Спосіб реєстрації даних та реконструкції зображень в ямр томографії

Спосіб реєстрації даних та реконструкції зображень в ЯМР томографи, який полягає в тому, що в просторі досліджуваного об'єкта накладають постійну і градієнтні компоненти магнітного поля та високочастотні імпульси збудження СПІНІВ, в результаті чого виникає просторово локалізований ядерний магнітний резонанс, що спричиняє флуктуацію спінових систем, яку реєструють у вигляді сигналу спаду вільної індукції, який відрізняється тим, що, застосовують змінну частоту імпульсів збудження, які діють одночасно із ввімкненою поперечною градієнтною системою магніторезонансного томографа, при цьому детек тують сигнал спаду вільної індукції від збудженої смуги, який залежить від частоти збудження та визначається при кожній орієнтації поперечного градієнта виразом Винахід відноситься до медицини, а саме до способу реєстрації флуктуації ядерної намагніченості досліджуваної речовини та відновлення томографічних зображень шляхом реконструкції просторового розподілу спінової густини і може використовуватися, наприклад, для медичної діагностики внутрішніх структур організму людини, зокрема головного, спинного мозку, для планування стереотаксичних операцій з метою видалення виявлених паталопй тощо Відомий спосіб реконструкції зображень в магніторезонансній томографії [James C Ehrhardt, United States Patent №5,119,027, "Nuclear magnetic resonance imaging method", Jim 2, 1992], який полягає в тому, що використовуючи радіочастотні імпульси для збудження спінових систем ядер в досліджуваному середовищі та градієнти магнітних полів здійснюють просторове кодування намагніченості Перемикаючи градієнтні системи, отримують регулярну сітку градієнтних полів в К просторі Для реконструкції томографічних зображень із сигналу, знятого за вказаних умов, застосовують дискретне перетворення Фур'є Недоліками цього способу є 1) необхідність використання набору градієнтних полів, які утворюють регулярну сітку в К - просторі Така конфігурація потребує перемикань трьох градієнтних систем томографа (поздовжньої та двох поперечних), що збільшує час зняття даних, негативно відображається на досліджуваних біологічних тканинах 2) кожна комбінація ввімкнення градієнтних систем забезпечує просторове кодування лише деякого мінімального об'єму розділення, а тому для повного томографічного дослідження необхідна набагато більша КІЛЬКІСТЬ перемикань градієнтних систем, порівняно із запропонованим нами способом Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб отримання томографічних зображень [Counsell -І C t + t O S(t) = K-,e ~dt о де позначено k L = 2тіу|GLdt, тт = 3,14, є = 2,72, у гіромагнітне співвідношення, G|_- градієнт магнітного поля, SGO) - сигнал від генератора збудження, Кі «2 - коефіцієнти пропорційності, р(І_) - спінова густина, ш - частота збудження, L - просторова координата вздовж напряму поперечного градієнта магнітного поля, І_х - координата межі області збудження, по приросту зареєстрованого сигналу в різні моменти часу та при різних орієнтаціях поперечного градієнта магнітного поля знаходять усереднену спінову густину збудженої смуги, за набором яких реконструюють спінову густину кожної просторової точки за методом згортки 00 ю Christopher John Robe, Patent GB 2270763, "Method of and apparatus for NMR testing using coherence pathways", 1994-03-23], який полягає в тому, що досліджуваний об'єкт помішується в магнітне поле, яке має градієнтні компоненти для просторового кодування інформації про об'єкт, прикладаються збуджуючі радіочастотні імпульси у виділеному інтервалі для збудження ядерного магнітного резонансу Особливість методу полягає в тому, що використовуються радіочастотні ті - імпульси при ввімкненому градієнті вибору шару, завдяки чому з'являється поперечна складова магнітного моменту, яка зростає після припинення дії імпульсів Одразу після вимкнення радіочастотного збудження та градієнту вибору шару вмикається градієнт зчитування Протягом цього часу проводиться запис сигналу 57282 4 Блоха при початкових умовах Мх(0) = 0, Му (0) = 0, M z (0) = Mo За всіх вищевикладених умов сигнал зареєстрованої флуктуації ядерної намагніченості має вигляд Недоліком даного способу є 1) більша, порівняно із запропонованим способом КІЛЬКІСТЬ перемикань градієнтної системи, а отже і більший час зняття даних, 2) вибір можливих комбінацій ввімкнень градієнтних систем із дотриманням вимоги утворення регулярної сітки в К-просторі, оскільки реконструкція просторового розподілу фізичних параметрів об'єкта проводиться із використанням перетворення Фур'є Технічною