Способ селективного возбуждения ядерного магнитного резонанса при томографичекском обследовании

 

Сущность изобретения: при томографическом обследовании на объект воздействуют селективным радиочастотным РЧ-импульсом, представляющим собой последовательность из трех идентичных РЧ-импульсов. При этом знак градиента дополнительного магнитного поля меняют на противоположный от импульса к имИульсу последовательности 7 ил

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 N 24/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (l.OCllATEHT CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4845681/25 (22) 02.07.90 (46) 30.12.92 Бюл. М 48 . (71). Научно-исследовательский институт злектрофизической аппаратуры им. Д,B.Eô. ремова . (72) В.E.Åðåãèí; С.М.Кочетовский и Е,В.Са,виковская (56) Патент США N 4760336, кл. G 01 Я 33/20, опублик. 1988.

Патент Великобритании М 2129568, кл. G 01 М 24/08, опублик, 1964.

Изобретение относится к области томографии, основанной на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). а именно к способу получения изображения объекта, находящегося под действием магнитного поля, и может быть использовано для медицинской диагностики, Известны способы селективного возбуждения ЯМР при томографическом обследовании. Принцип получения ЯМР-изображения состоит в том, что исследуемый биологический объект помещают в постоянное магнитное поле, имеющее только составляющую Bz = Bo по оси 2 декартовой системы координат; При этом . магнитные моменты некоторых ядер, например, протонов, ориентируются по оси

z и прецессируют вокруг этой оси с частотой аь = у В, где у-гиромагнитное отношение, зависящее только от сорта ядер. Далее воздействуют на объект радиочастотным (РЧ) электромагнитным по Ж 1784887 А1

2 (54) СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА ПРИ ТОМОГРАФИЧЕСКОМ

ОБСЛЕДОВАНИИ (57) Сущность- изобретения: при томографическом обследовании на объект воздействуют селективным радиочастотным РЧ-импульсом, представляющим собой последовательность из трех идентичных

РЧ-импульсов. При этом знак градиента дополнительного магнитного поля меняют на противоположный от импульса к импульсу последовательности. 7 ил. лем на частоте оъ, соответствующей выбранному сорту ядер, магнитйая компонейта РЧполя В1 = Вх(т) з1п(аь t + а), действующая в плоскости х, у взаимодействуют с магнитными моментами ядер и отклоняет их от оси z.

Одновременно с РЧ-импульсом на основе магнитное поле накладывают дополнительное магнитное поле с постоянным градиентом Gz, т.е. Bz - Bp + Gzz. При этом магнитные моменты ядер отклоняют только в выбранном плоском слое объекта, толщина слоя определяется формой и длительностью РЧ-импульса, а также градиентом 6 .

Далее к--объекту йоследовательно прикладывают градиенты основного магнитного поля Gx u Gy которые обеспечивают кодирование величин, связанных с явлением ЯМР, по координатам х, у в плоскости выделенного слоя, Затем сигнал ЯМР регистрируют.

Указанные действия многократно повторяют при значениях градиентов магнитного

1784887 х

sty B) х ехр{-a{at yB х) ) p

3 поля, соответствующих получению полного набора данных. Сигналы ЯМР накапливают и после математической обработки получают изображение объекта. При идеальном возбуждении плоского слоя все магнитные моменты в слое Izl д z/2 йоворачиваются на выбранный угол Оот оси z, а вне слоя Izi д z/2 отклонения магйи нЖ моментов не происходит, при

1 .- этом = y. f Bx(t)dt, где Bx(t) — огибаю Ф 1: Ф щая РЧ- импульса, Известные способы получения ЯМРизображения с селективным возбуждением слоя в.объекте сохраняют изложенную последовательность действий, а именно: объект помещают в постоянное магнитное поле, имеющее только составляющую

