RU2063702C1 - Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment - Google Patents
Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2063702C1 RU2063702C1 SU5068091A RU2063702C1 RU 2063702 C1 RU2063702 C1 RU 2063702C1 SU 5068091 A SU5068091 A SU 5068091A RU 2063702 C1 RU2063702 C1 RU 2063702C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- unit
- electronic
- output
- pulse
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к реконструктивной вычислительной томографии и может быть эффективно использовано для медицинской диагностики и неразрушающего контроля диэлектрических материалов. The proposed solution relates to reconstructive computed tomography and can be effectively used for medical diagnostics and non-destructive testing of dielectric materials.
Известен способ магнитно-резонансной томографии (МР-томографии), заключающийся в помещении исследуемого объекта в постоянное магнитное поле, воздействии на него радиоимпульсами и импульсами градиентов магнитного поля для возбуждения сигналов ядерного магнитного резонанса, цифровой регистрации этих сигналов, математической реконструкции изображения в выбранном сечении с помощью ЭВМ и визуализации полученного изображения (см. например, Сорока П. М. "Интроскопия на основе ЯМР", Москва, Энергоатомиздат, 1986. Чжо 3.Х. и др. "Томография на основе ЯМР с преобразованием Фурье", ТИИЭР, 1982, т.70, п. 10, смотрите также: В.М.Уткин, "Способ томографии на основе ядерного магнитного резонанса". Авторское свидетельство СССР N 1543317, кл. G 01 N 24/08, приоритет от 23.06.87). A known method of magnetic resonance imaging (MRI tomography), which consists in placing the test object in a constant magnetic field, exposing it to radio pulses and pulses of magnetic field gradients to excite nuclear magnetic resonance signals, digital recording of these signals, mathematical reconstruction of the image in the selected section with using computers and visualization of the obtained image (see, for example, Soroka P. M. "Introscopy based on NMR", Moscow, Energoatomizdat, 1986. Zhuo 3.Kh. et al. "Tomography based on f NMR with Fourier transform ", TIIER, 1982, v.70, p. 10, see also: V. Utkin," Method of tomography based on nuclear magnetic resonance ". USSR author's certificate N 1543317, CL G 01 N 24 / 08, priority from 06.23.87).
В наиболее распространенной на практике модификации известного способа для возбуждения сигналов от исследуемого объекта используют следующие импульсы:
90-градусный радиочастотный импульс с ориентацией вектора перпендикулярно направлению магнитного поля при наличии селективного градиента магнитного поля по оси Z,
фазокодирующий градиент магнитного поля по оси Y (циклически изменяемый по амплитуде после запуска очередного 90-градусного радиоимпульса),
180-градусный импульс или используют знакопеременные градиенты для формирования сигнала спинового эха,
частотокодирующий градиент магнитного поля по оси X с одновременной цифровой регистрацией эхо-сигнала.In the most common modification of the known method in practice, the following pulses are used to excite signals from the object under study:
90-degree radio frequency pulse with the orientation of the vector perpendicular to the direction of the magnetic field in the presence of a selective gradient of the magnetic field along the Z axis,
phase-coding magnetic field gradient along the Y axis (cyclically changing in amplitude after the start of the next 90-degree radio pulse),
180 degree pulse or use alternating gradients to form a spin echo signal,
frequency-coding magnetic field gradient along the X axis with simultaneous digital registration of the echo signal.
Указанная последовательность образует единый структурный импульс, эти импульсы подаются периодически, т.е. формируется поток (последовательность) импульсов, каждый из которых имеет указанную выше структуру. Отклики объекта на воздействие каждого структурного импульса (сигналы эха) построчно накапливаются в памяти ЭВМ, образуя цифровую рабочую матрицу, далее двумерным преобразованием Фурье она преобразуется в матрицу изображения (см. техническое описание "MAGNAVIEW MR-Imaging system", фирма Инструментариум, Финляндия, июнь 1989 год). The indicated sequence forms a single structural impulse, these impulses are given periodically, i.e. a stream (sequence) of pulses is formed, each of which has the structure indicated above. The object’s responses to the influence of each structural impulse (echo signals) are accumulated line by line in the computer memory, forming a digital working matrix, then it is converted into an image matrix by the two-dimensional Fourier transform (see the technical description "MAGNAVIEW MR-Imaging system", Instrumentarium company, Finland, June 1989 year).
Описанный способ наиболее близок по своей технической сущности к предлагаемому техническому решению и потому выбирается в качестве прототипа. The described method is closest in its technical essence to the proposed technical solution and therefore is selected as a prototype.
Недостаток способа-прототипа применительно к медицинской диагностике заключается в том, что он не позволяет достаточно уверенно различать ткани, находящиеся в норме и в патологии, что существенно снижает диагностические возможности, этот недостаток обусловлен тем, что нормальные и патологические ткани хотя и имеют различный химический состав и разный состав парамагнитных примесей (свободно-радикальных центров, металлоферментов и др.), однако эти ткани весьма сходны именно по тем физическим характеристикам, которые используются в способе-прототипе. Томограмма прототипа показывает внутреннее строение изучаемых объектов, однако изображение отражает внутреннее отличие в исследуемой среде лишь по протонной плотности и временам релаксации. Патологические же изменения тканей (особенно на начальной стадии), как правило, проходят на химическом уровне без изменения протонной плотности и времен релаксаций. В способе-аналоге отсутствует возможность избирательно выделять те участки в биологической среде, которые сходны по протонной плотности и временам ралаксации, но насыщены различными свободными радикалами и металлоферментами. The disadvantage of the prototype method in relation to medical diagnostics is that it does not allow for confident enough to distinguish between normal and pathological tissues, which significantly reduces diagnostic capabilities, this disadvantage is due to the fact that normal and pathological tissues, although they have different chemical composition and different composition of paramagnetic impurities (free radical centers, metal enzymes, etc.), however, these tissues are very similar precisely in those physical characteristics that are used in It is the prototype. The tomogram of the prototype shows the internal structure of the studied objects, but the image reflects the internal difference in the studied medium only in proton density and relaxation times. Pathological changes in tissues (especially at the initial stage), as a rule, take place at the chemical level without changing the proton density and relaxation times. In the analogue method, it is not possible to selectively select those areas in the biological medium that are similar in proton density and relaxation times, but are saturated with various free radicals and metal enzymes.
