10. Система экранирования: активное и пассивное экранирование, защита от источников электромагнитных помех. Клетка Фарадея: назначение, материалы, расчет.

Экранирование поможет ослабить рассеяние магнита, компенсировать неоднородность основного поля, а также несколько увеличить его напряженность. Активное экранирование реализуется с помощью дополнительных сверхпроводящих катушек. В то время как внутренний набор катушек создает основное магнитное поде, — внешний взаимодействует с окружающим магнит полем рассеяния, ослабляя его. Обычно оба набора связаны между собой электрически из соображений безопасной эксплуатации.

Комнату сканирования окружает клетка Фарадея - электрически проводящий экран (медная сетка или листы алюминия), уменьшающий влияние внешних радиоволн на работу МР-томографа и предотвращающий выход РЧ волн за пределы процедурной комнаты. Экранирование комнаты может

быть полным (с 6 сторон) или частичным, если края поля нужно уменьшить лишь в некоторых областях. Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется:

-толщиной материала, из которого она изготовлена;

-глубиной поверхностного эффекта;

-соотношением размеров проёмов в ней с длиной волны внешнего излучения.

Строго говоря, клетка Фарадея защищает только от электрического поля. Статическое магнитное поле будет проникать во внутрь. Но электромагнитная волна ( в том числе волна от помех и наводок) образована из-за непрерывного взаимопорождения двух изменяющихся полей - электрического и магнитного, процесс которого описан уравнениями Максвелла. Изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное, которое , в свою очередь создает изменяющееся электрическое. Поэтому, если мы, с помощью клетки Фарадея, блокируем изменяющееся электрическое поле, то, изменяющиеся магнитное поле генерироваться так же не будет. Для того, чтобы клетка Фарадея эффективно работала, размер ячейки сетки должен быть значительно меньше длины волны излучения, защиту от которого требуется обеспечить.

Клетки Фарадея представляет собой спаянные между собой элементы листовой меди, которые закрывают потолок, стены и пол (внутреннюю контролируемую зону). Клетка Фарадея отсекает сторонние электромагнитные сигналы от внешних источников и не позволяет внутреннему электромагнитному фону влиять на показания следящих и контролирующих приборов.

Радиочастотный экран, клетка Фарадея – это замкнутая проводящая конструкция, состоящая не только из металлического экрана, но и из дополнительных элементов, включенных в единое целое:

- Экранированная дверь

- Экранированное окно для наблюдения

- Экранированная коммутационная панель (например, для ввода/вывода кабелей из экранированного помещения для МРТ)

- Воздуховодный фильтр

- Волновод для оптоволокна

- Волновод для газа

Для изготовления Клетки Фарадея используется медная фольга либо гальванизированная сталь. В зависимости от качества применяемой двери и наличия защитных окон такая конструкция может обеспечить затухание поля на уровне 80-100 дБ.

Пассивное магнитное экранирование может быть рекомендовано в случаях, когда за стеной помещений находится трансформаторная подстанция или разнесенная в пространстве система токоведущих шин распределительного устройства, однако при этом целесообразно решать вопрос на стадии планирования размещения рабочих мест и проводить мониторинг эл/м обстановки до принятия решения о размещении постоянных рабочих мест.

В качестве альтернативы пассивному магнитному экранированию в ряде случаев может быть применено активное магнитное экранирование, при котором используются компенсирующие внешнее магнитное поле катушки с автоматически управляемым в них током. В следствие векторного сложения результирующее МП в определенной пространственной области оказывается минимизированным, активное экранирование может быть успешно применено для компенсации внешнего, практически однородного МП.

11. Градиентная система: назначение, принцип действия, предъявляемые требования, основные блоки. Конструкции градиентных катушек для различных МРТ. Система охлаждения градиентных катушек. Градиентные усилители. Снижение уровня акустического шума.

Внутри магнита расположены градиентные катушки, предназначенные для создания контролируемых изменений главного магнитного поля B0 по осям X , Y и Z и пространственной локализации сигнала. Градиентные катушки благодаря своей конфигурации создают управляемое и однородное линейное изменение поля в определенном направлении, имеют высокую эффективность, низкую индуктивность и сопротивление. Градиентные катушки имеют различные размеры и конфигурацию и бывают следующих видов:

1. катушка в форме «8»;

2. катушка Голея, создающая градиенты магнитного поля перпендикулярно главному полю;

3. катушка Гельмгоца - пара катушек с током, создающих однородное магнитное поле в центре между ними;

4. катушка Максвелла, создающая градиенты поля по направлению

главного магнитного поля;

5. сдвоенная седлообразная катушка, создающая градиент в направлении осей X и Y .

