом методе непосредственно связаны с особенностями и вариациями биохимического состава клеточных структур живого организма.

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.

Явление ядерного магнитного резонанса имеет строгое описание на основе законов квантовой механике с учетом таких особенностей как дискретность энергий и соотношения неопределенности для состояний объектов микромира.

В MP-томографии мы имеем дело с макроскопическими объектами. Для вывода соотношений, характеризующих связь между контрастностью и разрешением, с одной стороны, и техническими параметрами томографа, с другой стороны, для наглядности рассмотрения целесообразно представить исследуемый объект в виде суммы элементарных объёмов.

Этим элементарным объёмам Уе1 при итоговой визуализации слоя на экране дисплея ставятся в однозначное соответствие элементарные площади Ре1, имеющие яркость, которая пропорциональна интенсивности ¡-того сигнала.

Разрешение и контрастность томографа будут определяться величиной размера элементарного объёма - Уе1 и интенсивностью ЯМР- сигнала, регистрируемого от этого объёма. Величина этого объёма Уе1 (реально от 3-х до 10 ммЗ) практически каждый раз определяется оператором МР-томографа как из соображений требуемого качества томограммы, обеспечивающей получение однозначного медицинского диагноза, так и из необходимости минимизировать время накопления изображения.

МР- томограммы могут содержать некоторые артефакты, которые не имеют анатомического объяснения, а 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 медицинских изображений.

Цель работы:

Целью диссертации является выявление искажении при передаче геометрических координат в ЯМР томографии связанных с различным электронным экранированием веществ.

Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо было разработать фантомные устройства, которые позволяют выявить влияние химического сдвига на передачу пространственных координат в ЯМР томографии.

Научная новизна:

Соискателю неизвестно о подробном исследованию этого явления при помощи специально разработанных фантомных устройств.

Вероятно такие эксперименты выполнены в первые.

Практическая ценность:

Практическая значимость работы заключается в создании методики оценки точности передачи пространственных координат ЯМР томографа (включая разработку фантомных устройств) которая помогает оператором ЯМР томографов (врачам) правильно воспринимать появляющееся на томограммах живых ткани человеческого организма артефакты связанные с различием электронного экранирования веществ.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научной конференции ЦНИРРИ "Актуальные вопросы медицинской радиологии" (г. Санкт Петербург 1998 г.) и на Международной Научно - Технической Конференции " Конверсия приборостроение медицинская техника" (г. Владимир 1999 г.)

Разработанные фантомные устройства были испытаны для контроля искажении из-за химического сдвига на медицинском томографе " Magnetom Impact" фирмы Siemens с магнитным полем

В = 1 Тл, находящимся во Второй Городской Больницы в г. Санкт Петербурге.

Основное содержание работы

Изложено в трех главах. Первая глава является обзорной. Вторая глава посвящена разработке макетов поверочных средств. Глава третья посвящена экспериментальным исследованиям влияния химмического сдвига на точность передачи координат с помощью разработанных поверочных устройств.

Во введении:

Показана актуальность проводимых исследовании, сформирована цель работы, изложена ее научная новизна и практическая значимость. Представлены основания выбора области применения результатов работ.

Первая глава:

Обзорная на основе анализа методов и областей применения ЯМР-томографии формируются основные цели диссертационной работы. В ней приводятся тоже основные физические принципы томографии основанной на явлении ядерного магнитного резонанса, рассматриваются некоторые методы построения изображений и технические средства для их реализации, а также рассмотрены реализуемые на практике последовательности импульсов для наблюдения ЯМР-сигналов.

Вторая глава:

Посвящена изготовлению поверочных устройств (фантомов) для контроля влияния химмического сдвига на тоность передачи пространственных координат. В качестве поверочных средств аттестации были изготовлены два устройства Ф4 и Ф28.

Приводится в ней также описание экспериментальной установки.

Третья глава:

Посвящена исследовании влияния химического сдвига на точность передачи пространственных координат в МРТ с помощью разработанных макетов медишнского ЯМР-то-мографа " MAGNETOM IMPACT " (SIEMENS) с магнитным полем 1Тл. Приводится вывод уравне-ния связи интенсивности ЯМР сигнала с величиной требуемого разрешения и параметрами томографа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. С помощью специально разработанных фантомных устройств обнаружены пространственные сдвиги изображении от протонов: бензола, жира и ацетона относительно воды.