Следовательно, известный способ не позволяет различать участки объектов, имеющих малое отличие протонной плотности и малое отличие времен релаксаций, в которых, однако, различается химический состав и состав парамагнитных примесей. Известно, что одинаковые времена релаксации могут быть обеспечены разными парамагнитными примесями, такие недостатки существенно ограничивают диагностические возможности в медицинской практике. Therefore, the known method does not allow to distinguish between sites of objects having a small difference in proton density and a small difference in relaxation times, in which, however, the chemical composition and composition of paramagnetic impurities are different. It is known that the same relaxation times can be provided by different paramagnetic impurities; such shortcomings significantly limit the diagnostic possibilities in medical practice.
Технический эффект, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в возможности выделять и различать участки тканей, находящихся в норме и патологии. Кроме этого, предлагаемый способ позволяет в ряде случаев либо существенно сократить время накопления томограммы, либо использовать магнитные поля более низкой напряженности и экономить энергозатраты. The technical effect achieved in the proposed method consists in the ability to isolate and distinguish parts of tissues that are normal and pathological. In addition, the proposed method in some cases can either significantly reduce the accumulation time of the tomogram, or use magnetic fields of lower intensity and save energy.
Указанный технический эффект достигается тем, что в способе МР-томографии, заключающемся в помещении объекта в постоянное магнитное поле, воздействии на объект радиоимпульсами возбуждения сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и импульсными градиентами магнитного поля по трем взаимно-перпендикулярным осям, регистрации сигналов спинового эха, реконструировании изображения в выбранном сечении и визуализации реконструированного изображения, дополнительно воздействуют на объект высокочастотным импульсом возбуждения электронных состояний. Это воздействие выполняют непосредственно перед воздействием радиоимпульса, возбуждающего сигнал ЯМР. Кроме этого, предлагается в процессе исследования изменять частоту вновь введенного импульса и идентифицировать характер патологии в зависимости от того, на какой частоте импульса возбуждения тех или иных электронных состояний зафиксировано наличие реакции объекта. Далее, предлагается вариант способа, при котором во время действия вновь введенного высокочастотного импульса дополнительно вводят импульс постоянного магнитного поля, который уменьшает на это время напряженность суммарного постоянного магнитного поля. The indicated technical effect is achieved by the fact that in the method of MR imaging, which consists in placing an object in a constant magnetic field, exposing the object to radio pulses of excitation of nuclear magnetic resonance (NMR) signals and pulsed magnetic field gradients along three mutually perpendicular axes, recording spin echo signals , reconstructing the image in the selected section and visualizing the reconstructed image, additionally affect the object with a high-frequency excitation pulse x states. This effect is performed immediately before exposure to a radio pulse exciting the NMR signal. In addition, it is proposed in the research process to change the frequency of the newly introduced pulse and to identify the nature of the pathology depending on what frequency of the excitation pulse of one or another electronic state is detected by the presence of the reaction of the object. Further, a variant of the method is proposed in which, during the action of the newly introduced high-frequency pulse, a constant magnetic field pulse is additionally introduced, which reduces the intensity of the total constant magnetic field by this time.
И наконец, предлагается вариант, при котором в исследуемый объект (организм пациента) перед накоплением МР-томограммы вводят вещества, содержащие электронные парамагнитные центры, на которые с целью изменения локальной протонной поляризации воздействуют импульсом вожбуждения электронных состояний. And finally, a variant is proposed in which substances containing electronic paramagnetic centers are injected into the studied object (patient’s body) before the MR tomogram is accumulated, which are affected by an excitation pulse of electronic states in order to change the local proton polarization.
Сопоставление вновь предложенного способа МР-томографии с известными аналогами и прототипом позволяет утверждать, что введенные отличительные признаки (наличие дополнительного высокочастотного воздействия на электронные состояния и размещение его во времени непосредственно перед возбуждением спинового эха) ранее не были известны и, таким образом, предлагаемый способ МР-томографии отвечает критерию "новизна". Comparison of the newly proposed method of MRI tomography with known analogues and prototype allows us to state that the distinguishing features introduced (the presence of additional high-frequency effects on electronic states and its placement in time immediately before the excitation of the spin echo) were not previously known and, thus, the proposed MR method tomography meets the criterion of "novelty."
Введенное дополнительное воздействие осуществляет резонансное возбуждение электронных спиновых состояния только определенных молекул металлоферментов, свободнорадикальных центров или других парамагнитных центров, требуемых для целей диагностики. The introduced additional effect provides resonant excitation of electronic spin states of only certain molecules of metal enzymes, free radical centers, or other paramagnetic centers required for diagnostic purposes.
Из сказанного следует, что предлагаемый способ МР-томографии, основанный на изменении поляризации ядер из-за возбуждения электронных состояний, имеет иное распределение интенсивности получаемых изображений, чем это характерно для прототипа и аналогов. Следовательно, он обеспечивает возможность получать принципиально новую информацию о жизнедеятельности живых объектов. From the foregoing, it follows that the proposed method of MRI tomography, based on a change in the polarization of nuclei due to the excitation of electronic states, has a different intensity distribution of the images obtained than is typical for the prototype and analogues. Therefore, it provides an opportunity to receive fundamentally new information about the vital activity of living objects.