Для пространственного возбуждения выбранного объема используются три совмещенные ортогональные катушки, создающие требуемые градиентные поля, добавляемые к главному полю (B0). Например, при кодировании сигнала для создания градиента по оси Z может использоваться пара Гельмготца или катушка Максвелла, а по осям X и Y - парные седлообразные катушки. В ряде методов быстрого отображения градиенты также используются для создания обратного импульса.

Шиммирующие катушки это катушки с малым током, создающие вспомогательные магнитные поля для компенсации неоднородности главного магнитного поля томографа, вызванной дефектами магнита или присутствием внешних ферромагнитных объектов.

Система охлаждения градиентных катушек.

Для МР-томографов с постоянным магнитом ГС охлажданется водой или воздухом. Сверхпроводящий охлаждается гелием.

Резистивный магнит

К атушки основного магнита размещают в экранах из немагнитного материала (рис.2). Каждая катушка в свою очередь состоит из нескольких секций, выполненных из полых проводников квадратного сечения. Секции в катушке также соединены последовательно. В нижней части экрана встроены штуцеры, через которые по шлангам подается вода. Она протекает по полым проводникам и отводит тепло. Секции подключаются параллельно к трубопроводу системы охлаждения. Эта система обычно незамкнутая, т.е. отработанная вода сбрасывается в канализацию. Расход воды достигает 3000 л/час, и за это приходится платить. Таким образом, эксплуатация МРТ с резистивным магнитом связана с довольно большой платой за электроэнергию и воду.

Рисунок 2. Конструкция катушки основного магнита

Кроме того, несмотря на фильтрацию водопроводной воды в узких каналах проводников происходит отложение солей и мелких взвесей. Поэтому их периодически (раз в полгода) приходится чистить.

При индукции основного поля свыше 0,5 Тл применение резистивного магнита технически и экономически становится невозможным. Здесь им на смену приходят сверхпроводящие (криогенные) магниты. Катушки такого магнита помещают в кожух, заполненный жидким гелием, имеющим температуру –269оС (рис.3).

В МРТ с постоянными магнитами число витков градиентных катушек невелико, их максимальный ток больше этой величины и достигает 10 А. Но градиентные импульсы весьма короткие и имеют большую скважность, поэтому тепловые потери в градиентных катушках невелики и они не требуют охлаждения.

Градиентный усилитель увеличивает мощность градиентных импульсов до уровня, достаточного для управления градиентными катушками. Сильный акустический шум, создаваемый взаимодействиями магнитного поля, создаваемого импульсами тока в градиентной катушке, с главным магнитным полем, и подчас превышающий 99 дБ. Поскольку уровень шума МР-системы растет с увеличение силы поля, при использовании эхо-планарного отображения и быстрых трехмерных алгоритмов, в высокопольных МРТ используются системы компенсации акустического шума, снижающие его до допустимых значений.

Конструкция градиентных обмоток должна обеспечивать в исследуемой области отсутствие на соответствующем уровне составляющих как квадратичных d2B/dL2, так и более высоких по порядку зависимостей поля от расстояния. Следует отметить, что в соответствии с законом Фарадея, если через проводник в магнитном поле пропускают импульс тока, то проводник выталкивается из поля.

Следовательно, наложение импульсных магнитных градиентов в МР томографах сопровождается неизбежным акустическим шумом, который для комфорта пациента необходимо минимизировать. Для уменьшения акустического излучения используют как жесткую фиксацию токовых рамок, так и их юстировку симметрично относительно центра магнита. Симметричное расположение необходимо для минимизации вибраций, поскольку градиентные токи имеют противоположное направление для разных рамок и, соответственно, выталкиваются в противоположные стороны от центра магнита.

12. Требования к расположению проводников для формирования импульсных градиентов. Способ выделения среза: параметры РЧ возбуждающих импульсов и связь величины импульсных градиентов с толщиной среза. Связь амплитуды импульсных градиентов магнитного поля с пространственным разрешением в МРТ.