задачею даного винаходу є створення способу збудження спінової системи, детектування флуктуації ядерної намагніченості та реконструкції томографічних зображень, який би потребував меншої КІЛЬКОСТІ перемикань градієнтної системи ЯМР томографа Технічна задача досягається тим, що в системі збудження томографа пропонуємо використовувати ЗМІННІ градієнти та високочастотні імпульси збудження змінної частоти, варіацією якої виділимо шар збудження Суть явища ядерного магнітного резонансу, покладеного в основу ЯМР методів дослідження описує рівняння Блоха М-М 7 — о к Т -1 * в якому позначено М _ магнітний момент речовини, Т-і, І2 - часи поздовжньої та поперечної = у \МхНс J r Jp(r)e* rfr де введені позначення Кі - коефіцієнт пропорційності, є = 2,72, P(F) ^ • ' - спінова густина в точці простору, в яку г вказує радіус-вектор , kw = 2п y\Gwdt ~,, ~ , ті =3,14, GF - градієнт магнітного поля, ш - частота Перемиканням компоненти Z градієнту магнітного поля ми створюємо умови для збудження СПІНІВ в площині XY при фіксованій координаті Z На Фіг 1 показаний ЛІНІЙНИЙ поперечний градієнт, який має постійну амплітуду і змінює свій напрямок навколо осі Z 6 є [0,л] Вісь І_ визначає напрямок поперечного градієнту Сигнал, що приймається приймальною системою томографа визначається виразом S(t), який для даного випадку буде мати вигляд 1 S(t) = Кхе В останньому виразі зроблено позначення к =2ny\GTdt „ , G_ - градієнт магнітного поля, | SG© - сигнал від генератора збудження, К-і, «2 - коефіцієнти пропорційності, р(І_) - спінова густина, І_х- верхня межа зміни координати вздовж осі L Сигнал пропонуємо вимірювати протягом збудження завдяки ЗМІННІЙ частоті збудження Резонансна частота шо = -у(Но + G|_L) Введемо позначення Z-i компоненти магнітного поля Н = Ho + G|_L Для моменту часу "t|_" для збудженої частини -у(Но + G|_L] < w(t) Виберемо закон зміни частоти у вигляді w(t) = at + b, На Фіг 2 показане збудження СПІНІВ В ПЛОЩИНІ XY, момент часу "t|_" визначає початок збудження смуги з кох ординатою L = І_ в площині XY Зробимо перетворення J г релаксації, ' ^ ' - координатні орти, у - гіромагнітне співвідношення Пропонуємо використовувати магнітне поле такого вигляду Нс=Нок + [ІН cos(co(t)t) + jHsin(co(t)i)]f(t) -yH0-m(t)=yGLL yGL Нехай _S(t)-K2Sa(t) J:(t) + Ha (t, r)k де введені позначення Но - постійна компонента магнітного поля, направлена вздовж просторової осі Z, Н . амплітуда поперечної компоненти магнітного поля, яка модулюється функцією f(t), залежність градієнту магнітного поля від часу функцією HG(t,r) Поперечна компонента обертається навколо компоненти поля Но із кутовою частотою w(t), Величина часів релаксації набагато більша за тривалість ВЧ імпульсів, саме це припущення і було нами використане при розв'язанні рівняння Усереднена спінова густина щойно збудженої смуги у винайденому нами способі визначається приростом сигналу, який знаходимо, взявши похідну від уведеної функції 8S dS На Фіг 3 показана збуджена смуга в площині реконструкції при певних відліках координат (і,9) При запропонованому нами способі перемикань градієнтної та збуджуючої систем маємо набір сигналів від таких просторово розрізнених смужок 57282 об'єкту, заданих в площині XOY координатами (ЦЄ) Кожна точка (х,у) перетинається декількома такими смужками, тому пропонуємо застосувати метод згортки для отримання характеристик об'єкта в даній точці Відновлювана функція томографічного зображення перерізу досліджуваного об'єкту площиною, паралельною площині XOY де q - функція згортки У вимірах координат вздовж осі L зроблене перенормування на інтервал [-1,1] Позначимо U = х cos Є + у sin Є , тоді _ і Р(Ь,в)= \p(L,e)q(L-L')dL -і Звідки знаходимо вираз функції реконструйо Фіг. 1. Фіг.2. \ ваного зображення ° Таким чином, здійснюючи просторове кодування комплексної намагніченості за допомогою змінних в часі градієнтів та змінної частоти радіочастотного збудження, ми запропонували новий спосіб реконструкції томограм Заявлений спосіб реєстрації даних та реконструкції зображень в ЯМР томографії зручний у застосуванні як для розробки програмного забезпечення нових магніторезонансних томографів, так і для удосконалення роботи вже існуючих томографічних систем В порівнянні з найближчими аналогами даний спосіб дозволяє отримувати томографічні зображення із використанням меншої КІЛЬКОСТІ перемикань градієнтної системи, а тому зменшується час проведення діагностики та мінімізується негативний вплив на організм людини, спричинений перемиканням градієнтних полів 57282 Фіг. 3. Комп'ютерна верстка О Кураєв Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна