Вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса

 

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ HA ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА , содержащиГ: магнитную систему с расположенным в ней датчиком, вклю чающим Х-градиентную катушку,Y -градиентную катушку, -градиентную катушку , соединенные с устройством управления градиентами, и приемноперьдающую катушку с исследуемым объектом, выход которой через блок детектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход через усилитель мощности соединен с форми рователе 1 импульсов с двумя входами , первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты, а второй - с центральным процессором, который также соединен с устройством управления и отображения информат1ии, отличающийся тем, что, с целью повышении точности из мерений и расширения функциональных возможностей,, в него дополнительно введены сканирующая катушка, второй специализированный процессор и блок .формирования селективного импульса i с двумя входами, первый вход кото рого соединен с формирователем им (Л пульсов с двумя входами, выход с усилителем мощности, а второй вход - с центральным процессором, к которому также подсоединены синтезатор несущей частоты, второй специализированный процессор и устройство управления градиентами, содержащее четыре идентичных канала, г причем первый канал соединен с Xьр градиентной катушкой, второй - с CD 00 Y-градйентной катушкой, третий с2-градиентной катушкой, а четсл вертый - со сканирующей катушкой.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧНжИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) a$)) G 01 N 24/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3614162/18-25 (22) 18.05.83 (46) 30. 11 ° 84. Бюл. 9 44 (72) В.И.Крутских, И,Б,Рубашов, А.П.Смирнов, C.À.Ôîìåíêîâ и Д.Г,Черников (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (53) 53.082,79 (088.8) (56) 1,Патент США У 3789832, кл, G 01 N 24/08,опублик.1974, 2. Hinschow W,$, Image Formation

Ьу Nuclear 11agnetis Resonance °

The Sensitive-point Method, J,Appl РЬуз,1974, v.47, Р 8, р. 3709, (прототип) . (54)(57) ВИЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ. НА

ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕ30НАНСА, содержащий магнитную систему с расположенным в ней датчиком, вклю чающим Х-градиентную катушку, Y -градиентную катушку, 7-градиентную катушку, соединенные с устройством управления градиентами, и приемнопередающую катушку с исследуемым объектом, выход которой через блок детектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход через усилитель мощности соединен с форми» рователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты, а второй — с центральным процессором, который также соединен с устройством управления и отображения информации, отличающийся тем, что, с целью повышении точности измерений и расширения функциональных . возможностей,, в него дополнительно введены сканирующая катушка, второй специализированный процессор и блок .формирования гелективного импульса с двумя входами, первый вход которого соединен с формирователем импульсов с двумя входами, выход— с усилителем мощности, а второй вход — с центральным процессором, к которому также подсоединены синтезатор несущей частоты, второй специализированный проиессор и устройство управления градиентами, содержащее четыре идентичных канала, причем первый канал соединен с Хградиентной катушкой, второй — с

1-градиентной катушкой, третий— с -градиентной катушкой, а четвертый — co сканирующей катушкой.

1126

Изобретение относится к вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резонанса и может быть иснольэовано для изучения пространственного распределения химической структуры исследуемых объектов, Известен вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), содержащий постоянный магнит, градиентные катушки, !О устройство: управления градиентными катушками и радиочастотный тракт с датчиком, Пространственное разрешение в этом томографе достигается тем, что резонансные условия формируются 15 только в одной точке исследуемого объекта с последующим сканированием данной точки по объему (1) .

Недостатками этого ЯМР-томографа являются длительное время сканирова- 20 ния, а также недостаточное пространственное разрешение, обусловленное техническими трудностями при формировании резонансных условий в достаточно малой области, 25

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса, содержащий магнитную систе- ЗО му с расположенным в ней датчиком, включающим Х-градиентную катушку, Y-градиентную катушку, Z -градиентную катушку, соединенные с.устройством управления градиентами, и приемно-передающую катушку с исследуемым объектом, выход которой через блок детектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход через усилитель мощности сое- 4О динен с форм- рователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты,-а второй — с центральным процессором, который также соединен с устройством управления и отображения йнформации 12) .