2. Выполнена количественная оценка полученных сдвигов изображении.

3. Выведено соотношение описывающие данное явление.

4. Установлено взаимное соответствие между экспериментальными и теоретическими результатами сдвигов для протонов различного химического экранирования.

Основные результаты диссертационной работы полученные в соответствии с поставленными задачами сводятся к следующему:

1. С целю изучения артефактов, связанных со сдвигом изображения от протонов различного химического положения было проведено расчетно - теоретическое исследование и выведено соотношение, которое позволяет вычислить величину сдвигов АЬ = ВАа / О. Для томографа с полем 1 Тл при использовании частотно кодирующих градиентов от 0,9 мТ/м до 4,9 мТ/м были определены сдвиги изображении от протонов жира, бензола и ацетона относительно изображении от протонов воды.

2. С целю экспериментальной проверки этих эффектов было изготовлено несколько фантомных устройств, которые содержали ампулы с водой, ампулы с растительным маслом, ампулы с бензолом и ацетоном.

3. Экспериментально на томограммах было зарегистрировано, что изображение от протонов бензола сдвигается в противоположную сторону по сравнению со сдвигом изображения от протонов ацетона и растительного масла. Такое явление согласуется с относительным расположением сигналов ЯМР этих веществ относительно сигнала ЯМР воды.

4. Выполнено экспериментальное определение сдвигов изображении от протонов жира относительно протонов воды. Сдвиг при использовании кодирующего градиента 1,3 мТ/м оказался ровным

2,8 +/- 0,1) мм. Таким образом расчетно - теоретический результат оказался в хорошем согласии с экспериментальным результатом.

5. Выполненная робота позволяет рекомендовать пользователям МР — томографа для уменьшения рассматриваемых артефактов использовать высокие градиенты поля, что однако, в общем случае будет сопряжено с необходимостью расширения полосы частот усиливаемых ЯМР сигналов и с увеличением времени обследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

2. Александров И.В. -"Теория ядерного магнитного резонанса". М: 1964. 208 с.

3. Александров И.В. "Теория магнитной релаксации", М,: 1975.

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

5. Богданов Т.Н., Кузнецов В.А., JIotohob М.А., Пашков А.Н., Подольский O.A., Сычев Е.Н, "Метрологическое обеспечение и эксплуатадия измерительной техники" М: Радио и связ 1990, 238 с,

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

7. Боттомли П. "ЯМР интроскопия, Методы и применение", -Приборы для научных исследований, 1982. т.53. N 9. с. 13191337.

8. Брик З.С., Капилевич Д.В., Клецкова H.A.- Фортран 77 для ПЭВМ ЕС. М,: Финансы и статистика. 1991, 285 с.

9. Иванов В.А., А.с- N 1112266, СССР. "Способ определения внутреннего строения материальных объектов". Открытия, изобретения, N 33 (Приоритет от 21 марта 1960 г.)

10. Иванов В.А., "Внутривидение (ЯМР интроскопия)". Л.: 1989.

11. Иванов В.А., Фролов В.В., Ленков А.А„ Биневская О.В., А,с N1490480, СССР. "Устройство для определения профиля поверхности немагнитных объектов". Бюллетейн изобретений, 1989, N24.

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

13. Иванов В.А., Неронов Ю.И., Вольняк К. "К олределению рациональных параметров ЯМР-томографа при использовании серии спин-эхо сигналов". Приборостроение (Известия выших учебных заведений), N 9, 1990.

14. Иванов В.А., Неронов Ю.И., Рожек В, "Метрологическое обеспечение ЯМР-тмографии". Международная научно техническая конференция. "Метрологическое обеспечение машиностроительных отрослей промишленности". Тезисы докладов. Минск 1992.

15. Корн Г., Корн Т.,"Справочник по математике".М,: 1967. 324с.

16. Коломбет Е.Л., Таймеры,- М. : 1983, 128 с.

17. Леше А, "Ядерная индукция". М-: 1963. 684 с

18. Лундин А.Г., Федин Э.И. "Ядерный магнитный резонанс. Основы и применения" Новосибирск: Наука- 1980.

19. Лундин Д.Г., Федин Э.И, "ЯМР-спектроскопия. М: Наука. 1985.