Введение указанных выше отличительных признаков позволяет достичь качественно нового технического эффекта, который заключается в возможности идентификации участков ткани, находящихся в патологии, несмотря на то, что по протонной плотности и по ряду других физических характеристик эти ткани сходны с аналогичными характеристиками нормальных тканей. Таким образом, предлагаемый способ отвечает критерию "изобретательский уровень". The introduction of the above distinguishing features allows us to achieve a qualitatively new technical effect, which consists in the possibility of identifying areas of tissue that are in pathology, despite the fact that these tissues are similar to similar characteristics of normal tissues in terms of proton density and a number of other physical characteristics. Thus, the proposed method meets the criterion of "inventive step".
Известно устройство для МР-томографии, содержащее блок электромагнитных катушек, имеющий катушки основного магнитного поля, радиочастотную катушку и катушки для линейных и нелинейных градиентов магнитного поля по осям X, Y, Z, блок управления током катушки основного магнитного поля, связанный с блоком электромагнитных катушек, блок управления градиентами магнитного поля, выход которого подключен к блоку электромагнитных катушек, пассивный коммутатор, соединенный с радиочастотной катушкой, выход которого последовательно соединен с усилителем, аналого-цифровым преобразователем, блоком буферной памяти и вычислительным блоком, связанным с блоком визуального отображения, блоком формирования запускающих импульсов который подключен к блоку формирования радиоимпульсов возбуждения сигналов спинового эхо, связанного через блок усилителя мощности с пассивным коммутатором, и к блоку формирования импульсных градиентов, включающего многоканальный цифроаналоговый преобразователь, связанный с вычислительным блоком, выход которого подключен к входу блока управления градиентами магнитного поля (см. техническое описание "MAGNAVIEW MR-Imaging system", фирма "Инструментариум", Финляндия, июнь 1989 год). A device for MR imaging is known, comprising a block of electromagnetic coils having a main magnetic field coil, a radio frequency coil and coils for linear and non-linear magnetic field gradients along the X, Y, Z axes, a current control unit of the main magnetic field coil associated with the electromagnetic coil block , a control unit for the gradients of the magnetic field, the output of which is connected to the block of electromagnetic coils, a passive switch connected to a radio frequency coil, the output of which is connected in series with the amplifier an amplifier, an analog-to-digital converter, a buffer memory unit, and a computing unit associated with a visual display unit, a trigger pulse generating unit that is connected to a spin echo excitation signal generating unit connected via a power amplifier unit with a passive switch, and to a pulse gradient generating unit including a multi-channel digital-to-analog converter connected to a computing unit, the output of which is connected to the input of the gradient control unit by the magnetic-field (see Fig. technical description "MAGNAVIEW MR-Imaging system", Instrumentarium company, Finland, June 1989).
Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает возможности уверенно различать участки, находящиеся в норме и патологии. Этот недостаток обусловлен тем, что устройство реализует упомянутый выше способ-прототип, в то время как нормальные и патологические ткани различаются во многих случаях по химическому составу, т.е. по концентрации и наличию тех или иных электронных парамагнитных центров. A disadvantage of the known device is that it does not provide the ability to confidently distinguish between areas that are normal and pathological. This disadvantage is due to the fact that the device implements the prototype method mentioned above, while normal and pathological tissues differ in many cases in chemical composition, i.e. by the concentration and presence of certain electronic paramagnetic centers.
Технический эффект, достигаемый предлагаемым устройством, реализующим описанный выше способ, заключается в возможности идентификации патологических тканей. The technical effect achieved by the proposed device that implements the above method is the ability to identify pathological tissues.
Предлагаемое устройство содержит блок электромагнитных катушек, имеющий катушку основного магнитного поля, радиочастотную катушку и катушки для линейных и нелинейных градиентов магнитного поля по осям X, Y, Z. Далее, оно содержит блок управления током катушки основного магнитного поля, связанный с блоком электромагнитных катушек, блок управления градиентами магнитного поля, выход которого подключен к блоку электромагнитных катушек, последовательно соединенные пассивный коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти и вычислительный блок. Вычислительный блок связан с блоком визуального отображения, блоком формирования интервалов возбуждения эхо-сигналов и блоком формирования градиентов магнитного поля. Блок формирования интервалов возбуждения эхо-сигналов подключен ко входу цепи из последовательно соединенных программируемого генератора импульсов, блока управления передатчиком и передатчика. Выход передатчика подключен к пассивному коммутатору. Блок формирования градиентов магнитного поля через многоканальный цифроаналоговый преобразователь и блок усилителей связан с входом блока управления градиентами магнитного поля. The proposed device contains a block of electromagnetic coils, having a coil of the main magnetic field, a radio frequency coil and coils for linear and nonlinear gradients of the magnetic field along the axes X, Y, Z. Further, it contains a current control unit of the coil of the main magnetic field associated with the block of electromagnetic coils, magnetic field gradient control unit, the output of which is connected to a block of electromagnetic coils, a passive switch, an amplifier, an analog-to-digital converter, a buffer unit are connected in series molecular memory and computing unit. The computing unit is connected to the visual display unit, the unit for generating intervals of the excitation of the echo signals and the unit for forming the gradients of the magnetic field. The block for generating intervals of excitation of echo signals is connected to the input of the circuit from a series-connected programmable pulse generator, transmitter control unit, and transmitter. The transmitter output is connected to a passive switch. The unit for forming magnetic field gradients through a multi-channel digital-to-analog converter and amplifier unit is connected to the input of the control unit for magnetic field gradients.