К недостаткам данного устройства относятся функциональная ограни ченность, обусловленная отсутствием воэможности гибкого изменения программы управления градиентами и обработки данных, длительное время сканирования, невозможность определения времени спин-спиновой ре- 55 лаксации, значительные искажения координат получаемого изображения из-за искажений при изменении тока

850 2 в градиентных катушках во время сканирования.

Цель изобретения — повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей, Поставленная цель достигается тем, что в вычислительный томограф на основе ядерного. магнитного резонанса, содержащий магнитную систему с расположенным в ней датчиком, включающим Х-градиентную катушку, 1-градиентную катушку, 2 -градиентную катушку, соединенные с устройством управления градиентами, и приемно-передающую катушку с исследуемым объектом, выход которой через блок детектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход через усилитель мощности соединен с формирователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты, а второй — с центральным процессором, который также соединен с устройством управления и отображения информации, дополнительно введены сканирующая катушка, второй специализированный процессор и блок формирования селективного импульса с двумя входами, первый вход которого соединен с формирователем импульсов с двумя входами, выход — с усилителем мощности, а второй вход — с центральным процессором, к которому также подсоединены синтезатор несущей частоты, второй специализированный процессор и устройство управления градиентами, содержащее четыре идентичных канала, причем первый канал соединен с Хградиентной катушкой, второй — с -градиентной катушкой, третий — с

2-градиен-ной катушкой, а четвер тый - со сканирующей катушкой.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемоro вычислительного томографа на основе ЯМР, на фиг,2 блок-схема блока формирования селектинного пмпульса с двумя входами; на фиг.З вЂ” блок-схема устройства управления градиентами, ЯМР-томограф содержит синтезатор 1 несущей частоты, центральный процессор 2, формирователь 3 импульсов с двумя входами, блок 4 формирования селективного импульса с двумя входамп, усилитель 5 мощности, приемно-передающую катушку 6, исследуемый объект 7, уст50

3 1 ройство 8 управления градиентами, Х-градиентную катушку 9, 1 -градиентную катушку 10, 2 --градиентную ка-.. тушку 11, сканирующую катушку 12, блок 13 детектирования сигнала, второй специализированный процессор 14, устройство 15 управления и отображения информации, регистр 16 преобразователь 17 цифра-аналог, модулятор 18 с двумя входами, де- . кодеры 19 — 22 адреса, оперативнозапоминающие устройства 23 — 26, цифро-аналоговые преобразователи

27 — 30, датчик 31 и магнитную с тему 32. !

Вычислительный томограф на основе ядерного ЯМР включает синтезатор 1 несущей частоты, вход которого соединен с центральным процессором 2, а выход — с первым входом формирователя 3 импульсов с двумя входами, второй вход которого соединен с центральным процессором 2, а выход — с первым входом блока 4 формирования селективного импульса с двумя входами, второй вход которого соединен с центральным процессором 2, а выход через усилитель 5 мощности с приемно-передающей катушкой 6, содержащей исследуемый объект 7, выход которой через блок 13 детектирования сигнала соединен с центральным. процессором 2, к которому также подключены второй специализированный процессор 14, устройство 15 управления и отображения информации и устройство 8 управления градиентами, содержащие четыре идентичных канала, которые соответственно соединены с Х-градиентной катушкой 9, -градиентной катушкой 10,7, -градиентной катушкой 11 и сканирующей катушкой 12, располагающимися вместе с приемно-передающей катушкой 6 в датчике 31, помещенном в магнитную систему 32, Блок 4 формирования селективного импульса с двумя входами включает последовательно соединенные регистр !6, преобразователь 17 цифрааналог и модулятор 18 с двумя входами. Устройство управления градиентами содержит четыре идентичных канала, каждый из которых включает; по одному иэ декодеров 19 — 2? адреса, по одному из оперативнозапоминающих устройств 23 — 26 и по

126850 4 одному из цифро-аналоговых преобра зователей 27 - 30.

