FI93060C - Laitteisto ja menetelmä magneettikuvaukseen - Google Patents

Description

1 93060

Laitteisto ja menetelmä magneettikuvaukseen. -Anläggning och förfarande för magnetbildtagning.

Keksinnön kohteena on laite ja menetelmä, jolla voidaan edullisesti ja tehokkaasti suorittaa magneettikuvausta käyttäen esipolarisoivaa kenttää.

Keksinnön mukainen laitteisto on esitetty kuvassa 1.

Sen keskeinen toimintaperiaate on kuvien 2 ja 3 mukainen.

Magneettikuvauksen periaatteet, mukaan lukien esipola-risoivan kentän käyttö, on esitetty amerikkalaisessa patentissa n:o 4,906,931, keksijä Raimo Sepponen, sekä sitä edeltävässä suomalaisessa patenttihakemuksessa.

Magneettikuvaus on nykyään yleisesti käytetty diagnostinen kuvausmenetelmä, joka antaa muihin modaliteet-teihin (röntgen, ultraääni) nähden ylivoimaisia tuloksia. Ainoa haittapuoli on laitteiston korkea hinta, tyypillisesti 5-20 miljoonaa markkaa. Näin ollen on tärkeätä keksiä menetelmiä, joilla hintaa saadaan alas.

Eräs tapa on suorittaa kuvaus matalammissa kentissä, koska laitteiston kalleinta komponenttia, magneettia, voidaan tällöin halventaa. Tällöin kuitenkin kuvien laatu kärsii, koska signaali, josta ne ovat lähtöisin, muuttuu kohinaisemmaksi. Kyseinen kuvasignaali, joka syntyy protonien resonanssista kuvauskentässä BQ on nimittäin verrannollinen protonien magnetisaatioon, . joka puolestaan on verrannollinen B0:aan. Jos kenttä näin ollen esimerkiksi puolitetaan, niin puoliintuu myös saavutettu signaali-kohinasuhde (s/n).

Pidentämällä kuvausaikaa tekijällä neljä, voidaan tämä kompensoida, mutta käytännössä tämä johtaa kuvattaville potilaille liian pitkiin aikoihin.

93060

Koska hyvää kuvanlaatua pidetään yleisesti hyvin tärkeänä, ovat useimmat kaupalliset laitteet varustettu kalliilla magneeteilla. Yleisin tyyppi on suprajohtava magneetti, jolla saadaan korkeimmat kentät, 0.5-2 Teslaa, mutta jotka ovat kaikkein kalleimpia valmistaa ja käyttää. Toiseksi yleisempiä ovat permanenttimag-neetit, kentän voimakkuus tyypillisesti 0.2 - 0.3 Teslaa.

Vähiten käytetään sähkömagneettia, mikä johtuu siitä, että sen vaatima teho ja jäähdytys tulevat hankaliksi korkeissa kentänvoimakkuuksissa. Tyypillisesti teho nousee nimittäin kymmeniin kilowatteihin yo. kentissä.

Sähkömagneetit voivat olla ilmasydämellisiä, kuten Sepposen patentin kuvassa, tai varustettu rautasydä-mellä. Tämä johtaa ilmaraossa olevan kuvausalueen kautta menevän magneettivuon napakengästä toiseen suljetun, raudasta tehdyn magneettipiirin kautta, jota ei ole kuviin piirretty. Rautamagneetin etu on ilma-sydämelliseen nähden pienempi tehovaatimus, mutta haittana on suurempi paino. Kun kenttää nostetaan, paino nousee nopeasti kymmeniin tonneihin, koska kiertävä vuo vaatii reitillään joka paikassa tarpeeksi ison poikkipinta-alan, jotta raudan kyllästysvuo, noin 1.6 - 1.8 Teslaa, ei ylittyisi.

Sepponen esittää patentissaan, miten voidaan rakentaa halpa ja hyvä kuvaussysteemi käyttäen ns. esipolari-soivaa kenttää. Tällöin kuva muodostetaan tunnetulla tavalla homogeenisessä ja stabiilissa kentässä BQ, joka voi olla kohtalaisen matala, esimerkiksi 0.05 - 0.1 Teslaa, jolloin se voidaan saada aikaan halvalla joko sähkö- tai kestomagneetilla. Ennen varsinaista kuvaus-tapahtumaa kenttää nostetaan hetkellisesti korkeampaan arvoon Bp, jolloin kuvauskohteen protonit magnetoituvat. Magnetoituminen tapahtuu exponentiaalisesti ajan