Bz = Во, воздействуют на объект радиоча. стотным РЧ-электромагнитнЫм полем на ча- стоте жь, соответствующей выбранному сорту" ядер; одновременйо с РЧ-импульсами на основное поле В накладывают дополнительное магнитное поле с йостоянным градиентом 6, далее к объекту последовательно прйкладывают градиенты

ОсновнОГО мэгнитнОГО пОлй. Gx u Gy ДлЯ кодировки величин,, связанных с явлением

ЪМР по координатам х и у в плоскости выделенного слоя; сигнал ЯМР регистрируют; указанные дейСтвия многократно повторяют при значениях градиентов магйитного йоля, соответствующих получению полного набора даннйх; сигналы ЯМР накапливают, а затем реконструируют изображение обьекта с последующей его визуализацйей.

Основная задача состоит в том, чтобы . добиться выделения плоского слоя, близкого по форме к идеальному, что зависит от. формы и длительности РЧ-импульса, а также градиента Gz. Например, в известном способе предложен РЧ-импульс, для огибающей которого справедливо соотношение где в - ж/О, а = О, О, 1, — r t t Вх -макс. амплитуда огибающей -РЧ-импульса, а градиент Gz меняет знак на противоположный после окончания импульса.

На фиг 1 показана форма РЧ-импульса согласно известному способу. Модуляция

РЧ-импульса этдму сйособу дает хорошие результаты для углов отклонения О < 600, а для углов отклонения 0 > 90 форма выделенного слоя сильно отклоняется от идеальной, причем чем больше, тем больше указанное отклонение.

На фиг.2 приведено распределение

5 проекции на ось z намагниченности ядер слоя для д -. 180О, полученное расчетным путем, кривая 1-форма идеального слоя, кривая 2-форма слоя, выделенного пр известному способу, координата z

10 нормирована в соответствии с соотношением 7 .= z/(Вх0/g) (2). 3аметно зйачительное отклонение формы выделенного слоя от идеальной, что ухудшает каче- .. ство восстайовленного иэображения.

15 Согласно другому способу РЧ-импульс формируют в виде последовательности из двух РЧ-ймпульсов, причем один из импуль-: сов смодулйроаан согласно соотношению (1) для Вх(1), а другой импульс корректирует

20 форму возбужденного слоя так, чтобы приблизить ее к идеальной, при этом градиент

G меняет знак на противоположный после каждого из импульсов последовательности, на фйг.З показана форма РЧ-ймпульса со25 гласно этому способу..

Распределение намагниченности (в проекций на оСь z) ядер слоя. выделенного по; такому способу, рассчитанное для О = 180 приведено на фиг.2(кривая 3). Качество выде30 ления слоя по этому способу выше, чем по. предыдущему. Но одновременно с улучшением качества слоя возрастает средняя тепловая мощность, выделенная в объекте при циркуляции вихревых электрических токов, 35 наведенных РЧ-полем. Очевидно, что мощ-, ность, выделяемая в теле пациента rio срав: нению с предыдущим способом больше на .:величину, ойределяемую этим корректирующим импульсом. Это существенный недо40 статок способа, 1..к. необходимо учитывать, что.джоулево тепловыделение, вызванное вихревыми токами, приводит к повышению температуры тела при томографическом обследовании людей, Из соображений без45 опасности не допускается повышение средней температуры тела более, чем на 1О, и считается, что эта требование будет выполнено, если величина средней тепловой мощности, выделенной в теле. (для любой

50 части тела, превышающей по массе 1 г) не будет превышать 0,4 Вт/кг.

Согласно способу, принятому за прототип, для получения ЯМР-томограммы производят все действия, указанные выше, 55 бтличия касаются только формы и длительности РЧ-импульса, а также градиента Gã.