20. Неронов Ю.И., Рожек В. "Разработка поверочного устройства для контроля характеристик МР-томографа" Приборстроение (Известия высших учебных заведений.), 1992.

21. Неронов Ю.И., Джихад Бадур, Ван-Жэнь-чэн, "Разработка приемной резонансной индуктивности для регистрации позвоночника на МР-томографе". Современные достижения медицинской радиологии; тез. докл. научной конференции ЦНИРРИ. СПБ. 1993, с. 47-48.

22. Неронов Ю.И., Тютин Л.Д., Джихад Бадур "Способ магнитно -резонансной томографии и устройство для его осуществления".

23. Заявка на изобретение, номер госрегистрации 5068091, приоритет от 20 июля 1992 г,

24. Сликтер Ч. "Основы теории магнитного резонанса". М,: 1967. 324 с.

25. Сороко JI.M, "Интроскопия на основе ядерного магнитного резонанса" М,: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

26. Сороко JI.M, "Интроскопия".М-: Энергоатомиздат, 1983. 126 с,

27. Троицкий И.Н. "Статистическая теория томографии". М: Радио и связь. 1989, 238 с,

28. Фаррар Т , Беккер Э, "Импульсная и Фурье спектроскопия ЯМР" М.: 1973.

29. Хермен Г. "Восстановление изображений по проекциям". М,: 1983.

30. Хиншо У.С., Лент А.Х. "Основы ЯМР визуализации: от уравнения Блоха к уравнению визуализации"- ТИИЭР- - 1983. Т. 71.N3.

31. Чжо Э.Х, и другие- "Томография на ЯМР с преобразоваеием Фурье" ТИИЭР, 1982, т.-70, No 10.

32. Эмсли Дж., Сатклиф Л, "Спектроскопия ЯМР высокого разрешения" T.l, М. : 1968, с, 630., Т.2. М,: 1969, с 468.

33. Яворский Б.М., Детлаф А.А. "Справочник по физике" М,: 1965, с. 848.

34. Bene G, J, - Phys, Rept., 1980, v, 58, P, 213,

35. Bottomley P.A- Proceecilngs of fche International Symposium of Nuclear Magnetic Resonanse Imaging. Dept. of Radiology. Bowman School of Medicine, Winston Salem, 1982, P, 25.

36. Bottomley P.A., Andrew E.R., Phys- Med. Biol. 23, 630, 1978.

37. Bottomley P.A., J, Phys, E 14, 1081, 1981.

38. Bottomley P.A„ HinshawW.S., Holland G.N, , Phys, Med. Biol. 23. 309, 1978.

39. Bruker NMR tomography sistems for medicine and biomedicine. Medical Report, 1982.

40. Carr H.Y., Purcell E.M. Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments. Phys, Rev., 1954, v, 94, P, 630-638.

41. Crooks I. F. Selektiue irradiation line scan techniques for NMR-immaging. IEEE Trans., 1980, vol, NS-27, P. 1238-1244.

42. DamadianR, et, al.-Science, 1976, v. 194. P. 1430

43. Damadian R, et, al.- Naturwissenschabten, 1978. Bd. 65,s.250.

44. Garroway A.N., Grannel P.K., Mansfield P, Image formation in NMR by selective irradiative process.- .1. Phys. 6. Solid State Phys. , 1974. v. 7. P. L457 L462.

45. Golav M.J.E., U. S. Patent Nos. 3, 569, 523; 3. 622, 869,1971.

46. Gordon R., Herman G. Т.- Comm. Assoc, Comput. Mach. , 1971. v. 14, P. 759.

47. Hinshaw W.S. Image formation by nuclear magnetic, resonance: the sensitive point method.- J, Appl. Phvs, 1976, v. 47, P. 3709 - 3721.

48. Hlland D.I., Richards R.E. The signal -to noise ratio of the nuclear magnetic resonance experiments. - J • Magn Reson., 1976, v. 24, P. 71-85.

49. Hoult D.I., Lauterbur P.C. The sensivity of tche zeugmatographicexperiment involving human samples.- J -Magn. Reson., 1979, v. P.425,

50. Hutchison J.M.S. UK Patent Application 7, 934, 864, 1979.

51. Hutchison J.M.S., Edelstein W.A. Johnson G. J. Phys, 1980, v. E P. 947.

52. По теме диссертации опубликованы следующие работы.