II

3 93060 funktiona, tyypilliset aikavakiot tälle ovat eri ihmis-kudoksissa luokkaa 0.1-1 sekuntia, mikä näin ollen myös on sopiva polarisointikentän kestoisuus. Esipola-risoinnin ansiosta protonimagnetisaatio kasvaa tekijällä noin Bp/B0, jolloin s/n on samaa luokkaa kuin laitteessa, jossa käytetään ainoastaan yhtä kentänvoimakkuutta, jos tämän arvoksi valitaan B .

p

Esipolarisoinnin etu tulee kahta kautta: ensinnäkin korkeata kenttää pidetään päällä ainoastaan osa ajasta, mikä säästää tehoa. Toiseksi B -kentän ei tarvitse

P

olla erityisen homogeenista, ja tämän ansiosta voidaan säästää lisää. Mikäli käytetään ilmasydämisiä sähkö-magneetteja voidaan Bp kehittää lisäkäämillä, joka samalla teholla kehittää enemmän kenttää kuin B -

O

magneetti, koska se voi olla pienempi. Tämä on esitetty Sepposen patentissa.

Uudessa keksinnössä allekirjoittanut esittää, miten esipolarisoivaa kenttää voidaan kehittää erityisen yksinkertaisella ja halvalla tavalla. Keksinnön mukainen magneetti on rautasydämellä varustettu sähkö-magneetti. Keksinnön toimintaperiaate ja eräät toteutusratkaisut käyvät ilmi oheisista piirroksista, joista - Kuva 1 esittää magneettikuvauslaitteistoa, jossa homogeeninen ja voimakkuudeltaan vakion magneettikentän synnyttää alumiinikeloilla ALC varustetut rautanapakengät IPP kuvauskohteen P yli. Laitteis-. toon kuuluu myös gradienttikelastot GC, joihin on ’ liitetty teholähteistö GPS sekä radiotaajuuskelastot RFC ja niihin kytketty radiotaajuuslähetin ja -vastaanotin RFX. Teholähde MPS syöttää tarvittavan virran homogeenisen magneettikentän saavuttamiseksi alumiinikeloille ALC. Sekä gradienttikelastojen « 93060 teholähteistöä GPS, radiotaajuuslähetintä ja -vastaanotinta RFX sekä gradienttikelastojen teholähteistöä GPS ohjaa keskusprosessori CPU, joka on edelleen ohjattavissa konsolista C.

- Kuva 2 esittää alumiinikelojen ALC:n synnyttämää homogeenista magneettikenttää B0 rautanapakenkien IPP:n välissä erään suoritusmuodon mukaan.

- Kuva 3 esittää alumiinikelojen ALC:n synnyttämää esipolarisaatiokenttää Bp keksinnön mukaisesti muotoiltujen rautanapakenkien IPP:n välissä, kun virtaa nostetaan alumiinikeloissa.

Kuvauskenttä B_ on esimerkiksi suuruusluokkaa 0.05 - 0.2 Teslaa. Kuvassa 2 esitetään kentän muoto napa-kenkien IPP välissä. Kenttä B0 saadaan homogeeniseksi valitsemalla napakengille IPP sopiva muoto. Ne ovat karkeasti yhdensuuntaisia tasoja, kuitenkin niin, että kenttää BQ on hienosäädetty antamalla kengille IPP sopiva, jonkin verran tasosta poikkeava profiili (Kuva 2). Tyypillisesti ilmaväli on pienin navan reunalla ja muuttuu kerran pari oskilloiden väljemmäksi mentäessä kohti magneetin keskipistettä. Näin voidaan magneetin keskelle aikaansaada likimain pallomainen kuvausalue magneetin keskelle, jonka halkaisija on noin puolet napavälistä ja jossa kentällä on tarpeellinen homogeenisuus (vakio muutaman kymmenen miljoonasosan tarkkuudella).

• Kun magneetin käämeissä ALC (Al-coil), jotka voivat olla esim. alumiininauhasta tai kuparilangasta, nostetaan virtaa, kasvaa kenttä saaden arvon Bp (Kuva 3).

Samalla napakengän IPP reunat käämien ALC:n päällä olevilta osiltaan kyllästyvät, ne ovat nimittäin • l! : 95060 keksinnön mukaisesti rakennettu niin, että kentän arvolla BQ ne ovat lähellä kyllästymistään. Tällöin kenttäprofiili muuttuu niin, että BQ:n yli menevältä osaltaan profiili on kuvan 3 mukainen. Nyt nimittäin reunat eivät enää levitä lisävuota kohti ilmaraon reuna-aluetta, joten kenttä on entistä paremmin keskittynyt. Annetulla vuomäärällä saadaan siten kuvausalueella vahvempi kenttä. Uusi kenttäprofiili ei tosiaan ole yhtä homogeeninen kuin B0-kentällä, mutta B -kentälle se riittää mainiosti. Uusi keksintö siis p tunnetaan siitä, että Bp-kentän aikaansaava magneettivuo osittain tai kokonaan kyllästää ferromagneettisen aineen, jonka kautta se kulkee siten, että Bp-kenttä tämän ansiosta voimistuu.

