Вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса

"111 фд 110 ТЕК д ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ тель нои ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исследокий, проектно-конструкторский итехнологический институт кабепромьппленности(56) 1,Патент США У 3789832,кл, С О 1 И 24/08,опублик.1974,2. Н 3.паспорт У,Б, 1 шаре РогшЬу Ицс 1 еаг Иаепехз ВезопапсеТЬе Бепз 1 йче-ро 1 пТ Меспод.Л,Арр 1,РЬуз,1974, ч,47, У 8,р. 3709,прототип) .(54) (57) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ. НАОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий магнитную систему срасположенным в ней датчиком, включающим Х-градиентную катушку, У -градиентную катушку, Х-градиентную катушку, соединенные с устройствомуправления градиентами, и приемноперсдающую катушку с исследуемымобъектом, выход которой через блокдетектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход череусилитель мощности соединен с формирователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединенс синтезатором несущей частоты, авторой - с центральным процессором,который также соединен с устройством управления и отображения информации, отличающийся тем,что, с целью повышении точности измерений и расширения функциональныхвозможностей в него дополнительновведены сканирующая катушка, второйспециализированный процессор и блок,формирования гелективного импульсас двумя входами, первый вход кото-.рого соединен с формирователем импульсов с двумя входами, выход -с усилителем мощности, а второйвход - с центральным процессором, ккоторому также подсоединены синтезатор несущей частоты, второй специализированный проиессор и устройство управления градиентами, содержащее четыре идентичных канала,причем первый канал соединен с Хградиентной катушкой, второй - с1-градиентной катушкой, третий -с-градиентной катушкой, а четвертый - со сканирующей катушкой.1126 1Изобретение относится к вычислительной томографии на основе ядерного магнитного резонанса и может быть иснользовано для изучения пространственного распределения химической структуры исследуемых объектов,Известен вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), содержащий постоянный магнит, градиентные катушки, О устройство :. управления градиентными катушками и радиочастотный тракт с датчиком, Пространственное разрешение в этом томографе достигается тем, что резонансные условия формируются 15 только в одной точке исследуемого объекта с последующим сканированием данной точки по объему 11.Недостатками этого ЯМР-томографа являются длительное время сканирова ния, а также недостаточное пространственное разрешение, обусловленное техническими трудностями при формировании резонансных условий в достаточно малой области, 25Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является вычислительный томограф на основе ядерного магнитного резонанса, содержащий магнитную систе- ЗО му с расположенным в ней датчиком, включающим Х-градиентную катушку, У"градиентную катушку, Е -градиентную катушку, соединенные с.устройством управления градиентами, и приемно-передающую катушку с исследуемым объектом, выход которой через блок детектирования сигнала соединен с центральным процессором, а вход через усилитель мощности сое динен с форм.дарователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты,-а второй - с центральным процессором, который также соединен с устройством управления и отображения йнформации 12.К недостаткам данного устройства относятся функциональная ограни ченность, обусловленная отсутстви ем воэможности гибкого изменения программы управления градиентами и обработки данных, длительное время сканирования, невозможность определения времени спин-спиновой ре лаксации, значительные искажения координат получаемого изображения из-за искажений при изменении тока 850 2в градиентных катушках во времясканирования.Цель изобретения - повышениеточности измерений и расширениефункциональных возможностей,Поставленная цель достигаетсятем, что в вычислительный томографна основе ядерного, магнитного резонанса, содержащий магнитную систему с расположенным в ней датчиком,включающим Х-градиентную катушку,1-градиентную катушку, 2 -градиентную катушку, соединенные с устройством управления градиентами, и приемно-передающую катушку с исследуемымобъектом, выход которой через блокдетектирования сигнала соединен сцентральным процессором, а вход черезусилитель мощности соединен с формирователем импульсов с двумя входами, первый вход которого соединен с синтезатором несущей частоты,а второй - с центральным процессором,который также соединен с устройствомуправления и отображения информации,дополнительно введены сканирующаякатушка, второй специализированныйпроцессор и блок формирования селективного импульса с двумя входами,первый вход которого соединен с формирователем импульсов с двумя входами, выход - с усилителем мощности,а второй вход - с центральным процессором, к которому также подсоединены синтезатор несущей частоты,второй специализированный процессори устройство управления градиентами,содержащее четыре идентичных канала,причем первый канал соединен с Хградиентной катушкой, второй - с1-градиентной катушкой, третий - с1-градиентной катушкой, а четвер.