Устройство работает следующим образом.

Синтезатор 1 несущей частоты по команде центрального процессора 2 генерирует синусоидальные колебания с частотой, равной частоте ядерного магнитного резонанса р исследуемого ядра, которые поступают на первый вход формирователя 3 импульсов с двумя входами, в котором по командам от центрального процессора 2, поступающим через второй вход, формируется фаза и длительность импульсов, а также расстояние между импульсами, Сформированная последовательность импульсов поступает на первый вход блока 4

2р формирования селективного импульса с двумя входами, в котором происходит модуляция амплитуды импульсов по форме, задаваемой командами, посту:пающими на второй вход от централь25 ного процессора 2, Процесс формирования селективного импульса осуществляется с целью получения заданной спектральной формы импульса. Пол— ностью сформированная последовательность импульсов усиливается в усилителе 5 мощности и передается в приемно-передаощую катушку 6, в которой находится исследуемый объект 7, Одновременно с передачей команды на синтезатор 1 несущей частоты подается команда на устройство 8 управления градиентами, которое выдает управляющие сигналы на Х-градиентную катушку 9, -градиентную катуш40 ку 10, 7,--градиентную катушку 11 и сканирующую катушку 12.

Возбуждающие импульсы и градиенты магнитного поля переключаются строго синхронно по командам центрального

45 процессора 2, После действия возбуждающих импульсов в приемно-передающей катушке наводится сигнал ядерного магнитного резонанса, который в блоке 13 детектирования сигнала подвергается квадратурному детектированию и преобразованию в цифровые коды, Из блока 13 детектирования сигнала цифровые коды поступают в центральный процессор 2, который кроме функции управления выполняет математическую обработку сигналов с целью получения изображения исследуемого объекта 7. Процесс обработ11268

20 кй данных включает несколько математических операций, в частности преобразование фурье, свертку и обратное проецирование, включающее интегрирование и интерполяцию. Для быстрого выполнения"этих операций введен второй специализированный процессор 14, соединенный с центральным процессором 2, Центральный процессор 2 представляет собой универсаль- 10 ную ЭВМ и не позволяет без применения второго специализированного процессора 14 достичь времени обработки данных )-5 мин, что снижает производительность устройства в f5 целом.

После обработки данных сканирования полученное изображение выводится на устройство 15 управления и отображения информации.

Блок 4 формирования селективного импульса с двумя входами работает следующим образом.

Команда в виде цифрового кода

25 от центрального процессора 2 подается на регистр 16 и преобразуется в аналоговый управляющий сигнал с помощью преобразователя 17 цифрааналог. Управляющий аналоговый сигнал поступает на первый вход модулятора 18 с двумя входами, на второй вход которого поступает им-. пульс от формирователя 3 импульсов с двумя входами, После модуляции амплитуды импульс с выхода модулятора 35 с двумя входами передается в усилитель 5 мощности, Устройство 8 управления градиентами работает следующим образом, Первая команда в виде цифрового кода от центрального процессора 2 поступает в декодеры 19 — 22 адреса.

В первой команде содержатся адреса каналов, которые позволяют выбрать для работы требуемые оперативно-запо-4> минающие устройства 23 — 26. Вторая команда содержит информацию о величине градиентов, Эта информация запоминается в выбранных оперативнозапоминающих устройствах, например Ю в устройствах 23 и 25, преббраэуется в в управляющие аналоговые сигналы для

Х-градиентной катушки 9 и, -градиентной катушки 11 с помощью цифро-аналоговых преобразователей 27 и 29. 55

Если выбраны опера-.ивно-запоминающие устройства 24 и 26, то управляющие аналоговые сигналы соответст50 6 венно для Y -градиентной катушки 10 и сканирующей катушки 12 образуются с помощью цифро-аналоговых преобразователей 28 и 30.

