Главная → Услуги → Ремонт и продажа градиентных усилителей

Задать вопрос

Ремонт и продажа градиентных усилителей для МРТ

Поднимая данный вопрос, мы понимаем, что он достаточно сложный и требует обширного и развернутого объяснения. Вместить все тонкости в рамки данной статьи, скорее всего не получится…Попробуем сделать это в краткой форме.

Одна из основных систем магнинто-резонансного томографа (МРТ) – подсистема градиента магнитного поля.

Что такое градиент?

Градиент (от лат. gradiens, «шагающий, растущий») – вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный скорости роста этой величины в этом направлении.
В нашем случае градиент — это изменяющееся магнитное поле, которое позволяет однозначно определить от какой точки пришел эхо сигнал.
Градиентный усилитель в МРТ – генерирует мощное магнитное поле, по заданному закону.
Сам градиентный усилитель – это не усилитель вовсе. Любой усилитель — это генератор мощной копии входного сигнала. За счет энергии источника питания эта копия и формируется.
Для создания градиента магнитного поля, нужно пропустить через градиентные обмотки большой ток, причем импульс должен быть с крутым фронтом, а для некоторых программ и вовсе требуется, чтобы направление тока в градиентной обмотке мгновенно менялось на противоположное для перемагничивания. Этим занимаются градиентные усилители, они занимают целую стойку в аппаратной МРТ.
Чтобы получить высокий КПД градиентного усилителя используют ключевой режим работы силовых элементов (полевых транзисторов, IGBI сборки, комплементарных пар биполярных транзисторов…).
Один из частных случаев ключевого режима работы силовых элементов градиентного усилителя - это широтно импульсная модуляция (ШИМ).
Принцип работы ШИМ можно сравнить с наполнением бочки через тонкую трубу. Но кран открываем не плавно, а рывками на короткие промежутки времени. Причем стараемся, чтобы от полностью закрытого до полностью открытого положения прошло минимальное время. А скорость наполнения регулируем частотой открытия крана и длительностью открытого положения
Основные элементы градиентного усилителя МРТ:

1. Так как мы живем в трехмерном пространстве, то в градиентном усилителе применяются 3 перпендикулярные оси для получения 3-х основных проекций изображений. Изменяя закон управления градиентными усилителями можно получитьпроизвольную проекцию изображения.
2. Как правило, в градиентном усилителе есть основной контроллер, который управляет всей стойкой, самодиагностикой, охлаждением, питанием и т.д.
3. Один из основных элементов – блок питания. Преобразует энергию электрической сети к необходимым параметрам питания оборудования.
4. Сам усилительный модуль (ось – сленговое название) в количестве 3х штук, по количеству проекций.
5. Несмотря на высокий КПД, градиентныйусилитель выделяет очень много тепла и нуждается в системе охлаждения. Система охлаждениябывает, как воздушная, так и водяная, в зависимости от конкретнойконструкцииградиентного усилителя.

И, немного, теории

Если предположить, что магнитное поле однородно на 100 % (что не так), то все протоны в организме вращались бы с Ларморовой частотой (Рисунок1). Это также означает, что все протоны возвращали бы сигнал. Как узнать, от головы или от ног поступает сигнал? В общем, мы этого не знаем. Если оставить все как есть, мы не получим хорошее изображение; или точно не то, которое ожидали. Оно будет содержать только неразборчивые пятна. Решение нашей проблемы может быть найдено в свойствах РЧ волны, а именно: фаза, частота иамплитуда.
Сначала мы разделим тело на элементы объема, известные как вокселы. Затем закодируем воксел таким образом, что протоны, содержащиеся в нем, будут испускать РЧ волнус известной фазой и частотой. Амплитуда сигнала зависит от количества протонов в вокселе.
Введем новое понятие – градиентные катушки.

Градиентные катушки

Градиентные катушки представляют собой набор проводов в магните, которые позволяют создавать дополнительные магнитные поля, в некотором отношении, накладывающиеся на главное магнитное поле B0. Звучит сложно, но в действительности все проще.