Предложена форма РЧ-импульса в виде последовательности из двух РЧ-импульсов, в том числе и идентичных, Оба импульса обес1784887 печивают в выбранном слое поворот магнитных моментов ядер на требуемый угол, градиент Gz имеет разный знак, и для углов поворота 0= 180 прикладывают третий градиент Gz после второго РЧ-импульса. Моду- 5 ляция РЧ-импульса по способу-прототипу представлена на фиг,4, Качество выделейия слоя способом, предложенным в прототипе несколько выше, чем по известному аналогу, что подтверждается числейным модели- 10 рованием формы выделенного слоя при условии, что 0= 180 и оба идентичных РЧимпульса последовательности.смодулйро- " ваны согласно соотношению (1). В прототипе и в заявляемом споСобе 15 используются не дополнительные импульсы к основному РЧ-импульсу, а сам основйой импульс представляет композицию йз нескольких. При этом каждый импульс композиции отклоняет спины не на полный 20 требуемый угол, а лишь на часть его," и в соответствующей пропорции уменьшается амплитуда РЧ-импульсов композиций. по сравнению с одним импульсом. Результаты расчета приведеньг на фиг.5; где кривая 1- 25 форма выделенного слоя по способу-прото - " типу, кривая 2-форма выделенного слоя по .. описанному выше способу, Способ-прототип имеет преимущества перед предыдущими способами по средней тепловой 30 мощности, выделенной в теле, Однако, способ-прототип, не решает полностью задачу безопасности томаграфическога обследования людей, т.к, для:медицинской диагностики используютСя 35 томографы с различным значением индукции основного магнитного поля В0. При использовании томографов с индукцией основного поля В> = 2,35 Тл значение выде40 ленной средней тепловой мощности мажет возрасти до P = 2 Вт/кг, что является недопустимой величиной для безопасности па-. циента. Поэтому поиск способов получения

ЯМР-иэображения объекта, обеспечиваю45 щих допустимое значение выделенной в теле средней тепловой мощности, остается актуальным.

Цель изобретения — улучшение качества выделения плоского слоя и повышение безопасности томографического обследова- 50 ния. . Поставленная цель достигается тем,: что объект помещают в постаяннаемагнитное поле, имеющее только составляющую Bz = В, воздействуют на объект 55 селективным РЧ-магнитным импульсом, представляющим собой последовательность иэ трех идентичных РЧ-импульсов магнигного поля, действующего B плоскости, перпендикулярной направлению основного магнитного паля В> на резонансной частоте со =y В, соответствующей выбранному сорту ядер; одновременно с

РЧ-импульсам на основное магнитное поле

Во. накладывают дополнительное магнитное поле с градиентом Gz, при этом знак градиента Gz меняют на противоположный от импульса к импульсу последовательности; полный угол отклонения магнитных моментов выбранного сорта ядер, в равновесном состоянии ориентированных по направлению асновногб магййтного поля В, равен О, больший 900.

Импульсная последовательность, соответствующая предлагаемому способу, изображена на фиг.б.

Для доказательства улучшения качества выделенного слоя предлагаемым способам по сравнению с прототипом проведен расчет, основанный на решении уравнений

Блоха, описывающих поведение намагниченности в декартовой системе координат ч, . у, z,. вращающейся вокруг оси z с ларморовай частотой е =уВ0, В расчете угол отклонения магнитных моментов ядер ат равновесного состояния О принят равным 180", т.к. во-первых, наравне с О= 90 это наиболее распространенный в практике ЯМР-томографии угол отклонения, а во-вторых, при О 90 задача выделения слоя, по форме близкого к идеальному. с ростом Оусложняется, Результаты расчета показаны на фиг.7, где приведено распределение намагниченности ядер выделенного слоя в llpoeKции на ось z (координата z нормирована), кривая 1-форма слоя, выделенного по способу, принятому эа прототип, кривая 2форма слоя, выделенного предлагаемым способом. Отчетливо видно улучшение качества выделения слоя: форма слоя, выделенного предлагаемым способом, ближе к идеал ьнай.