Связь амплитуды импульсных градиентов магнитного поля с пространственным разрешением в МРТ. В идеальном варианте при включении градиента немедленно достигается максимум мощности, а при выключении сразу уменьшается до нуля. В действительности градиенту необходимо некоторое время, чтобы достичь максимума мощности при включении. Время, необходимое для достижения максимальной мощности, называется временем нарастания. Если макс. Мощность разделит на время нарастания, получится скорость нарастания. Эти параметры называются характеристиками ГС.

Толщина среза определяется двумя факторами: 1. Крутизной наклона градиента. 2. Полосой частот 90 РЧ импульса. Так как толщина среза зависит от величины градиента, пространственное разрешение от толщины среза, то величина градиента влияет на пространственное разрешение. Пространственное разрешение - мера качества изображения, характеризующая наименьшее расстояние между двумя точками объекта, которые можно отличить как отдельные детали изображения. Разрешение зависит от толщины среза, FOV и числа точек данных. Увеличение матрицы изображения уменьшит размер пиксела, но не всегда улучшит разрешение.

Способ выделения среза: параметры РЧ возбуждающих импульсов и связь величины импульсных градиентов с толщиной среза. В томографическом эксперименте определение и выделение среза имеет важнейшее значение. Они определяются характеристиками возбуждающего импульса. Определение среза. Простейший жесткий импульс, который мы использовали при обсуждении РЧ-импульсов, не имеет четкой ширины полосы и поэтому не позволяет достаточно хорошо определить срез. Чтобы улучшить четкость определения ширины полосы частот РЧ-импульса, мы должны придать импульсу определенную форму, т.е. менять его имплитуду во времени (рис. 5-17).

Широко используются гауссовы и sine-импульсы, из которых второй дает наилучший профиль среза. Этот импульс имеет математическое определение sinc(x)=sinx/х. В то время как Фурье-образ гауссианы является также гауссианой, Фурье-образ sine-импульса близок к идеальному прямоугольному профилю. Однако, sine-импульс не оптимален для многих импульсных последовательностей: поэтому за последние годы разработано много альтернативных профилей импульсов.

Подбор среза. Мы можем выразить величину градиента либо в мТл/м, либо в Гц/м. Поскольку импульс имеет фиксированную ширину полосы (в предположении, что длительность импульса поддерживается постоянной), то уменьшение величины градиента уменьшает число Гц/м, а это ведет к увеличению толщины среза (рис. 5-18).

Например, для sine-импульса с шириной полосы 2 кГц увеличение срезающего градиента с 4 мТл • м-1 (1.7 кГц/см) до 8 мТл/м (3.4 кГц/см) уменьшит толщину среза с 11.8 мм до 5.9 мм. Наложение РЧ-импульса в отсутствие каких-либо градиентов поля приведет к возбуждению всего образца. Если градиент поля включен одновременно с РЧ-импульсом, то магнитное поле, а с ним и резонансная частота, будут меняться в зависимости от положения точки измерения внутри образца. РЧ-импульс на частоте резонанса создает возбуждение в центре магнита, где градиент не создает никакого эффекта (рис. 5-7). Ядра, находящиеся вне центра, не могут быть возбуждены РЧ-импульсом на частоте Лармора. То расстояние (или, что то же, толщина среза), внутри которого выполняются условия резонанса для центра магнита, определяется интервалом частот (шириной полосы), содержащихся в возбуждающем импульсе и величиной градиента магнитного поля. Если РЧ-импульс содержит только точно определенную полосу частот, то возбуждение произойдет лишь для точно определенного интервала положений, что соответствует точному подбору места среза внутри образца. Длительность РЧ-импульса и связанная с нею ширина его полосы – второй фактор, влияющий на толщину среза. Чем длительнее импульс, тем тоньше будет срез (рис. 5-19). Практически для уменьшения толщины среза удлиняют время появления эха (ТЕ). Поскольку ТЕ измеряется от центра импульса, то более длительные импульсы для получения более тонких срезов ведут к необходимости удлинения начального ТЕ, а это, в свою очередь, влияет на экспозицию, артефакты изображения и на контраст. Изменение частоты РЧ-импульсов соответствует смещению положения резонирующих ядер от центра образца. Таким образом мы можем предвигать срез в любое нужное нам положение вдоль выбранной оси (рис. 5-20). Для поперечного среза градиент, образующий этот срез, прикладывают вдоль оси z, для коронального среза соответствующий градиент прикладывают вдоль у-оси, градиент вдоль х-оси создаст сагиттальный срез.