тый - со сканирующей катушкой,На фиг,1 представлена блок-схема предлагаемого вычислительноготомографа на основе ЯМР, на фиг,2блок-схема блока Формирования селектинного пмпульса с двумя входами;на фиг.З - блок-схема устройствауправления градиентами,ЯМР-томограф содержит синтезатор 1 несущей частоты, центральныйпроцессор 2, формирователь 3 импульсов с двумя входами, блок 4формирования селективного импульсас двумя входамп, усилитель 5 мощности, приемно-передающую катушку 6, исследуемый объект 7, уст50 55 3 1 ройство 8 управления градиентами, Х-градиентную катушку 9, 1 -градиентную катушку 10, 3 -градиентную ка- тушку 11, сканирующую катушку 12, блок 13 детектирования сигнала, второй специализированный процессор 14, устройство 15 управления и отображения информации, регистр 16 преобразователь 17 цифра-аналог, модулятор 18 с двумя входами, де- . кодеры 19 - 22 адреса, оперативно- запоминающие устройства 23 - 26, цифро-анапоговые преобразователи 27 - 30, датчик 31 и магнитную с тему 32. Вычислительный томограф на основе ядерного ЯМР включает синтезатор 1 несущей частоты, вход.которого соединен с центральным процессором 2, а выход - с первым входом формирователя 3 импульсов с двумя входами, второй вход которого соединен с центральным процессором 2, а выход - с первым входом блока 4 формирования селективного импульса с двумя входами, второй вход которого соединен с центральным процессором 2, а выход через усилитель 5 мощности с приемно-передающей катушкой 6, содержащей исследуемый объект 7, выход которой через блок 13 детектирования сигнала соединен с центральным. процессором 2, к которому также подключены второй специализированный процессор 14, устройство 15 управления и отображения информации и устройство 8 управления градиентами, содержащие четыре идентичных канала, которые соответственно соединены с Х-градиентной катушкой 9,-градиентной катушкой 10, -градиентной катушкой 11 и сканирующей катушкой 12, располагающимися вместе с приемно- передающей катушкой 6 в датчике 31, помещенном в магнитную систему 32, Блок 4 формирования селективногоимпульса с двумя входами включает последовательно соединенные регистр 6, преобразователь 17 цифра- аналог и модулятор 18 с двумя входами, Устройство управления градиентами содержит четыре идентичных канала, каждый из которых включает; по одному иэ декодеров 19 - 22 адреса, по одному из оперативно- запоминающих устройств 23 - 26 и по 126850 4 одному из цифро-аналоговых преобразователей 27 - 30.Устройство работает следующимобразом,Синтезатор 1 несущей частотыпо команде центрального процессора 2 генерирует синусоидальныеколебания с частотой, равной частоте ядерного магнитного резонанса О исследуемого ядра, которые поступают на первый вход формирователя 3 импульсов с двумя входами, вкотором по командам от центральногопроцессора 2, поступающим черезвтоРой вход, формируется фаза идлительность импульсов, а такжерасстояние между импульсами, Сформированная последовательность импульсов поступает ца первый вход блока 4 2 О формирования селективного импульса сдвумя входами, в котором происходитмодуляция амплитуды импульсов поформе, задаваемой командами, посту:пающими на второй вход от централь ного процессора 2, Процесс Формирования селективного импульса осуществляется с целью получения заданнойспектральной формы импульса. Пол -ностью сформированная последовательность импульсов усиливается в усилителе 5 мощности и передается в приемно-передаощую катушку 6, в которойнаходится исследуемый объект 7, Одновременно с пердачей команды насинтезатор 1 несущей частоты подается команда на устройство 8 управления градиентами, которое выдаетуправляющие сигналы на Х-градиентную катушку 9, -градиентную катуш ку 1 О,-градиентную катушку 11 исканирующую катушку 12.Возбуждающие импульсы и градиентымагнитного поля переключаются строгосинхронно по командам центрального 45 процессора 2, После действия возбуждающих импульсов в приемно-передающей катушке наводится сигнал ядерного магнитного резонанса, которыйв блоке 13 детектирования сигналаподвергается квадратурному детектированию и преобразованию в цифровые коды, Из блока 13 детектированиясигнала цифровые коды поступаютв центральный процессор 2, которыйкроме функции управления выполняет математическую обработку сигналов сцелью получения изображения исследуемого объекта 7. Процесс обработ11268 го кй данных включает несколько математических операций, в частности преобразование фурье, свертку и обратноепроецирование, включающее интегрирование и интерполяцию. Для быстрого выполнения"этих операций введенвторой специализированный процессор 14, соединенный с центральнымпроцессором 2, Центральный процессор 2 представляет собой универсаль- Оную ЭВМ и не позволяет без применения второго специализированногопроцессора 14 достичь времени обработки данных 1-5 мин, что снижаетпроизводительность устройства в 5целом. После обработки данных сканирования полученное изображение выводитсяна устройство 15 управления и отображения информации.