Помимо перечисленных признаков, общих с прототипом, в предложенное устройство введен блок возбуждения электронных состояний, вход которого соединен с выходом вычислительного блока, а выход связан с блоком электромагнитных катушек. In addition to the listed features common with the prototype, an electronic state excitation unit is introduced into the proposed device, the input of which is connected to the output of the computing unit, and the output is connected to the block of electromagnetic coils.
Сопоставление с прототипом и с другими известными устройствами показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием блока возбуждения электронных состояний и его связями с остальными блоками. Таким образом, предложенное устройство отвечает критерию "новизна". Comparison with the prototype and with other known devices shows that the proposed device is characterized by the presence of a block of excitation of electronic states and its connections with other blocks. Thus, the proposed device meets the criterion of "novelty."
Введение указанных выше отличительных признаков, позволяет реализовать дополнительное избирательное воздействие (см. описанный выше способ) и тем самым достичь требуемого технического эффекта возможности идентифицировать патологические ткани. The introduction of the above distinguishing features allows you to implement additional selective effects (see the method described above) and thereby achieve the desired technical effect of the ability to identify pathological tissues.
Кроме того, предлагаются варианты построения блоков устройства. In addition, options for constructing device blocks are offered.
Блок возбуждения электронных состояний содержит модуль формирователя высокочастотного импульса, содержащего синтезатор частот с цифровым управлением задаваемых частот и усилитель мощности радиоимпульса, управляющий вход которого соединен с выходом синтезатора, при этом управляющий вход синтезатора является общим входом блока возбуждения электронных состояний. The electronic state excitation unit contains a high-frequency pulse generator module containing a frequency synthesizer with digital control of the set frequencies and a radio pulse power amplifier, the control input of which is connected to the output of the synthesizer, while the control input of the synthesizer is a common input of the electronic state excitation block.
В общем случае блок возбуждения электронных состояний может дополнительно содержать модуль импульсов тока, вход которого соединен с выходом вычислительного блока, а выход соединен с блоком электромагнитных катушек. Предлагаемое техническое решение содержит цифроаналоговый преобразователь и формирователь импульса тока, управляющий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, при этом вход цифроаналогового преобразователя является общим входом блока возбуждения электронных состояний. In the General case, the block of excitation of electronic states may additionally contain a module of current pulses, the input of which is connected to the output of the computing unit, and the output is connected to the block of electromagnetic coils. The proposed solution contains a digital-to-analog converter and a current pulse generator, the control input of which is connected to the output of the digital-to-analog converter, while the input of the digital-to-analog converter is a common input of the electronic state excitation unit.
Блок электромагнитных катушек дополнительно содержит высокочастотную индуктивность возбуждения электронных состояний, а также (в общем случае) дополнительно содержит индуктивную обмотку для уменьшения постоянного магнитного поля. The block of electromagnetic coils additionally contains a high-frequency inductance for exciting electronic states, and also (in the general case) additionally contains an inductive winding to reduce the constant magnetic field.
Сущность предложения поясняется чертежами. The essence of the proposal is illustrated by drawings.
На фиг. 1 7 приведены эпюры подаваемых на объект импульсов и сигнала эха, которые представлены в требуемой последовательности во времени (t-время) и циклически повторяются при накоплении цифровой матрицы. In FIG. Figures 1–7 show plots of pulses and an echo signal supplied to an object, which are presented in the required sequence in time (t-time) and are cyclically repeated when the digital matrix is accumulated.
На фиг. 1 представлен подаваемый на объект уровень постоянного магнитного поля, которыйв общем случае из-за подачи импульса тока может быть уменьшен в несколько раз на период подачи импульса возбуждения электронных состояний. In FIG. Figure 1 shows the level of a constant magnetic field supplied to the object, which in the general case, due to the supply of a current pulse, can be reduced by several times by the period of supply of an electronic state excitation pulse.
На фиг. 2 представлена эпюра высокочастотного импульса J (вч) для избирательного воздействия на электронные состояния. In FIG. Figure 2 shows a plot of a high-frequency pulse J (rf) for selective action on electronic states.
На фиг. 3 дана эпюра радиочастотного 90-градусного импульса J (рч) для поворота вектора ядерной намагниченности. In FIG. Figure 3 is a plot of a 90-degree radio frequency pulse J (rf) for rotating the nuclear magnetization vector.
На фиг. 4 дана эпюра градиента магнитного поля Gх по оси X, этот градиент обеспечивает частотное кодирование составляющих исследуемой области (индекс i), необходимое для восстановления изображения по одной из координат. In FIG. Figure 4 shows a plot of the gradient of the magnetic field Gx along the X axis, this gradient provides the frequency coding of the components of the studied region (index i), necessary to restore the image from one of the coordinates.
На фиг. 5 представлена эпюра градиента магнитного поля Gyj по оси Y, величина этого градиента циклически изменяется после подачи очередного радиоимпульса. Градиенты по этой оси обеспечивают фазовое кодирование (индекс j), необходимое для восстановления изображения по второй координате. In FIG. Figure 5 shows a plot of the magnetic field gradient Gyj along the Y axis; the magnitude of this gradient cyclically changes after the next radio pulse is applied. Gradients along this axis provide phase coding (index j), which is necessary for reconstructing the image from the second coordinate.
На фиг. 6 дана эпюра градиента магнитного поля Gz по оси Z, градиент по этой оси используется для выделения исследуемого слоя в выбранном сечении (фиксация третьей координаты). In FIG. Figure 6 shows the plot of the magnetic field gradient Gz along the Z axis, the gradient along this axis is used to highlight the layer under study in the selected section (fixing the third coordinate).
На фиг. 7 представлена эпюра ЯМР сигнала Sj(t), который подается на амплитудно-цифровой преобразователь для цифровой регистрации очередной строки исходной матрицы-изображения. In FIG. 7 shows the NMR plot of the signal Sj (t), which is fed to an amplitude-to-digital converter for digitally recording the next row of the original image matrix.
