RU2047871C1

RU2047871C1 - Magnetoresonant tomograph device

Info

Publication number: RU2047871C1
Application number: RU92013780A
Authority: RU
Inventors: А.П. Цитович
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: introscopy engineering based on nuclear magnetic resonance; medicine; biology physical and chemical research. SUBSTANCE: magnetoresonant tomograph device with pulse magnetic field has solenoid-type electromagnet 1 carrying main winding 2 and compensating winding 3; placed inside electromagnet are shimming (correcting) windings 4 and gradient windings 5; device also has capacitor bank 6 connected to charge current source 7 and discharged through main winding 2 of electromagnet 1 by means of discharger 8, nuclear magnetic resonance sensor 9 of magnetic field with tracking circuit 10, signal amplifying and passing circuit 11, shunt 12, compensating current source 13, frequency synthesizer 14, transmitter 15, high-frequency commutator 17, connecting high-frequency circuit 18 to transmitter 15 and to high-frequency amplifier (receiver) 16, two analog-to-digital converters 19 encoding nuclear magnetic resonance signal, three low-frequency gradient amplifiers 20 connected to gradient coils 5, control subsystem 21 generating main time sequences of processes in tomograph and coupled with computer 22 affording control, data storage, their processing, and display. EFFECT: average energy requirement reduced by orders of magnitude, facilitated servicing of device due to absence of superconducting systems, high speed and quality of tomograms obtained due to high strength of magnetic field. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к интроскопической технике, основанной на ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и может быть использовано в медицине, биологии и физико-химических исследованиях. The invention relates to an introscopic technique based on nuclear magnetic resonance (NMR) and can be used in medicine, biology and physico-chemical research.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 блок-схема ЯМР-датчика и следящей системы. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 is a block diagram of an NMR sensor and a tracking system.

Устройство магниторезонансного томографа с импульсным магнитным полем (фиг.1) содержит: электромагнит 1 соленоидального типа, имеющий две обмотки: основную обмотку 2 и компенсирующую обмотку 3, внутри электромагнита 1 расположены корректирующие обмотки 4; градиентные обмотки 5, накопительную конденсаторную батарею 6, соединенную с источником 7 зарядного тока, а разряжаемую через основную обмотку 2 электромагнита 1 с помощью разрядного блока 8; ЯМР-датчик 9 магнитного поля с блоком 10 слежения; блок 11 усиления и пропускания сигнала, шунт 12, источник 13 компенсирующего тока; синтезатор 14 частоты, передатчик 15; высокочастотный (в.ч.) коммутатор 17, соединяющий в.ч. контур 18 с передатчиком 15 и в.ч. усилителем (приемником) 16; два аналого-цифровых преобразователя 19, кодирующих ЯМР-сигнал; три градиентных низкочастотных усилителя 20, соединенные с градиентными катушками 5; блок 21 управления, вырабатывающий основные временные последовательности процессов в томографе и связанный с ЭВМ 22, обеспечивающий управление, накопление данных, их обработку, а также визуализацию. ЯМР-датчик 9 (фиг.2) состоит из сосуда 23 с резонирующей жидкостью, обмотки 24 в.ч. резонансного контура, а также обмотки 25 для создания н.ч. модуляции магнитного поля; усилителя 26 в. ч. колебаний, нагрузки 27 в.ч. контура, с которой снимается ЯМР-сигнал, усиливаемый в.ч. усилителем 28 и демодулируемый детектором 29; фазового детектора 30; н.ч. усилителя 31, на вход которого поступают модуляционные колебания от н. ч. генератора 32; интегратора 33, формирователя 34, элемента 34, элемента И 35. A magnetic resonance imaging device with a pulsed magnetic field (Fig. 1) contains: an electromagnet 1 of the solenoidal type having two windings: a main winding 2 and a compensating winding 3, correction electromagnets 4 are located inside the electromagnet 1; gradient windings 5, a storage capacitor bank 6 connected to a charging current source 7, and discharged through the main winding 2 of an electromagnet 1 using a discharge unit 8; NMR sensor 9 of a magnetic field with a tracking unit 10; block 11 amplification and transmission of the signal, shunt 12, the source 13 of the compensating current; frequency synthesizer 14, transmitter 15; high-frequency (r.h.) switch 17 connecting the r.h. circuit 18 with transmitter 15 and including amplifier (receiver) 16; two analog-to-digital converters 19 encoding an NMR signal; three gradient low-frequency amplifiers 20 connected to the gradient coils 5; control unit 21, which generates the main time sequences of processes in the tomograph and is connected to a computer 22, which provides control, data accumulation, processing, and visualization. The NMR sensor 9 (FIG. 2) consists of a vessel 23 with a resonating liquid, a winding of 24 vol.h. resonant circuit, as well as winding 25 to create n.ch. modulation of the magnetic field; 26v amplifier including vibrations, load 27 h contour from which the NMR signal is amplified, amplified by rf an amplifier 28 and a demodulated detector 29; phase detector 30; LF. amplifier 31, at the input of which modulation oscillations from n. including generator 32; integrator 33, shaper 34, element 34, element And 35.