Seuraavassa esitämme esimerkin muodossa keksinnön mukaisen magneettikuvauslaitteen magneetin.

Jos valitsemme kuvauskohteeksi ihmisen pään, niin sopiva kuvaustilavuus on 24 cm halkaisijaltaan oleva pallo. Tällöin napakenkien väliksi pitää valita n. 45 cm ja halkaisijaksi n. 96 cm. Lisäksi valitsemme BQ-kentän arvoksi 0.1 Teslaa. Tietokonelasku osoittaa, että napakenkien välillä kiertävä vuo tällöin on n.

0.12 Weberiä. Kun kenttää nostetaan arvoon B_ = 0.2 Teslaa, kiertävä vuo kasvaa määrällä 0.06 Weberiä.

Polarisoiva kenttäpulssi voi sopivasti olla esim. 0.3 s pituinen niin, että se on puolen sinijakson muotoinen. Tarvittava jännite on kosinimotoinen ja sen alkuarvo on π x 0.06 Vs / 0.03 s kertaa kelojen kierrosmäärä.

«

Sopiva kierrosmäärä on esimerkiksi 600, jolloin jänni-tepulssin huippuarvo on 377 V. Tällä kierrosmäärällä tarvitaan n. 30-35 A 0.1 T:n kentälle. Kuvien mukaisten alumiinikäämien resistanssiksi tulee n. 1 ohmi.

• 93060

Magneetin tarvitsema rautamäärä saadaan kokonaisvuosta, 0.18 Wb. Valitsemalla keskimääräiseksi vuon tiheydeksi 1.6 T, saadaan tarvittavaksi rautamääräksi 4200 kg.

Koska pulssikentän muoto ei ole kriittinen, voidaan saturaatiovuontiheydeksi kenties valita vielä isompi arvo kuin 1.6 T.

Näemme, että keksinnön etu esimerkkitapauksessa on pulssijännitteen säästö tekijällä n. 2 ja rautamassan säästö tekijällä 1.5 tai enemmän.

« li

Claims (7)

1. 93060
2. 1. Laitteisto magneettikuvaukseen, johon kuuluu rauta-sydämellä (IPP) varustettu magneetti, jonka napakenkien välissä on ilmarako kuvauskohteen sijoittamista varten, jolloin mainittuun ilmarakoon synnytetään kuvauksessa tarvittava homogeeninen magneettikenttä (B0) sekä esi-polarisaatiossa käytetty voimakkaampi magneettikenttä (Bp), tunnettu siitä, että napakengät (IPP) on muotoiltu siten, että kuvauskentän voimakkuudella (Bo) napakenkien reunavyöhykkeet ovat lähellä kyllästymis-tään ja esipolarisaatioon käytetyllä kentänvoimakkuudella (Bp) mainitut reunavyöhykkeet kyllästyvät, jolloin esipolarisaation ajaksi lisätty magneettivuo sijoittuu oleellisesti napakenkien keskialueelle.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnet-t u siitä, että mainitut magneettikentät (Bo ja Bp) synnytetään virtakäämeillä (ALC).
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, tunnet- t u siitä, että mainitut magneettikentät (B0 ja Bp) synnytetään samalla virtakäämillä (ALC). ,1 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että homogeeninen magneettikenttä (B0) synnytetään kokonaan tai osittain kestomagneettien avulla.
5. 5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että käämit (ALC) on sijoitettu napakenkien ! (IPP) ympärille olennaisesti mainittujen kyllästyvien reunavyöhykkeiden kohdalle, jolloin käämien ja ilmaraon välinen matka on valittu riittävän pieneksi, jotta mainittu kyllästyminen tapahtuu. · t 93060
6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnet- t u siitä, että mainitun reunavyöhykkeen pinta-ala on ainakin 30 %, sopivimmin noin 50 % tai enemmän mainitun ilmaraon pinta-alasta.
7. 7. Magneettikuvausmenetelmä, jossa kuvauskenttä (B0) ja ns. esipolarisaatiokenttä (Bp) synnytetään sähkömagneetilla sen napakenkien väliseen ilmarakoon, tunnettu siitä, että sähkömagneetin virtaa hetkellisesti lisäämällä kentän voimakkuutta kasvatetaan ainoastaan napakenkien keskialueella esipolarisaatiokentän voimakkuuteen (Bp) samalla kun napakenkien (IPP) reuna-alueiden kyllästyminen rajoittaa kentän voimakkuuden kasvua mainituilla reuna-alueilla. Il 93060