На фиг. 8 представлена структурная схема предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ. In FIG. 8 presents a structural diagram of the proposed device that implements the proposed method.
Устройство содержит блок электромагнитних катушек 1 (фиг. 8), включающий катушку основного магнита, радиочастотную катушку и катушки создания линейных и нелинейных градиентов магнитного поля по осям X, Y, Z, предназначенный для помещения в его внутреннее пространство исследуемого объекта; блок 2 управления током катушки основного магнита, предназначенный для подержания напряженности постоянного магнитного поля заданного уровня; блок 3 управления градиентами магнитного поля вдоль осей X, Y и Z; пассивный коммутатор 4; усилитель и преобразователь сигналов ЯМР 5, управляющий электронно-вычислительный блок (ЭВМ) 6, блок визуального отображения 7; блок 8 формирования радиоимпульсов возбуждения сигналов спинового эха и блок возбуждения электронных состояний 9
На фиг. 8 представлен вариант схемы в общем случае, где блок 9 состоит из четырех модулей: модуль синтезатора частот 10 с цифровым управлением от вычислительного блока, выход этого модуля связан с входом модуля усилителя мощности высокочастотных импульсов 11, выход которого соединен с блоком электромагнитных катушек. Вычислительный блок управляет также модулем управления уровнем основного магнитного поля, содержащим цифроаналоговым преобразователем 12, формирующим управляющий импульс для уменьшения магнитного поля и модуль 13.Выход модуля 12 связан с входом модуля 13, который обеспечивает согласование импульса уменьшения магнитного поля. Этот импульс с выхода модуля 13 подается либо на блок управления током катушки основного магнита, либо непосредственно в блок электромагнитных катушек на дополнительную индуктивность для уменьшения магнитного поля.The device comprises a block of electromagnetic coils 1 (Fig. 8), including a main magnet coil, a radio frequency coil and coils for creating linear and nonlinear magnetic field gradients along the X, Y, Z axes, designed to be placed in its inner space of the object under study; block 2 control the current of the coil of the main magnet, designed to maintain the intensity of the constant magnetic field of a given level; block 3 control the gradients of the magnetic field along the axes X, Y and Z; passive switch 4; an amplifier and a
In FIG. Figure 8 shows a variant of the circuit in the general case, where
Кроме этого, в заявляемом техническом решении блок электромагнитных катушек 1 дополнительно содержит индуктивность для облучения исследуемого объекта частотой электронного резонанса и в общем случае индуктивное устройством для уменьшения магнитного поля. In addition, in the claimed technical solution, the block of
Заявляемое техническое решение позволяет разрабатывать новые сверхнизкопольные МР-томографы, в которых модули 12 и 13 могут отсутствовать. The claimed technical solution allows the development of new ultralow-field MRI scanners in which
Функционирование способа заключается в следующем. The functioning of the method is as follows.
Исследуемый объект помещается в постоянное магнитное поле В (фиг. 1). The studied object is placed in a constant magnetic field B (Fig. 1).
Действие магнитного поля на объект приводит к тому, что магнитные моменты ядер преимущественно частично ориентируются по направлению магнитного поля и возникает ядерная поляризация. Существенным является то, что степень ориентации ядерных спинов мала, порядка тысячных долей процента, соответственно ядерная поляризация оказывается малой, что обуславливает и слабость сигналов ядерного магнитного резонанса и приводит к необходимости длительного накопления томограммы. The action of the magnetic field on the object leads to the fact that the magnetic moments of the nuclei are mainly partially oriented in the direction of the magnetic field and nuclear polarization occurs. It is significant that the degree of orientation of the nuclear spins is small, on the order of thousandths of a percent, and accordingly the nuclear polarization is small, which also leads to the weakness of the signals of nuclear magnetic resonance and leads to the need for long-term accumulation of the tomogram.
Далее на объект подают импульс возбуждения электронных состояний (фиг. 2), который изменяет локальную ядерную поляризацию из-за нижеследующего. Next, an object is excited by an excitation pulse of electronic states (Fig. 2), which changes the local nuclear polarization due to the following.
Спины электронов связаны взаимодействием со спинами ядер. Это взаимодействие при стимуляции электронных переходов приводит к повышению (изменению) поляризации ядер. Если импульс возбуждения электронных состояний является интенсивным, то эффект повышения ядерной поляризации, обусловленный спин-спиновым электрон-ядерным взаимодействием, распространяется за счет явления спиновой диффузии на область, окружающую данное электронное состояние. Причем, если основным механизмом релаксации ядер оказывается релаксация за счет спин-спинового электронно -ядерного взаимодействия, то при избирательном воздействии на данное электронное состояние локальная поляризация протонов увеличивается в Р раз:
P = 1+(1/2)[μ(элек)/μ(прот)] ≃ -328
где μ(элек)- магнитный момент электрона, μ(прот) магнитный момент протона (см. например, Р. Эрнст, Д. Боденхаузен, А. Вокаун, "ЯМР в одном и двух измерениях", изд. "Мир", 1990, стр. 230).Spins of electrons are connected by interaction with the spins of nuclei. This interaction during the stimulation of electronic transitions leads to an increase (change) in the polarization of nuclei. If the momentum of excitation of electronic states is intense, then the effect of increasing nuclear polarization due to spin-spin electron-nuclear interaction extends due to the phenomenon of spin diffusion to the region surrounding this electronic state. Moreover, if the main mechanism of nuclear relaxation is relaxation due to the spin-spin electron-nuclear interaction, then, under the selective action of this electronic state, the local polarization of protons increases by a factor of P:
P = 1+ (1/2) [μ (elek) / μ (prot)] ≃ -328
where μ (elec) is the magnetic moment of the electron, μ (prot) is the magnetic moment of the proton (see, for example, R. Ernst, D. Bodenhausen, A. Vokaun, “NMR in one and two dimensions”, ed. Mir, 1990 , p. 230).