Приемно-передающая катушка 6 с исследуемым объектом 7, Х-градиентная катушка 9, У -градиентная катушка 10 -градиентная катушка 11 и сканирующая катушка 12 конструктивно размещаются в датчике 31, который находится в магнитной системе 32, Развитие вычислительной томографии на основе ЯМР обусловило появление более десяти различных методов получения изображения. Каждый иэ методов имеет определенные преимущества в своей области применения.

Предложенное техническое реи.ание позволяет расширить функциональные воэможности устройства за счет гибкой перепрограммируемой структуры управления и сбора данных, что позволяет реализовать практически все известные методы вычислительной томографии на основе ЯМР, например метод восстановления изображения по проекциям при постоянном градиенте.

Этот метод позволяет измерить пространственное распределение плотности ядер, время спин-решеточной Т< и спин-спиновой Т релаксаций, Последние два параметра не могут быть измерены в прототипе, Данный метод позволяет также сократить время сканирования, В частности, сканирование нри одинаковом разрешении в прототипе занимает примерно

600 мин, а в предложенном устройстве — 3 мин.

Пример конкретной реализации этого метода.

По команде центрального процессора 2 синтезатор 1 несущей частоты, формирователь 3 импульсов с двумя входами, блок 4 формирования селективного импульса с двумя входами и усилитель 5 мощности формируют в приемно-передающей катушке селективный возбуждающий импульс со следующими параметрами: несущая частота 6 МГц, длительность импульса 7 мс, что соответствует 90 импульсу, форма импульса Гауссова, ширина спектра импульса 100 Гц. Одновременно устройство 8 управления градиентами формирует импульс тока в X †градиентн катушке 11. Длина импульса 7 мс, амплитуда тока 7 А, что соответст7 1126 вует величине Z --градиента 0 05 Гс/см.

С помощью этих операций возбуждается спиновая система в плоском слое толщиной 5 мм После окончания селективного возбуждающего импульса и 5

Z --градиента устройством 8 управления градиентами формируются импульсы тока в Х-градиентной катушке 9 и

Ч -градиентной катушке 10. Длина импульсов 0,3 с, Магнитное поле !

Х-градиентной катушки 9 и Y --градиентной катушки 10 складываются и образуют 1 -градиент величиной 0,2 Гс/см.

В этом R -градиенте регистрируется с

Э помощью блока 13 детектирования сигнала, сигнал свободной индукции, Далее все операции повторяются при изменении угла поворота g -rpaо диента на 1 . После проведения !80 циклов полученные данные из централь- 20 ного процессора 2 передаются во второй специализированный процессор 14, в котором происходит восстановление изображения возбуждаемого слоя в исследуемом объекте 7 . Получен — 25 ное изображение визуализируется с помощью устройства !5 уп850 равления и отображения ииформа— ции е

Для изменения положения возбуждаемого слоя в исследуемом объекте 7 применяется сканирующая катушка 12.

С помощью устройства 8 управления градиентами одновременно с селективным возбуждающим импульсом в сканирующую катушку 12 подается импульс тока длительностью 7 мс.

Величина тока к ней определяет смещение положения возбуждаемого. слоя от центра.

Сокращение времени одного сканирования позволяет эа заданный промежуток времени повысить число накоплений данных и, тем самым, точность измерений, В частности, в приведенном примере по сравнению с прототипом отношение сигнал/шум возрастает в 4.раза при одинаковом времени сканирования. Таким образом, предложенный вычислительный томограф на основе ЯМР позволяет существенно расширить функциональные воэможности и повысить точность измерений.

)f26850

4РО2. 2

ЗНИЗЯПФ Заказ 8683/32 Тираж 822 Подписное

Филиал НПП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная,4