Магнитно-резонансная томография тепловых эффектов в модельных средах (1103556), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Традиционно в МРТ-установках исключено помещение в рабочую зонуметаллических и металлосодержащих объектов по причине производимых ими нарушенийоднородности магнитного поля, ведущих к искажениям МРТ-изображений. В определённыхусловиях, однако, искажения могут быть малыми или доступными для моделирования споследующим устранением их из МРТ-изображений, как паразитных. Этот вопросисследуется в диссертации с использованием стандартных для обычной теплотехникивысокоомных проводников и температурных датчиков.
Описываются методики совмещениянагревателей с МРТ-аппаратурой и наблюдения тепловых эффектов, вызванных их нагревом.10Рис. 2Т1-взвешенные изображения растительного масла, полученные при разныхнаборах параметров импульсной последовательности true_FISP (7 Тл). Обозначения натабличках: AV - количество накоплений сигнала, RES – пространственное разрешение, SEG количество сегментов TI. Контролируемые параметры: время релаксации Т1 и времяизмерения t.Рис. 3Модельный образец – блок из стеклянных трубок с навитой в центре 0.1 ммвольфрамовой проволокой.
Аксиальная и сагиттальная проекции. a-f - Т1-взвешенныеизображения блока, погруженного в воду, с током в проволоке, указанном на снимках (7Тл). Контуром выделена увеличивающаяся с увеличением тока область искаженныхвокселов, принятая для расчета размера артефакта.11Эксперименты проводились на модельных конструкциях, представляющих собойаксиально симметричные блоки стеклянных трубок с размещенными в центральной частипроволочными нагревателями. В зависимости от материала нагревателя и МРТ-режимовпрослеживалась пространственно-временная динамика артефактов, исходящих от материаланагревательного элемента и магнитного поля электрического тока (рис.
3). Проводиласьоценка погрешностей измерений (искажений), вызванных присутствием в рабочей зонепроводящих сред – меди, стали, нихрома (рис. 4 и 5) Найдены способы снижения влиянияартефактов путем варьирования ВАХ цепи нагревательного элемента, использованиябинарной намотки провода, а так же смещения зоны сканирования FOV для подавления РЧнаводки от проводов, питающих нагревательный элемент и температурные датчики.Исследован вопрос о работоспособности температурных датчиков в условиях сильныхмагнитных полей, найдены условия их устойчивой работы. С учетом накопленных данныхразработана МРТ-совместимая приставка, способная работать в условиях сильныхмагнитных полей и позволяющая создавать и регистрировать температурные поля внутримодельных жидкостных объемов (рис. 6).Третья частьпосвящена описаниютермометрическихМРТ-экспериментов,проведенных с помощью разработанной установки, по визуализации карт распределения ичисленной оценке времени Т1-релаксации и химического сдвига протонов на примерерастительного масла.
Осуществлена регистрация а) стационарного температурногоградиента одновременно в пяти точках пространства с различными температурами в рамкаходного режима (true_FISP и PVM_PRESS) и б) ступенчато изменяющейся температуры содним температурным датчиком. Для количественного определения Т1 использована быстраяимпульсная последовательность инверсии-восстановления true_FISP (3 накопления, 0.1см/пиксел,13шаговTI:4K-300)савтоматическойперестройкойпараметровпоследовательности в пределах одного режима (с возрастающими временами инверсии). Приработе P-методом использована последовательность PVM_PRESS (32 накопления при зонесканирования 10х10 мм).
По совокупности измерений установлен линейный температурныйрост обоих параметров, составивший 6.8 мс/˚С (с точностью 3%) для Т1-релаксации и 0.02ppm/˚С (с точностью 2.5% ) для химического сдвига (рис. 7 и 8).Полученные результаты анализируются в рамках представления о тепловомперераспределении спинов по зеемановским энергетическим уровням и соответствующемэнергетическом обмене системы спинов с массивом среды, в которой они находятся.Обсуждается, как наиболее вероятная, причина температурной зависимости химическогосдвига – температурное изменение электронного экранирования протонов.12Рис.