Практически в рамках спектроскопии было установлено, что при накачке электронных состояний модельных растворов, содержащих, например, протоны органических молекул и неспаренные электроны парамагнитных центров (типа гадалиния), ядерная поляризация может быть увеличена в двести раз (см, например, "Магнитный резонанс." Сб. докладов XII Всесоюзной школы-симпозиума по магнитному резонансу, Пермь, 1991 г. стр. 94 97). Причем, необходимо отметить, что для существенного диагностического эффекта (для случая выявления, например, патологических изменений) достаточно изменить ядерную намагниченность всего лишь на 20% поскольку такого воздействия уже достаточно для изменения яркости на томограмме. По этой причине требования к величине интенсивности импульса возбуждения электронных состояний не являются высокими. Practically in the framework of spectroscopy, it was found that when pumping electronic states of model solutions containing, for example, protons of organic molecules and unpaired electrons of paramagnetic centers (such as gadalinium), nuclear polarization can be increased by a factor of two (see, for example, "Magnetic resonance." Collection of reports of the XII All-Union School-Symposium on Magnetic Resonance, Perm, 1991, p. 94 97). Moreover, it should be noted that for a significant diagnostic effect (for the case of revealing, for example, pathological changes), it is enough to change the nuclear magnetization by only 20% since such an effect is already enough to change the brightness on the tomogram. For this reason, the requirements for the magnitude of the intensity of the excitation pulse of electronic states are not high.
В случае живого организма мы имеем сложную систему. С одной стороны, ткани имеют высокую концентрацию воды, протоны которых образуют удобную для томографического использования систему ядер. С другой стороны, ткани содержат свободно-радикальные центры, металлоферменты и другие включения с неспаренными электронами, спины которых можно использовать для поляризации протонов. In the case of a living organism, we have a complex system. On the one hand, tissues have a high concentration of water, the protons of which form a system of nuclei convenient for tomographic use. On the other hand, tissues contain free radical centers, metal enzymes and other inclusions with unpaired electrons, the spins of which can be used to polarize protons.
Различные воздействия на живую ткань или часть ткани (механические, химические, радиационные и др.) приводят к изменению интенсивности биохимических процессов и, соответственно, к изменению среднестатисческой концентрации активных свободнорадикальных центров и металлоферменов. В качестве примера отметим работы Д. А. Свистуненко и С. В. Волощенко, Л. М. Байдер ("Магнитный резонанс". Сб. докладов, Пермь, 1991 г. стр. 103 105), в которых регистрировались методом спектроскопии электронного парамагнитного резонанса изменения и увеличение концентрации новых парамагнитных центров при патологии и при радиационном воздействии. Various effects on living tissue or part of the tissue (mechanical, chemical, radiation, etc.) lead to a change in the intensity of biochemical processes and, accordingly, to a change in the average static concentration of active free radical centers and metal enzymes. As an example, we note the works of D. A. Svistunenko and S. V. Voloshchenko, L. M. Bader (Magnetic Resonance. Coll. Reports, Perm, 1991, p. 103 105), in which they were recorded by electron paramagnetic spectroscopy resonance changes and an increase in the concentration of new paramagnetic centers during pathology and radiation exposure.
Следовательно, избирательная электронная накачка тех или иных электронных состояний будет приводить к разной поляризации протонов различных областей. Consequently, selective electronic pumping of various electronic states will lead to different polarization of protons in different regions.
Далее, на объект подают 90-градусный импульс (фиг. 3) и знакопеременные импульсные градиенты по осям X (фиг. 4), Y (фиг. 5), Z (фиг. 6). Это воздействие формирует сигнал спинового эха Sj(t), компоненты которого имеют частотную и фазовую кодировку. Сигнал спинового эха усиливают (фиг. 7) и осуществляют его цифровую регистрацию в интервалы времени ti. Цикл (фиг. 2 - 7) повторяют с изменением градиента Gyj и построчно накапливают рабочую цифровую матрицу:
Sij Sj(ti) (2)
Накопленную цифровую информацию далее обрабатывают с помощью двойного фурье-преобразования:
Sij --- Aij (3)
При этом получается матрица Aij, элементы которой пропорциональны локальной ядерной поляризации Pij. Именно локальная ядерная поляризация и определяет контраст томографического изображения. Следовательно, реализация предлагаемого технического решения осуществляется тем, что периодически перед каждым возбуждением ядерной спиновой системы осуществляют избирательное резонансное воздействие на электронные состояния (фиг. 2), из-за которого вокруг избранных электронных центров повышается (изменяется) Pij локальная поляризация ядер.Further, a 90-degree impulse (Fig. 3) and alternating impulse gradients along the axes X (Fig. 4), Y (Fig. 5), Z (Fig. 6) are applied to the object. This action generates a spin echo signal Sj (t), whose components are frequency and phase encoded. The spin echo signal is amplified (Fig. 7) and digitally recorded at time intervals ti. The cycle (Fig. 2-7) is repeated with a change in the gradient of Gyj and the working digital matrix is accumulated line by line:
Sij sj (ti) (2)
The accumulated digital information is further processed using a double Fourier transform:
Sij --- Aij (3)
In this case, we obtain a matrix Aij whose elements are proportional to the local nuclear polarization Pij. It is the local nuclear polarization that determines the contrast of the tomographic image. Therefore, the implementation of the proposed technical solution is carried out by the fact that periodically, before each excitation of the nuclear spin system, a selective resonant effect on the electronic states is carried out (Fig. 2), because of which around the selected electron centers Pij local polarization of the nuclei increases.