Сравним по выделенной мощности предлагаемый способ с прототипом и прототип с другим способам, Средняя мощность РЧ-импульса пропорциональна квадрату его амплитуды и прямо пропорциональна длительности импульса. Для цилиндрического тела средняя мощность определяется по формуле (2) гртк где м> — частота РЧ импульса; R — радиус тела: о- проводимость ; р -" плотность тела;

Вх — амплитуда РЧ-импульса; т. — длитель1784887

10

О= у Вх, (3) Д 2 Вод гурт в (4) янной в теле пациента, При Во > 2 Тл

15 (во 100 МГц) в теле пациента может рассеиваться мощность, превышающая 0,4 Втl кг. что может заставить увеличить период следования РЧ-иМпульсов TR для снижения P. Приведем расчет Р по (4. 5) для

20 следующих типичных параметров: R = 0,17 м, o= 1,6 (Ом м), Ь. = 3 мм, Gz 10 Тл/м, Bo = 2,35 Тл (во 100 МГц), У= 4,257 х х 107 Гц/Тл.

По выражении {5) для известного спосо25 ба имеем

Во: и bz —"

Gz (5) 30

Р - 1/дх . ность РЧ-импульса; TR- период следования

РЧ-импул ьСов.

Учтем, что полный угол отклонения спинов Освязан с Bxо и t соогношением. где у- гиромагнитное отношение.

Окончательное выражение (2) перепишется в виде

Таким образом; снижение мощности в прототипе и предлагаемом способе достигается за.счет уменьшения амплитуды

РЧ-импульсов, хотя при этом общее время действия импульсов возрастает по сравнению с известным. Из расчета формы выделенного слоя можно определить важную характеристику импульса - безразмерную толщину выделенного слоя Bz связанную С реальной толщиной формулой

Для 0= 180 были получены значения

Bz> - 1,5 — для известного способа; д 2-3,8— для прототипа; доз 5,8- для предлагаемого способа. Для корректного сравнения способов будем считать, что выделяются одинаковые по абсолютной толщине слои, т.e, dz = Const, Gz - Const, Const, тогда из соотношения (2) при Gz = Const получим, используя выражение (4) Сравнивая мощности, выделенные при использовании прототипа и известного способа, получим;

Р1 д2 3,8 2 53 (7)

Р2 д„15

Сравнивая мощности, выделенные при использовании предлагаемого способа и прототипа, получим

P2 = z3 = 58 153 (8)

Рз дz 38

Таким образом получили, что способ выделения слоя описанный в прототипе, обеспечивает снижение выделенной средней тепловой мощности s 2,53 раза и более

55 по сравнению с другими способами. А выделение слоя в соответствии с предлагаемым способом обеспечивает снижение выделен- . ной тепловой мощности в 1,53 раза по сравнению с прототипом.

Величину средней тепловой мощности можно уменьшить и путем промежутков времени между импульсами TR, но это ограничивает пропускные возможности томографа, Уменьшение времени исследования в предлагаемом способе достигается за счет уменьшения тепловой мощности, рассеВ„о — G = 1 10- Тл о дх

Примем величийу TR -700 мс, характерную для однослойного сканирования. При таких параметрах Р - 0,4 Вт!кг, что соответствует пределу допустимой мощности. Для приведенных параметров время, затрачен-. ное на получение 1 томограммы с числом элементов 256 х 256 составляет

T=256TR Ns, . (6) где Йа — число накоплений томограмм для уменьшения шумов в сигнале, обычно Йа лежит в диапазоне от 2 до 16, Для томографов с уровнем поля Во > 2 Тл, Na = 4. При таких параметрах Т = 12 мин. Для полного обследования пациента необходимо получить от 10 до 20 томограмм, что потребует не менее 2 ч, Для сокращения времени обследования обычно применяют многослойное сканирование, когда одновременно возбуждают до 10 — 15 слоев. Для нашего случая одновременное возбуждение четырех слоев увеличивает P до величины 1,6 Втlкг, Применение предлагаемого способа снижает Р в 4 раза (йэ/Bz< - 3,9) и позволяет в данном случае в 4 раза сократить время обследования.