Блок 4 формирования селективногоимпульса с двумя входами работаетследующим. образом.Команда в виде цифрового кода25от центрального процессора 2 подается на регистр 16 и преобразуетсяв аналоговый управляющий сигнал спомощью преобразователя 17 цифрааналог. Управляющий аналоговыйсигнал поступает на первый вход30модулятора 18 с двумя входами, навторой вход которого поступает им-,пульс от формирователя 3 импульсов сдвумя входами, После модуляции амплитуды импульс с выхода модулятора 35с двумя входами передается в усилитель 5 мощности,Устройство 8 управления градиентами работает следующим образом,Первая команда в виде цифрового 40кода от центрального процессора 2поступает в декодеры 19 - 22 адреса.В первой команде содержатся адресаканалов, которые позволяют выбратьдля работы требуемые оперативно-запо минающие устройства 23 - 26. Втораякоманда содержит информацию о величине градиентов, Эта информациязапоминается в выбранных оперативнозапоминающих устройствах, например 50в устройствах 23 и 25, преббраэуется вв управляющие аналоговые сигналы дляХ-градиентной катушки 9 и , -градиентной катушки 11 с помощью цифро-аналоговых преобразователей 27 и 29. 55Если выбраны оперативно-запоминающие устройства 24 и 26, то управляющие аналоговые сигналы соответст 50 6венно для 1 -градиентной катушки 10и сканирующей катушки 12 образуютсяс помощью цифро-аналоговых преобразователей 28 и 30,Приемно-передающая катушка 6 сисследуемым объектом 7, Х-градиентная катушка 9, У -градиентная катушка 1 О,-градиентная катушка 11 исканирующая катушка 12 конструктивно размещаются в датчике 31, которыйнаходится в магнитной системе 32,Развитие вычислительной томографии наоснове ЯМР обусловило появление более десяти различных методовполучения изображения, Каждый иэметодов имеет определенные преимущества в своей области применения.Предложенное техническое ре.ание позволяет расширить функциональные воэможности устройства за счетгибкой перепрограммируемой структуры управления и сбора данных, чтопозволяет реализовать практическивсе известные методы вычислительнойтомографии на основе ЯМР, напримерметод восстановления изображения попроекциям при постоянном градиенте.Этот метод позволяет измерить пространственное распределение плотностиядер, время спин-решеточной Т испин-спиновой Т 2 релаксаций, Последние два параметра не могут бытьизмерены в прототипе, Данныйметод позволяет также сократитьвремя сканирования, В частности, сканированиери одинаковом разрешениив прототипе занимает примерно600 мин, а в предложенном устройстве - 3 мин. Пример конкретной реализацииэтого метода,По команде центрального процессора 2 синтезатор 1 несущей частоты,формирователь 3 импульсов с двумявходами, блок 4 Формирования селективного импульса с двумя входамии усилитель 5 мощности формируют вприемно-передающей катушке селективный возбуждающий импульс со следующими параметрами: несущая частота 6 МГц, длительность импульса 7 мс,что соответствует 90 импульсу, форма импульса Гауссова, ширина спектраимпульса 100 Гц. Одновременно устройство 8 управления градиентами формирует импульс тока в Х -градиентнойкатушке 11. Длина импульса 7 мс,амплитуда тока 7 А, что соответст 7 1126 вует величине 2 -градиента 0,05 Гс/см. С помощью этих операций возбуждается спиновая система в плоском слое толщиной л 5 мм После окончания селективного возбуждающего импульса и 5 2 -градиента устройством 8 управления градиентами формируются имлульсы тока в Х-градиентной катушке 9 и Ч -градиентной катушке 10. Длина импульсов л 0,3 с, Магнитное поле1 О Х"градиентной катушки 9 и У -градиентной катушки 10 складываются и образуют 1-градиент величиной 0,2 Гс/см. В этом"градиенте регистрируется с помощью блока 13 детектирования сигнала, сигнал свободной индукции, Далее все операции повторяютсяпри изменении угла поворота 1-граодиента на 1 . После проведения 80 циклов полученные данные из централь ного процессора 2 передаются во второй специализированный процессор 14, в котором происходит восстановление изображения возбуждаемого слоя в исследуемом объекте 7 . Получен - 25 ное изображение визуализируется с помощью устройства 5 уп 850равления и отображения ииформа -ции еДля изменения положения возбуждаемого слоя в исследуемом объекте 7применяется сканирующая катушка 2.С помощью устройства 8 управленияградиентами одновременно с селективным возбуждающим импульсом всканирующую катушку 12 подаетсяимпульс тока длительностью 7 мс.Величина тока к ней определяетсмещение положения возбуждаемого,слоя от центра,Сокращение времени одного сканирования позволяет эа заданный промежуток времени повысить число накоплений данных и, тем самым, точностьизмерений, В частности, в приведенном примере по сравнению с прототипом отношение сигнал/шум возрастает в 4 раза при одинаковом времени сканирования. Таким образом,предложенный вычислительный томографна основе ЯМР позволяет существенно расширить функциональные воэможности и повысить точность измерений.