Избирательность воздействия обеспечивается подбором частоты подаваемых высокочастотных импульсов, которая соответствует энергии квантовых переходов, связанных с изменением ориентации электронных спинов относительно направления используемого магнитного поля для тех или иных молекулярных структур с парамагнитными центрами, представляющими интерес для диагностики. The selectivity of the effect is ensured by the selection of the frequency of the supplied high-frequency pulses, which corresponds to the energy of quantum transitions associated with a change in the orientation of the electron spins relative to the direction of the used magnetic field for certain molecular structures with paramagnetic centers that are of interest for diagnostics.
В результате из-за локального изменения протонной поляризации получаемое изображение имеет качественное отличие от изображения, характерного для аналогов и прототипа. As a result, due to a local change in proton polarization, the resulting image has a qualitative difference from the image characteristic of analogues and prototype.
Работа устройства происходит следующим образом. The operation of the device is as follows.
Исследуемый объект помещают в геометрический центр системы электромагнитных катушек 1 (см. фиг.8). Стабильность магнитного поля поддерживается с помощью блока управления током 2. The investigated object is placed in the geometric center of the system of electromagnetic coils 1 (see Fig. 8). The stability of the magnetic field is maintained using the current control unit 2.
Работой устройства управляет вычислительный блок 8, который, в частности, управляет формированием импульса возбуждения электронных состояний. Этот импульс формируется в блоке 11 и с его выхода подается на высокочастотную обмотку, расположенную вокруг исследуемого объекта в блоке 1. The operation of the device is controlled by a
Затем на объект подается импульс возбуждения сигналов ЯМР, этот импульс формируется в блоке 10 с управлением от вычислительного блока 8 и проходит через пассивный коммутатор 4 на блок электромагнитных катушек. Then, an NMR signal excitation pulse is supplied to the object, this pulse is generated in
Для обеспечения пространственного разрешения сигналы ЯМР кодируются подачей импульсных градиентов Gх, Gу, Gz, которые формируются импульсами тока от блока 3 с управлением от вычислительного блока 8. To ensure spatial resolution, the NMR signals are encoded by applying pulsed gradients Gx, Gy, Gz, which are formed by current pulses from
Сигналы ЯМР регистрируются с помощью резонансной индуктивности в блоке 1 и через пассивный коммутатор 4 подаются на усилитель-преобразователь 5 и далее на ЭВМ. Указанные импульсы подаются периодически с изменением кодирующего градиента Gyj, при этом построчно накапливается цифровая матрица. NMR signals are recorded using a resonant inductance in
После накопления цифровой матрицы вычислительный блок 6 с помощью двойного фурье-преобразования реконструирует изображение и передает его на блок визуального отображения 7. Из-за использования в данном техническом решении импульсов возбуждения электронный состояний получаемое изображение имеет иное распределение яркости, чем у прототипа. After the digital matrix is accumulated, the
Избирательное возбуждение электронных состояний в общем случае осуществляется как с помощью формирования высокочастотного импульса (модули 10 и 11), так и с помощью формирования импульса уменьшения магнитного поля (модули 12 и 13). Модули 12 и 13 используются для технического упрощения реализации предлагаемого технического решения, так как частота электронных спиновых состояний f(ЭПР) выше частоты резонанса протонов f(ЯМР) примерно в К раз
K = f(ЭПР)/f(ЯМР) = μ(элек)/μ(прот) ≃ 658 (3) (3)
Если, например, используется магнитное поле 0,04 Тл, то частота резонанса на протонах f(ЯМР) 1,6 МГц, тогда f(ЭПР) 1000 МГц. Такие частоты (порядка 1000 МГц) трудно создавать с высокой интенсивностью в биологических тканях. Поэтому подается импульс, уменьшающий величину основного магнитного поля. При уменьшении поля, например в 2,5 раза, соответственно частота парамагнитного резонанса будет уменьшена до f(ЭПР)≈400 МГц, что оказывается более удобным для практической накачки электронных состояний.Selective excitation of electronic states in the general case is carried out both by means of the formation of a high-frequency pulse (
K = f (EPR) / f (NMR) = μ (elec) / μ (prot) ≃ 658 (3) (3)
If, for example, a 0.04 T magnetic field is used, then the proton resonance frequency f (NMR) is 1.6 MHz, then f (EPR) is 1000 MHz. Such frequencies (of the order of 1000 MHz) are difficult to create with high intensity in biological tissues. Therefore, an impulse is supplied that reduces the magnitude of the main magnetic field. With a decrease in the field, for example, 2.5 times, respectively, the paramagnetic resonance frequency will be reduced to f (EPR) ≈400 MHz, which is more convenient for the practical pumping of electronic states.
Предлагаемое техническое решение предусматривает вариант, при котором перед накоплением томограммы в исследуемый объект (организм пациента) вводятся вещества, содержащие парамагнитные электронные центры. Например, это могут быть вещества, молекулы которых являются органическими соединениями с хромом. The proposed technical solution provides an option in which, before the accumulation of the tomogram, substances containing paramagnetic electronic centers are introduced into the studied object (patient’s body). For example, it can be substances whose molecules are organic compounds with chromium.