Приведенные расчетные данные подтве рждают эффект уменьшения времени об9 3784887 I0 следования для ЯМР-томографов с высоким работку и передачу данных, Далее, испольуровнем поля (Во 2 Тл. в, >100 МГц), для зуя ЭВМ, реконструируют изображение, томографов с полем Во40,5 Тл указанный получают ЯМР-томограмму выделенной чаэффект не проявляется, поскольку Р зависит сти объекта. ота квадратично, и безопасный предел Р, 5 Зкономический эффектдостигается при видимо, не будет превышен ни при каких использовании предлагаемого способа разумных параметрах обследования. получения ЯМР-томограмм на томографах

Для реализации предлагаемогоспособа с высоким уровнем основного магнитного объект помещают между полюсами магни- поля (Bo R 2 Тл, в 100 МГц) за счет та, внутренний размер которого должен 10 уменьшения времени исследования пацибыть не менее 600-800 мм. Магйитное поле ента и, следовательно, увеличения пропускустроено таким образом, что в нем сущест- ной способности SIMP- томографа. Для всех вуют линии равной напряженности Во. Для типов томографа эффект от использования возбуждения ядер с целью излученйя ими предлагаемого"способа проявляется в сигнала отклика воздействуют -на объект с. 15 улучшении качества ЯМР-томограммы, т.е, помощью РЧ-передатчика; катушка пере в повышении качества и надежности меди- датчика возбуждает в объекте РЧ-электро.- цинской диагностики. магнитные импульсы. Каждый импульс . Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я формируют в вйде последовательйостйтрех:: Способ селективного возбуждения идентичных РЧ-импульсов магнитного по- 20 ядерного магнитного резонанса при томогля,действующего вплоскости,перпендику- . рафическом обследовании, включающий лярной направлению основного магнитного.: воздействие йостоянного магнитного поля поля Вр на резонансной частоте в, соот- на исследуемйй объект, воздействие севетствующей выбранному сорту ядер. Для лективного радиочастотного (РЧ) элект.создания градиентов 6, Cy, Gz исйользу- 25 ромагнитного импульса, состоящего из ют градиентную систему, состоящую из. последовательности РЧ-импульсов, в плотрех градиентйых катушек, которые нева- скости, перпендйкулярйой направлению освисимо управляются 3ВМ и формируют Новного магнитного поля на резонансной внутри объекта меняющееся в простран- частоте, соответствующей выбранному сорстве и времени магнитное поле. Одно-. 30 ту ядер, при этом одновременно с РЧ имвременно с РЧ-импульсом на основное.: — пульсов на основное матйитйое попе магнитное поле Во накладывают дополни- накладывают дополнительное магнитное тельное магнитное поле с градиентом 6<, поле с постоянным градиентом, знак котопри этом знак градиента 6> меняют на poro меняется на йротивоположный от ймпротивоположный от импульса к импульсу 35 пульса к импульсу последовательности, о тпоследовательности, далее к объекту по-; лича ющийсятем,что,сцельюулучшения следовательно прикладывают градиенты - качества выделения плоского слоя объекта

Gx u Gy для кодировки величин, связанных и повышения безопасности томографичеC явлением ЯМР по координатам х и у в ского обследования за счет снижения средплоскости выделенного слоя. С помощью 40 ней тепловой мощности, поглощенной подсистемы сбора данных сигнал ЯМР ре- объектом при выделении плоского "слоя, сегистрируют, осуществляют преобразова- лективный РЧ-импульс формируют в виде ние сигнала SIMP из аналоговой формы в последовательности из трех идентичных цифровую, проводят предварительную об- РЧ-импульсов. ,ее

1784887

Фиг. Ф

1784887

Составитеаь С. Кочетовский

Редактор Т. Егорова Техред М.Моргентал Корректор А. Моть!ль

Заказ 4361 . Тираж Подписное

BHMYflM Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГККТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская на6„4/5

Производственно-издательский комбийат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101