4Зависимость величины артефакта (количества искаженных вокселов) от силытока в проводе нагревательного элемента из 1) вольфрама, 2) меди и 3) нихрома. (7 Тл).Рис. 5Зависимость величины артефакта (количества искаженных вокселов) от силытока в 0.2 мм медной проволоке при 1) прямой и 2) встречной намотках, (7 Тл).13Рис. 6Т1-взвешенные изображения деталей жидкостная кюветы-вставки.
Стрелкойотмечено расположение температурных датчиков. Контуром показана геометрия среза присканировании в режимах true_FISP и PVM_PRESS.Рис. 7Химический сдвиг линии резонанса протонов 1H в растительном масле приизменении температуры. Импульсная последовательность PVM_PRESS (7 Тл).14Рис. 8Температурные зависимости времени Т1-релаксации (последовательностьtrue_FISP) и величины химического сдвига для растительного масла, полученные с помощьюпоследовательностей и PVM_PRESS.В третьей главе «Регистрация температурного поля Т1-методом в условиях лазернойгипертермии» описываются эксперименты по МРТ-термометрии модельных объектов –растительного масла, сырого и термически коагулированного яичного белка, при генерациитеплового поля путем световодной подачи внутрь исследуемых образцов лазерногоизлучения.Температурное поле, создаваемое лазерным источником, в общем случае, по временинеустойчиво.
При подаче световой энергии внутрь образца температура в зоне нагреварастет, а при выключении источника излучения падает. Для корректной регистрации МРТкартины требуется хотя бы минутное поддержание стационарной картины температурногополя. Отработка нужного режима выполнялась в 2 этапа: калибровочные термическиеизмерения вне магнитного поля и собственно МРТ-исследование (в присутствие поля). Цельпервого этапа – регистрация и анализ пространственно-временного поведения профилятемпературного поля и подбор параметров нагрева, оптимальных для использования в МРТ.Цель МРТ-измерений – визуализация зоны нагрева в реальном времени.Впервойчастирассматриваетсяпирометрическийметодрегистрациитемпературного поля. Обосновывается подбор веществ для исследования, описываетсяустановка для пирометрических измерений: передвижной блок с закрепленным на немпирометром с длиной фокусировки 10 мм (рис.
9). Блок движется прямолинейно надразмещенным под ним образцом (фантомом), в глубину которого до центра введенволоконный световод. Пироприемник регистрирует температуру поверхности по линии над15световодом. В фантом вводится ИК излучение с длиной волны 1.07 мкм от лазернойустановки «Модуль ГФ» с дискретными уровнями мощности 2, 4 и 6 Вт. Проводитсялинейное сканирование поверхностной зоны нагрева, являющейся проекцией на поверхностьглубинноготепловогосканирования(поверхностнойпроцесса,строятсявызванноголазернымпространственно-временныетемпературы),которыенагревом.Позависимостизакладываютсявосновурезультатампиросигналадальнейшегомоделирования объемного температурного поля внутри фантома.Вторая часть главы посвящена описанию теоретической модели диффузии тепла отточечного источника.
Нагревательная система описывается в рамках классическогопредставления о распространении тепла на основе линейного уравнения теплопроводности,которое устанавливает связь между временными и пространственными изменениямитемпературы в любой точке поляT f x , y, z, t :T / t a2T +q,(1)где a = χ/(cρ), χ – коэффициент температуропроводности, с – теплоемкость, ρ – плотностьвещества, q – функция источника.Без источника тепла и при теплопроводности ткани, не зависящей от координаты итемпературы, распределение температуры передается гауссианом вида,(2)где А – площадь под колоколообразной кривой (характеризует полное количествонеравновесной тепловой энергии в системе).