Устройство магниторезонансного томографа с импульсным полем работает следующим образом. The device of a magnetic resonance imager with a pulsed field works as follows.

Перед проведением обследования пациента (фиг.1) заряжается накопительная конденсаторная батарея 6 от источника 7 зарядного тока. После достижения рабочего напряжения на конденсаторной батарее и при условии, что пациент готов к экспозиции, через подсистему управления включается тиратрон разрядного блока 8, при этом в основной обмотке электромагнита начинает нарастать ток, а в рабочей области появляется и увеличивается магнитное поле. Форма импульса магнитного поля определяется параметрами основной обмотки соленоида и накопительной емкости. В момент t₁, когда магнитное поле достигает магниторезонансного значения В_о cрабатывает ЯМР-датчик 9 магнитного поля и на его выходе появляется сигнал. Эти сигналом открывается блок 11 пропускания, через который с шунта 12 на источник 13 компенсирующего тока начинает поступать напряжение, имеющее форму импульса тока (и поля) основной обмотки. В результате в компенсирующей обмотке 3 создается поле В_ком в направлении, обратном полю основной обмотки. Схема регулируется так, что эти поля компенсируются и напряженность рабочего поля В_о остается постоянной до момента t₂, после которого источник 13 компенсирующего тока отключается.Before conducting a patient examination (Fig. 1), a storage capacitor bank 6 is charged from a charging current source 7. After reaching the operating voltage on the capacitor bank and provided that the patient is ready for exposure, the thyratron of the discharge unit 8 is turned on through the control subsystem, while the current begins to increase in the main winding of the electromagnet, and a magnetic field appears and increases in the working area. The shape of the magnetic field pulse is determined by the parameters of the main winding of the solenoid and the storage capacitance. At time t ₁ , when the magnetic field reaches the magnetic resonance value B, _an NMR sensor 9 of the magnetic field is triggered and a signal appears at its output. This signal opens the transmission unit 11, through which a voltage in the form of a current pulse (and field) of the main winding begins to flow from the shunt 12 to the source 13 of the compensating current. As a result, a field In _com in the direction opposite to the field of the main winding is created in the compensating winding 3. The circuit is regulated so that these fields are compensated and the intensity of the working field B _about remains constant until t ₂ , after which the source 13 of the compensating current is turned off.

Для обеспечения повышенной стабильности магнитного поля В_о между моментами t₁ и t₂ предусмотрен блок 10 слежения, управляемый ЯМР-датчиком, он выдает сигнал ошибки также на источник компенсирующего тока. Более детальное рассмотрение схемы слежения приводится ниже.To ensure increased stability of the magnetic field B _about between the moments t ₁ and t ₂ , a tracking unit 10 is provided, controlled by an NMR sensor, it also gives an error signal to the source of the compensating current. A more detailed discussion of the tracking scheme is given below.

За время экспозиции (t₁ t₂) выполняется типичная для ЯМР-томографа операция накопления информации от определенных сечений (слоев) тела пациента. ЭВМ 22 и блок 21 управления вырабатывают "быструю" последовательность импульсов в.ч. и градиентов магнитного поля, которые поступают на передатчик 15, усилители токов градиентных обмоток 20; возникающие в в.ч. контуре 18 ЯМР-сигналы после приемника 16 и кодирования аналого-цифровыми преобразователями 19 передаются в ЭВМ. Заметим, что дальнейшая обработка информации реконструкция изображения выполняется ЭВМ после ее накопления, т.е. вне интервала t₁ t₂.During the exposure time (t ₁ t ₂ ), the operation, typical of an NMR tomograph, of accumulating information from certain sections (layers) of the patient’s body is performed. The computer 22 and the control unit 21 generate a “quick” pulse train and magnetic field gradients, which are supplied to the transmitter 15, current amplifiers of the gradient windings 20; arising in circuit 18 NMR signals after the receiver 16 and encoding by analog-to-digital converters 19 are transmitted to the computer. Note that further information processing, image reconstruction, is performed by a computer after its accumulation, i.e. outside the interval t ₁ t ₂ .

Длительность рабочего интервала t₁ t₂ определяется временем, необходимым для получения и накопления ЯМР-информации. В современных методах с быстрым формированием изображения с ограниченным углом нутации, на которые в основном рассчитывается устройство, информация накапливается за время, меньшее 2,5 с.The duration of the working interval t ₁ t ₂ is determined by the time required to obtain and accumulate NMR information. In modern methods with fast image formation with a limited nutation angle, for which the device is mainly designed, information is accumulated in a time shorter than 2.5 s.

В данном устройстве интервал t₁ t₂ равен длительности уплощенной вершины импульса магнитного поля, которая составляет примерно 1/5 от полупериода Т/2 переходного процесса; компенсируемая величина ΔВ не превышает 5% от амплитуды резонансного значения поля В_о. Поэтому параметры цепи батарея конденсаторов основная обмотка магнита должны обеспечивать импульс тока длительностью Т/2 5 (t₁ t₂) и компенсирующая обмотка должна создавать компенсирующее поле с напряженностью не более 5% от резонансного значения поля В_о. Это означает, что энергия, поступающая от источника управляющего тока сравнительно невелика. Заметим, что индуктивность компенсирующей обмотки должна быть меньше индуктивности основной обмотки для того, чтобы следящая система успевала отрабатывать; это требование нетрудно выполнить.In this device, the interval t ₁ t ₂ is equal to the duration of the flattened peak of the magnetic field pulse, which is approximately 1/5 of the half-period T / 2 of the transient process; the compensated value ΔВ does not exceed 5% of the amplitude of the resonant value of the field In _about . Therefore, the parameters of the capacitor bank circuit of the main magnet winding should provide a current pulse of duration T / 2 5 (t ₁ t ₂ ) and the compensating winding should create a compensating field with an intensity of not more than 5% of the resonant value of the field In _about . This means that the energy coming from the control current source is relatively small. Note that the inductance of the compensating winding must be less than the inductance of the main winding so that the tracking system has time to work out; this requirement is not difficult to fulfill.

Распределение витков в компенсирующей обмотке магнита желательно иметь таким же, как в основной обмотке. Это важно для обеспечения высокой однородности поля в большом объеме. The distribution of turns in the compensating magnet winding is desirable to have the same as in the main winding. This is important to ensure high field uniformity in a large volume.

В структурной схеме ЯМР-датчика с элементами следящей схемы (фиг.2) от синтезатора 14 частоты на усилитель 26 в.ч. поступают резонансные в.ч. колебания с частотой f_о. Они усиливаются и подаются на в.ч. обмотку 24 контура ЯМР-датчика 9, внутри которой находится протонный образец сосуд 23 с водой; магнитное поле в.ч. обмотки перпендикулярно полю магнита B_о, совпадающему с осью Z. Поле В_о модулируется низкочастотными колебаниями (5-10 кГц). Для этого имеется модуляционная катушка, в которую поступают низкочастотные колебания от усилителя 31, питаемого от н.ч. генератора 32 модулирующей частоты. Таким образом, на протонный образец датчика воздействует в.ч. поле и модулированное стационарное поле B_o+B_m ^Isinω_н, где B_m ^I- амплитуда модулирующего поля, которая устанавливается так, чтобы ширина модуляционного окна 2B_m ^I была больше допустимой нестабильности поля. Тогда при нарастании импульсного поля магнита на выходе детектора 29, подключенного к в.ч. усилителю 28 будут наблюдаться ЯМР-сигналы. В том случае, когда поле точно соответствует резонансу и равно В_о, ЯМР-сигнал совпадает с фазой модулирующих колебаний ( φ= 0). Если же поле меньше или больше В_о, ЯМР-сигнал соответственно отстает или опережает момент, когда φ= 0 ЯМР-сигнал с выхода детектора 29 используется для решения двух задач: 1 для определения момента, когда нарастающее магнитное поле достигает значения В_о и 2 для стабилизации значения магнитного поля В_о в интервале измерения t₁ t₂.In the structural diagram of the NMR sensor with elements of the servo circuit (figure 2) from the frequency synthesizer 14 to the amplifier 26 v.h. resonant rf oscillations with a frequency f _about . They are amplified and served on the hour. winding 24 of the contour of the NMR sensor 9, inside of which there is a proton sample vessel 23 with water; magnetic field windings perpendicular to the field of the magnet B _o coinciding with the Z axis. The field B _{o is} modulated by low-frequency oscillations (5-10 kHz). To do this, there is a modulation coil, which receives low-frequency oscillations from the amplifier 31, powered by N. a modulating frequency generator 32. Thus, the proton sample of the sensor is affected by the r.h. field and modulated stationary field B _o + B _m ^I sinω _n , where B _m ^I is the amplitude of the modulating field, which is set so that the width of the modulation window 2B _m ^{I is} greater than the permissible field instability. Then, with an increase in the pulsed field of the magnet at the output of the detector 29, connected to the RF amplifier 28 will observe NMR signals. In the case when the field exactly corresponds to the resonance and is equal to B _o , the NMR signal coincides with the phase of the modulating oscillations (φ = 0). If the field is smaller or larger than B _о , the NMR signal is behind or ahead of the moment when φ = 0 the NMR signal from the output of the detector 29 is used to solve two problems: 1 to determine the moment when the increasing magnetic field reaches the value of B _about and 2 to stabilize the value of the magnetic field In _about in the measurement interval t ₁ t ₂ .