Атомы хрома содержат неспаренные электроны и увеличивают скорость релаксации окружающих протонов молекул воды в организме. Использование подобных соединений в предлагаемом методе является особенно перспективным, поскольку ширина сигналов ЭПР хрома является малой и, следовательно, избирательную резонансную накачку электронных состояний атомов хрома можно обеспечить низким уровнем мощности. Вследствие этого использование вводимых в организм контрастных веществ приобретает в заявляемом способе особую значимость для развития диагностических методов. Применение контрастных веществ позволяет значительно повышать ядерную поляризацию и соответственно либо использовать более низкие магнитные поля (с целью экономии потребляемой энергии), либо существенно уменьшать время накопления томограммы (повышать производительность). Chromium atoms contain unpaired electrons and increase the relaxation rate of the surrounding protons of water molecules in the body. The use of such compounds in the proposed method is especially promising, since the width of the EPR signals of chromium is small and, therefore, selective resonant pumping of the electronic states of chromium atoms can be ensured by a low power level. As a result, the use of contrast agents introduced into the body is of particular importance in the claimed method for the development of diagnostic methods. The use of contrast agents can significantly increase nuclear polarization and, accordingly, either use lower magnetic fields (in order to save energy consumption), or significantly reduce the accumulation time of the tomogram (increase productivity).
Таким образом, заявляемый способ является основной для развития новых диагностических методов в широкой медицинской практике и может в будущем найти техническое применение как эффективный метод неразрушающего контроля диэлектрических материалов при развитии новых технологий. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 Thus, the claimed method is the main one for the development of new diagnostic methods in wide medical practice and may find technical application in the future as an effective method of non-destructive testing of dielectric materials in the development of new technologies. YYY2 YYY4 YYY6
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5068091 RU2063702C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5068091 RU2063702C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2063702C1 true RU2063702C1 (en) | 1996-07-20 |
Family
ID=21615989
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5068091 RU2063702C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2063702C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444744C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-03-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Hybrid system for obtaining images via positron emission/magnetic resonance tomography |
RU2518299C2 (en) * | 2009-02-25 | 2014-06-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Attenuation correction for magnetic resonance coils in combined positron emission tomography/magnetic resonance system |
RU2538421C2 (en) * | 2010-01-22 | 2015-01-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Sensitivity gradient mapping |
RU2575135C2 (en) * | 2010-12-22 | 2016-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Rapid parallel reconstruction for arbitrary k-space trajectories |
RU2589275C2 (en) * | 2011-04-21 | 2016-07-10 | Конинклейке Филипс Н.В. | Multichannel radio-frequency cavity resonator for magnetic resonance imaging |
RU2702843C2 (en) * | 2014-12-15 | 2019-10-11 | Конинклейке Филипс Н.В. | Spin-echo mr-visualization |
-
1992
- 1992-07-20 RU SU5068091 patent/RU2063702C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Техническое описание "MAGNAVIEW" WR-Imaging System, фирма Инструментараум, Финляндия, июнь, 1989. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444744C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-03-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Hybrid system for obtaining images via positron emission/magnetic resonance tomography |
RU2518299C2 (en) * | 2009-02-25 | 2014-06-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Attenuation correction for magnetic resonance coils in combined positron emission tomography/magnetic resonance system |
RU2538421C2 (en) * | 2010-01-22 | 2015-01-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Sensitivity gradient mapping |
RU2575050C2 (en) * | 2010-12-20 | 2016-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | State of space controller with feedback in area of digital data for source of power supply of gradient coil for magnet-resonance imaging |
RU2575135C2 (en) * | 2010-12-22 | 2016-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Rapid parallel reconstruction for arbitrary k-space trajectories |
RU2589275C2 (en) * | 2011-04-21 | 2016-07-10 | Конинклейке Филипс Н.В. | Multichannel radio-frequency cavity resonator for magnetic resonance imaging |
RU2702843C2 (en) * | 2014-12-15 | 2019-10-11 | Конинклейке Филипс Н.В. | Spin-echo mr-visualization |
RU224506U1 (en) * | 2023-08-07 | 2024-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Module for generating high-frequency pulses for electron-nuclear double resonance spectroscopy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4506223A (en) | Method for performing two-dimensional and three-dimensional chemical shift imaging | |
US4521733A (en) | NMR Imaging of the transverse relaxation time using multiple spin echo sequences | |
EP0091008B1 (en) | Method of three-dimensional nmr imaging using selective excitation | |
Bottomley | NMR imaging techniques and applications: a review | |
KR100329467B1 (en) | Magnetic Resonance Tomography | |
US4307343A (en) | Moving gradient zeugmatography | |
JPH0222647B2 (en) | ||
US4486708A (en) | Selective material projection imaging system using nuclear magnetic resonance | |
EP0144871A2 (en) | Method and apparatus for selective NMR imaging of chemically-shifted nuclei | |
JP2001346774A (en) | T2 contrast in formation of magnetic resonane image with gradient echo | |
EP0222325A2 (en) | Method for reduction of MR image artifacts due to flowing nuclei by gradient moment nulling | |
US5250898A (en) | Method and means for magnetic resonance imaging and spectroscopy using pulsed saturation transfer contrast | |
US4651098A (en) | Method for imaging nuclear magnetic resonance signals by using non-linear magnetic field gradient | |
US4429277A (en) | Nuclear magnetic resonance apparatus utilizing multiple magnetic fields | |
USRE32712E (en) | Moving gradient zeugmatography | |
EP0390086A2 (en) | Magnetic resonance imaging method. | |
RU2063702C1 (en) | Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment | |
US6097185A (en) | Magnetic resonance imaging apparatus | |
JP5291852B2 (en) | Pulse train, nuclear magnetic resonance tomography apparatus and imaging method | |
JP4917231B2 (en) | Imaging method | |
US4721911A (en) | Nuclear magnetic resonance tomography apparatus | |
Bottomley | Nuclear magnetic resonance: Beyond physical imaging: A powerful new diagnostic tool that uses magnetic fields and radio waves creates pictures of the body's internal chemistry | |
JPS614952A (en) | Method of mapping nuclear magnetic characteristic of body tobe inspected | |
JPH0350536B2 (en) | ||
US4816764A (en) | Method for the identification of nuclear magnetic spectra from spatially selectable regions of an examination subject |