При остывании без подачи тепла гауссианмонотонно расплывается со временем с сохранением площади А и падением температурывблизи максимума по известному закону Т ~ А / √. При наличии источника q(t) задачатребует задания конкретных условий преобразования световой энергии в тепло в зоненагрева, и задача становится безнадежно сложной. В диссертации моделирование упрощено16Рис. 9Схема пирометрических измерений при лазерном нагреве.Рис. 10Температурный выброс при включении процесса подачи тепла.17заданием процесса нагрева линейной зависимостью А = Q + к T , оставляющей уравнениетеплопроводности (1) линейным. Из решения уравнения и подгонки параметров гауссианапод данные калибровочных пирометрических измерений найдены временные промежуткиотносительной устойчивости температурного поля, т.е.
режимы, удобные для сканированияМРТ-методом.В третьей части излагаются результаты эксперимента по МРТ ткани в режимерелаксации Т1 при тепловом воздействии на ткань. Исследовались пространственновременные изменения МРТ-контраста в зависимости от температуры. Были осуществленытри режима сканирования – метод спин-эхо (SE), метод инверсии-восстановления (IR) ибыстрый метод true_FISP, и построены временные зависимости Т1 для исследуемыхобразцов.
Из сравнения этих данных с калибровочными пирометрическими даннымивременные зависимости Т1 пересчитывались в температурные. Зарегистрирован выброс Т1 вначальный момент времени и дальнейший его медленный температурой рост (Рис. 10).Найденный эффект описан ненулевой добавкой Q в формуле подачи тепла. Это означаетрезкий рост температуры в центре зоны нагрева.
Практическим выводом для гипертермииможет быть вывод об опасности неконтролируемо быстрого включения тепла с цельюнагрева ткани даже в режиме совсем малой мощности.Четвертая глава посвящена поиску ответа на вопрос о происхождении сигналаЯМР в жидкой воде. Предложен эксперимент, который дает возможность выявить,индивидуальный протон ли 1Н со спином ½ или орто-молекула Н2О со спином 1 резонируютв магнитном поле.В первой части обосновывается схема проведения эксперимента.
Предложено спогрешностью не хуже нескольких процентов измерить интегральный ЯМР-сигнал S отобразцов жидкой воды, содержащих разное количество n молекул Н2О для того, чтобыопределить, пропорционально чему изменяется S от образцов – числу протонов 2n или числуорто-молекул 1.5n. Различить два случая предложено путем введения в образцы H2Oдозированных количеств тяжелой воды D2O, опираясь на тот факт, что концентрациипротонов и орто-молекул в растворах H2O-D2O разного состава ведут себя по-разному.Благодаря обратимости реакцииН2О+D2О↔2НDО(3)равновесный раствор Н2О-D2О с необходимостью содержит смешанные молекулы НDО.При малых начальных концентрациях Н2О практически все молекулы Н2О разрушаются иидут на образование НDО.
Однако при соотношении 50/50 вода Н2О отдает на строительство18НDО только половину своих молекул, сама оставаясь в растворе в заметном количестве – дочетверти объема раствора. Добавление D2О в образцы Н2О количества протонов не изменяети ведет лишь к перераспределению протонов между молекулами Н2О и НDО. Количествопротонов с коэффициентом 2 линейно отслеживает увеличение исходной концентрации Н2О.В то же время, D2О разрушает молекулы Н2О, как орто, так и пара, и уменьшает ихколичества.
Разрушение молекул Н2О молекулами D2О порождает два конкурирующихпроцесса - уменьшение числа ЯМР-активных орто-молекул, уменьшающее S, и появлениеиз разрушенных орто и пара-молекул ЯМР-активных молекул НDО, увеличивающее S. Еслисчитать, что ЯМР-сигнал образуется протонами вне зависимости от того в состав, какихмолекул они входят, то можно ожидать, что в процессе увеличения концентрации Н2O вприсутствие тяжелой воды D2O ЯМР-сигнал растет линейно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