Для определения момента, когда нарастающее поле достигает В_о ЯМР-сигнал с детектора 29 поступает на элемент И 35, на второй вход которого приходит также импульс с выхода формирователя 34, подключенного к генератору н.ч. модуляционных колебаний. Этот импульс возникает в момент прохождения модуляционных колебаний через ноль. Поэтому элемент 35 И срабатывает, когда магнитное поле нарастает до значения В_о. Импульс "1" с выхода элемента 35 И открывает блок 11 усиления и пропускания сигнала (фиг.1) с выхода шунта 12, и в компенсирующую обмотку 3 начинает поступать ток от источника 13 управляющего тока.To determine the moment when the growing field reaches B _{about, the} NMR signal from the detector 29 enters the And 35 element, the second input of which also receives a pulse from the output of the former 34 connected to the low-frequency generator modulation oscillations. This impulse arises at the moment of passage of modulation oscillations through zero. Therefore, the element 35 and is triggered when the magnetic field increases to a value _of. The pulse "1" from the output of the element 35 And opens the block 11 amplification and transmission of the signal (Fig.1) from the output of the shunt 12, and the current from the source 13 of the control current begins to flow into the compensating winding 3.

Для осуществления стабилизации резонансного значения магнитного поля В_о ЯМР-сигнал также с выхода усилителя 29 поступает на фазовый детектор 30, на второй вход которого приходят н.ч. модуляционные колебания от усилителя 31. В результате на выходе подключенного к фазовому детектору интегратора 33 образуется сигнал ошибки ±U_ош, который также поступает на источник 13 управляющего тока 13 (фиг.1). Этим обеспечивается высокая стабильность резонансного значения поля В_о в интервале t₁ t₂.To stabilize the resonant value of the magnetic field B _{about, the} NMR signal also from the output of the amplifier 29 is fed to a phase detector 30, to the second input of which come n. modulation oscillations from the amplifier 31. As a result, an error signal ± _Ush is generated at the output of the integrator 33 connected to the phase detector, which also arrives at the source 13 of the control current 13 (Fig. 1). This ensures high stability of the resonant value of the field In _about in the interval t ₁ t ₂ .

Claims

1. DEVICE FOR MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPH, containing a resistive electromagnet, inside of which there is a main winding, correcting windings, gradient windings, a high-frequency circuit connected by a high-frequency switch to a transmitter or receiver, low-frequency amplifiers connected to the gradient windings and the analog output of the control unit, inputs connected to the outputs of the receiver, and outputs to the control unit connected to the computer and the transmitter, as well as a frequency synthesizer and NM a sensor with a tracking unit, characterized in that a storage capacitor bank, a charging current source, a controlled source of compensating current, a gain and transmission unit, a discharge unit with a shunt are inserted in it, a compensating winding is inserted into the resistive electromagnet, and the charging current source is connected to the capacitor the battery, which is connected to the main winding of the electromagnet, which is connected to the discharge unit connected to the control unit, the shunt through the amplification and transmission unit is connected to the controlled and the source of the compensating current, which is connected to the compensating winding, the tracking unit is connected to the NMR sensor of the magnetic field, with a controlled source of the compensating current, as well as with the amplification and transmission unit and with the frequency synthesizer.

2. The device according to claim 1, characterized in that the tracking unit with an NMR sensor is made in the form of two high-frequency amplifiers, a load, a high-frequency circuit, a demodulating detector, a phase detector, a low-frequency amplifier, a low-frequency generator, an integrator, a shaper and an element And, and The NMR sensor contains a vessel with a resonating liquid, a winding of a high-frequency resonant circuit, a winding for low-frequency modulation, the NMR sensor being connected to two high-frequency amplifiers, one of which is connected to the synthesis rum, and the second with a high-frequency detector connected to a phase detector, the second input of which is connected through a low-frequency amplifier to a low-frequency generator, the output of the phase detector through an integrator is connected to a controlled source of compensating current, the output of the detector is connected to the input of the element And, the second output of which is connected through the shaper with the output of the generator of low-frequency oscillations, and the output of the element And is connected to the amplification and transmission unit.