Имеются 3 набора проводов. Каждый набор может создавать магнитное поле в определенном направлении: Z, X или Y. Когда ток поступает в Z градиент, магнитное поле создается в Z направлении (Рисунок 2A). Аналогично происходит в других градиентах (Рисунок 2B и2C).
Интересная деталь: Известно, что МРТ может создавать много помех во время сбора данных. Генерируемое магнитное поле очень сильное. Хотя градиентные катушки надежно зафиксированы в смоле, силы ими создаваемые, достаточны для возникновения вибрации катушек, и как следствиепомех.

Рисунок 3A схематически показывает формирование цилиндра из 3 градиентных катушек. Затем этот цилиндр помещается в отверстие магнита (Рисунок 3B).
Далее обсудим использование градиентов при кодировании сигнала.

Кодирование сигнала

• Будем получать аксиальные изображениямозга.
• Используем магнит с полем 1.5Т.
• Магнитное поле однородно и покрывает все тело с ног до головы. (В действительности это не так, однородная область находится в изоцентре магнита и составляет лишь 40 см в диаметре, но это допущение упростит объяснение).
Когда мы помещаем пациента в магнит, все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B0. Они вращаются с Ларморовой частотой 63.6 МГц (Рисунок 4).
При использовании 90º РЧ импульса возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возвращают сигнал, но откуда поступает сигнал: от головы или ног – мы не знаем.

При включенном Z-градиенте в этом направлении генерируется дополнительное магнитное поле, накладывающееся на B0. Обозначение
+Gz на Рисунке 5показывает, что поле B0 у головы немного сильнее, чем в изоцентре магнита. Более сильное поле B0 означает более высокую Ларморовую частоту. Вдоль всего наклона градиента поле B0 различно и, следовательно, протоны вращаются с разными частотами. Поэтому, протоны головы будут вращаться немного
быстрее, чем в изоцентре. Для протонов ног – обратная картина. Рисунок 5показывает, что частота вращения протонов ног составляет 63.5 МГц, в изоцентре магнита все еще 63.6 МГц, а протоны головы имеют частоту 63.7 МГц.
(Эти частоты взяты в качестве примера; в действительности разница между частотами гораздо меньше).
Теперь, если мы применим РЧ импульс с частотой 63.7 МГц, прореагируют ТОЛЬКО протоны в тонком срезе головы, потому что они - единственные, вращающиеся с этой же самой частотой (Рисунок 6).

Это называется срез-кодированием или срез-селекцией. В этом примере Gz – срез-кодирующий градиент.
Если на данном этапе принять ответный сигнал, мы сможем определить, что сигнал получен от единственного среза головы.

Теперь для одного направления (Z-направления) мы знаем, откуда поступает сигнал. Это –
большое достижение

Рисунок 7 показывает аксиальный срез, который только что был создан градиентом Gz. Если подробнее рассмотреть протоны 1 и 2 в этом срезе, мы увидим, что они оба вращаются с одной частотой И имеют одинаковуюфазу.
В срезе находится огромное количество протонов, и мы все равно не знаем из какой части среза получен сигнал: передней, задней, левой или правой сторон. Поэтому для точного определения непосредственного источника сигнала требуется дальнейшее кодирование.

Фазо-кодирующий градиент

Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент Gy. В течение этого времени в anterior-posterior направлении создается дополнительное магнитное поле градиента.

В этом случае передние протоны будут вращаться немного быстрее, чем задние протоны. Из-за этого различия протоны больше не вращаются в фазе. Взглянув на протоны 1 и 2, мы увидим, что протон 1 накопил большую фазу по сравнению с протоном 2 (Рисунок 8).

Когда градиент Gy выключен, каждый протон в срезе вращается с одинаковой частотой, НО каждый имеет различную фазу (Рисунок 9).
Это называется кодированием фазы.

После второго процесса кодирования необходимо сделать следующий шаг в поиске точного определения непосредственного источника сигнала.

Мы можем определить две вещи:

1.Сигнал поступает из среза головы. (Кодированиесреза)
2.Сигнал содержит ряд РЧ волн, имеющих одинаковую частоту, но разные фазы. Можно отличить, поступает ли сигнал с передней или задней сторон.(Кодирование фазы)
Все, что нам нужно сделать, – выполнить еще одно кодирование для определения стороны поступления сигнала: левая, центральная или правая часть головы.

Частотно-кодирующий градиент

Для кодирования левого-правого направления включается третий и последний градиент Gx, создающий дополнительное магнитное поле в этом направлении.
Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. (Рисунок 10).

Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но - что крайне важно - уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.
Теперь возможно определить, поступает ли сигнал с левой, центральной или правой стороны среза.
Задача выполнена!
Мы можем точно определять непосредственное происхождение сигналов, которые принимаются катушкой.
Давайте подведем итог и взглянем, чего мы достигли в течение всего процесса.

Рисунок 11 показывает конечный результат:

1.Gz градиент выбрал аксиальныйсрез.
2.Gy градиент создал строкисразными фазами.
3.Gx градиент сформировал столбцы с разными частотами.

Как видите, были созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы. Количество протонов в каждом вокселе определяет силу (амплитуду) РЧ волны.
Полученный сигнал, поступающий из различных областей (вокселей) мозга, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплиту

Компьютер получает это огромное количество информации и затем происходит «чудо».
Приблизительно через 0.25 секунды компьютер проанализирует данные и создаст изображение. «Чудо» – математический процесс, известный как двумерное преобразование Фурье (ДПФ), которое позволяет компьютеру вычислить точное размещение и интенсивность (яркость) каждого воксела. (Объяснение действия преобразования Фурье выходит за границы этой истории. Однако ПФ можно сравнить с призмой, преломляющей «белый» свет (МР сигнал) в цвета радуги (изображение). Мы сами постоянно проделываем ПФ ушами. Мы воспринимаем много различных звуков (МР сигнал) в одно и то же время. Наш мозг выполняет ПФ, чтобы точно определить происхождение и интенсивность отдельных звуков (МР изображение).

Примечание: за один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен столько раз, сколько определено параметром Матрицакодированияфазы(Mxpe). Это также объясняет потребность в параметре сканирования – время повторения (RepetitionTime -TR). Подробнее о характеристиках сканированияпозже.

Шаг в сторону: Характеристики градиента

Идеально, при включении градиента немедленно достигается максимум мощности, а при выключении сразу уменьшается до нуля (Рисунок 12A). К сожалению, дело обстоит не так, поскольку мы живем не в идеальном мире. В действительности градиенту необходимо некоторое время, чтобы достичь максимума мощности при включении и нуля при выключении (Рисунок 12B). Время, необходимое для достижения максимальной мощности, называется временем нарастания (Рисунок 12C). Если максимальную мощность разделить на время нарастания, получится параметр, называемый скоростью нарастания. Эти параметры являются характеристиками градиентной системы.
Вам следует сравнивать эти значения, потому что они отличны для каждой системы:

1.Максимальная сила: как можно выше (минимальное поле наблюдения FOVи максимальнаяматрица).
2.Время нарастания: как можно короче (см. пункт3).
3.Скорость нарастания: как можно больше (минимальное TR, TE иETS).

Эксплуатационные показатели сканера, и поэтому область его возможного применения, главным образом определяются эксплуатационными характеристиками системы градиента. Другие предсказуемые трудности связаны с напряженностью поля B0, компьютерной системой и доступностью использования интерфейса пользователя.

Шаг в сторону: толщина среза

На первом шаге кодирования сигнала с помощью срез-селектирующего градиента (Gss) определяется положение среза. В нашем примере толщина среза не играла роли. Однако в реальной жизни она очень важна.
Толщина среза определяется двумя факторами:

1.Крутизной наклона поляградиента.
2.Полосой частот 90º РЧимпульса.

На Рисунках 13A и 13B крутизна градиента одинаковая, в то время как полоса частот РЧ импульса разная. В качестве альтернативы, рисунки 13C и 13D показывают, что, изменяя крутизну градиента при постоянной полосе частот РЧ импульса, можно также изменять толщину среза.
Практически, толщина среза определяется комбинацией крутизны градиента и полосы частот РЧ импульса.

Рисунок 13

Источник:

1. ЭвертБлинк(Evert Blink), «ОсновыМРТ: Физика» (Basic MRI Physics)
2. Кретов Егор, «Разбираем Магнитно-резонансный томограф», https://habr.com/ru/post/405355/
3. Кучковой Павел, инженер Рустомограф

НАШИ УСЛУГИ X Аппараты МРТ по курсу 75 рублей за евро
подробнее
Заполните форму и мы перезвоним Вам