Разбираем магнитно-резонансный томограф
Квантовая физика, математика, биология, криогеника, химия и электроника сплелись единым узором, чтобы воплотиться в железе и показать настоящий внутренний мир человека, и даже, ни много ни мало, прочитать его мысли. Электроника таких аппаратов, по надежности и сложности может сравниться разве что с космической. Эта статья посвящается оборудованию и принципам работы магнитно-резонансных томографов.
В области современного томографостроения лидируют мастодонты электронного мира: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Только такие крупные компании могут позволить себе разработку столь сложного оборудования, стоимость которого как правило составляет десятки (почти сотни) миллионов рублей. Разумеется, ремонт такой дорогущей техники у официального представителя влетает в огромную копеечку владельцу аппарата (а они к слову в основном частные, а не государственные). Но не стоит отчаиваться! Также как и сервис-центры по ремонту ноутбуков, телефонов, чпу-станков, да собственно любой электроники существуют фирмы, занимающиеся ремонтом медицинского оборудования. В одной из таких фирм я и работаю, поэтому продемонстрирую вам интересную электронику и постараюсь описать ее функционал понятными словами.
Магнитно-резонансный томограф фирмы GE Healthcare с полем 1.5 Тесла. Стол отсоединяется от томографа и может быть использован как обычная каталка.
Вся магия МРТ начинается с квантовой физики, откуда берет свое начало термин «спин», применяемый к элементарным частицам. Можно встретить кучу определений, что такое спин, общепринято — это момент количества движения частицы, что бы это не значило. В моем понимании частицы как-бы постоянно вращаются (упрощенно) создавая при этом возмущения в магнитном поле. Так как элементарные частицы в свою очередь образуют ядра атомов, считается, что их спины при этом складываются и ядро обладает собственным спином. При этом, если мы хотим как-то взаимодействовать с ядрами атомов с помощью магнитного поля, нам будет очень важно, чтобы спин ядра был ненулевой. Совпадение или нет, но самый распространенный в нашей вселенной элемент — водород имеет ядро в виде одного единственного протона, который имеет спин равный ½.
Спин может принимать только определенные значения, как целые например 0,1,2, так и полуцелые, вроде ½ как у протона. Для незнакомых с квантовой физикой это кажется противоестественным, но на квантовом уровне все делится на порции, и становится в некотором роде дискретным.
А это означает, что упрощенно, ядра водорода можно рассматривать как очень маленькие магниты, имеющие северный и южный полюс. И стоит ли упоминать, что в теле человека атомов водорода просто море (около 10^27), но так как мы не притягиваем к себе железки, становится очевидно, что все эти маленькое «магниты» уравновешиваются между собой и остальными частицами, и общий магнитный момент тела практически равен нулю.
Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Протоны с черными стрелками, символизирующими стрелку компаса вращаются в направлении синей стрелки.
Приложив внешнее магнитное поле, можно вывести эту систему из равновесия и протоны (не все конечно) поменяют свою пространственную ориентацию в соответствии с направлением силовых линий поля.
Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance
Imaging Techniques. Спины протонов в теле человека показаны в виде векторов-стрелочек. Слева отражена ситуация когда все протоны находятся в магнитном равновесии. Справа — когда приложено внешнее магнитное поле. Нижние визуализации показывают тоже самое в трехмерном варианте, если построить все векторы из одной точки. При всем этом, происходит вращение (прецессия) вокруг силовых линий магнитного поля, которая показана круглой красной стрелкой
Прежде чем протоны сориентируются в соответствии с внешним полем, они будут какое-то время колебаться (прецессировать) около положения равновесия, как и стрелка компаса, что колебалась бы возле отметки «север», если бы производитель предусмотрительно не добавил бы демпфирующую жидкость внутрь циферблата. Примечательно, что частота таких колебаний различается для разных атомов. На измерении этой частоты например, основаны методы резонансного определения состава исследуемого вещества.
Частота эта не безымянная и носит имя ирландского физика Джозефа Лармора, называется соответственно Ларморовой частотой. Зависит от величины приложенного магнитного поля и специальной константы — гиромагнитного соотношения, которая зависит от типа вещества.
Для ядер атомов водорода в поле величиной 1 Тесла эта частота составляет 40.45 МГц, ну или простыми словами, колебания протонов вокруг силовых линия поля такой напряженности происходят около 40 миллионов раз в секунду. Если мы облучим протоны радиоволной с соответствующей частотой, то возникнет резонанс, и колебания усилятся, вектор общей намагниченности при этом сместится на определенный градус относительно линий внешнего поля.
Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance
Imaging Techniques. Показано как смещается общий вектор намагниченности, после воздействия радиоволны с частотой, которая вызывает резонанс в системе. Не забываем, что все это продолжает вращаться относительно силовой линии магнитного поля (на рисунке она расположена вертикально).
Тут и начинается самое интересное — после взаимодействия радиоволны с протонами и резонансного усиления колебаний, частицы снова стремятся придти к равновесному состоянию, при этом, излучая фотоны (из которых и состоит радиоволна). Это и называется эффектом ядерного магнитного резонанса. По сути, все исследуемое тело превращается в огромный массив миниатюрных радиопередатчиков, сигнал с которых можно поймать, локализовать и построить картину распределения атомов водорода в веществе. Так что, как вы уже догадались, по сути МРТ показывает картину распределения воды в организме. Чем сильнее напряженность поля, тем большее число протонов можно использовать для получения сигналов, поэтому разрешающая способность сканера напрямую зависит от этого.
Сей эффект проявляется не только в сильных магнитных полях — каждый день, даже по пути в магазин за хлебом, протоны нашего тела испытывают влияние магнитного поля Земли. Исследователи из Словении например, построили экспериментальную систему МРТ, использующую лишь магнитное поле нашей планеты.
Иллюстрация из научной статьи «Magnetic Resonance Imaging System Based on
Earth«s Magnetic Field» Авторы: Ales Mohoric, Gorazd Planins и др. Демонстрирует снимки, полученные с использованием экспериментальной системы. Слева яблоко, справа — апельсин. Показательно не то, что получаются снимки с плохим качеством, а сама принципиальная возможность использования МР в слабых полях.
Разумеется, в коммерческих медицинских сканерах, напряженность магнитного поля многократно выше земного. Наиболее часто используют сканеры с полем 1, 1.5 и 3 Тесла, хотя есть как более слабые (0.2, 0.35 Тесла), так и суровые монстры в 7 и даже 10 тесла. Последние используют в основном для исследовательской деятельности, и в нашей стране насколько мне известно, таких нет.
Конструктивно поле в сканере может создаваться по разному — это и постоянные магниты, и электромагниты, и погруженные в кипящий гелий сверхпроводники по которым текут огромные токи. Последние широко распространены, и представляют наибольший интерес, так как позволяют добиться несравненно большей напряженности поля по сравнению с другими вариантами.
Типичная конструкция аппарата МРТ, поле в котором создается током, текущим через сверхпроводники. Источник — интернет.
Температура сверхпроводящих обмоток поддерживается благодаря постепенному испарению хладагента — жидкого гелия, кроме того в системе работает криокулер, на жаргоне медтехников называемый «холодной головой». Он издает характерные чавкающие звуки, которые вы наверняка слышали если хоть раз видели аппарат вблизи. Ток в сверхпроводниках течет постоянно, а не только во время работы аппарата, соответственно магнитное поле есть всегда. На незнании этого факта часто попадаются киношники (например в последнем сезоне сериала «Черное зеркало» был подобный ляп).
На панели управления аппаратов такого типа есть большая красная кнопка, позволяющая отключить магнитное поле (Rundown magnet). Она не без иронии называется «Кнопка увольнения».
Одна из панелей управления томографом фирмы Siemens
Нажатие этой кнопки включает аварийные нагреватели в емкости с хладагентом, которые поднимают температуру обмоток до критической точки, после которой процесс идет лавинообразно: после приобретения обмотками сопротивления, ток через них моментально разогревает их и все вокруг, приводя к выбросу гелия через специальную трубу. Этот процесс называется «квенч», и это наверное самое грустное, что может случится с аппаратом, так как восстановление его работоспособности после такого занимает очень много времени и денег.
Томограф Siemens Espree, с полем 1.5. Тесла, обратите внимание на металлические ключи, которые спокойно лежат на столе — магнитного поля тут больше нет. Был закуплен для некоторых государственных клиник у компании Siemens так как более дешевый за счет «новой» укороченной емкости. Укорочение конструкции вылилось в то, что он любит часто пускать гелий на ветер сам по себе.
Тем временем после небольшого отступления, снова вернемся к теории. Если просто принимать радиоволны испускаемые протонами тела в ответ на резонансные радиоимпульсы, картинку не построить не выйдет. Как же локализовать сигнал, который идет сразу со всех частей тела? В свое время исследователи Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд получили за решение этой проблемы нобелевскую премию по медицине. Если вкратце, их решение состоит в применении дополнительных обмоток в аппарате, создающих практически линейное изменение напряженности магнитного поля вдоль выбранного направления — градиент поля. Так как наше пространство вроде как трехмерное, то и обмоток используется три — оси X, Y и Z.
Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Примерно так выглядят дополнительные градиентные обмотки внутри аппарата — реальные обмотки имеют конечно более сложную структуру.
Если напряженность магнитного поля изменяется по линейному закону, то при активации одного из градиентов протоны вдоль этого направления будут иметь различную резонансную частоту.
Иллюстрация с сайта howequipmentworks.com. Символически нарисованы градиентные обмотки (синим) и радиочастотная обмотка (зеленым). Показано что при создании градиента поля вдоль стола в точке А резонансная частота протонов будет отличатся от частоты в точке B
Использование градиентов позволяет манипулировать полем так, чтобы сигнал приходил только из конкретно определенных областей. В зависимости от амплитуды полученного сигнала выбирается яркость пикселя на картинке. Чем больше концентрация протонов в области — тем ярче результат.
Такое описание конечно сильно утрировано. Реально же сигнал локализуется комбинированием сразу всех трех градиентов, причем картинка строится не пиксель за пикселем, как можно подумать из этого описания, а сразу целой строкой. Не последнюю роль в этом играет и известное преобразование Фурье. Подробное описание можно прочитать в книге «Introduction to Magnetic Resonance Imaging Techniques» Lars G. Hanson. Данная статья увы все не вместит.
Чтобы создать градиент магнитного поля, нужно пропустить через градиентные обмотки большой ток, причем импульс должен быть довольно кратковременным, и с крутым фронтом, а для некоторых программ и вовсе требуется, чтобы направление тока в градиентной обмотке мгновенно менялось на противоположное для перемагничивания. Этим занимаются мощные импульсные преобразователи, они занимают целую стойку в аппаратной.
Градиентные усилители аппарата Siemens Harmony 1T. Рабочие характеристики — до 300 Ампер и до 800 Вольт, при использовании шести модулей — на фото представлено три модуля.
В аппаратах Siemens традиционно используется водяное охлаждение силовых компонентов — трубки видно на фото. Это нередко выливается (интересный каламбур) в хороший салют при любой течи. Несмотря на хваленое немецкое качество, никто не озаботился установкой датчиков протечки (в этом плане им стоило бы поучиться у GE). Но справедливости ради, конкретно градиентные блоки текут редко, чаще они выходят из строя без видимой причины.
Внутренности градиентного модуля от Siemens Harmony старого типа.
Модуль вроде тех, что показан на фото тяжело поддается ремонту — транзисторы приклеены к медной трубке на что-то вроде холодной сварки, и горят они там сразу десятками. Чтобы снять плату, требуется отпаять одновременно несколько десятков ножек! Лучше забудем этот кошмар, и посмотрим на более свежее решение от немецкого производителя.
Градиентный усилитель от Siemens Harmony. Более новая версия. Две симметричные платы прикручиваются болтами к очень мощным полевым транзисторам. Транзисторы работают группами по шесть штук параллельно, горят конечно тоже не по одному. Модель на фото уже слегка «отколхожена», вместо родных разъемов между платами впаяны медные пластины. Обратите внимание на верхний правый угол фото — это оптические кабели по которым идет сигнал на открытие ключей. Если перепутать их подключение — блок тут же сгорает с громким хлопком, никакой защиты «от дурака» в такой технике не предусмотрено.
Одной из главных проблем при ремонте является отсутствие какой-либо документации, тем более, оборудование весьма специализированное. Поэтому порой приходится набить немало шишек и пожечь довольно много недешевых компонентов, чтобы понять что же было не так. Конечно, за деньги можно купить и сервисные мануалы, но как правило, они весьма поверхностные. Крутые фирмы надежно хранят свои секреты.
Чем сильнее магнитное поле в аппарате, тем соответственно более мощными должны быть и градиентные преобразователи. В аппаратах с полем 1.5 Т и 3 Т куча параллельных полевых транзисторов, которые нужно набрать для обеспечения необходимой мощности, становится чересчур огромной, в дело вступают IGBT сборки, подобные тем, что ставят в промышленные преобразователи частоты для управления двигателями.
Градиентный усилитель Quantum Cascade в разборе, ток до 500 Ампер, выходное напряжение до 2000 В. В его составе работают 20 мощных IGBT сборок. Здесь есть интересный момент — сама по себе сборка не выдержит 2 киловольта, это напряжение получается путем использования пяти независимых источников по 400В каждый. Моя мечта — собрать из этого агрегата катушку Тесла.
Что же творится с градиентными обмотками, когда по ним текут такие чудовищные токи, с учетом того что они еще и находятся в неслабом магнитном поле? Сила Ампера разумеется заставляет их деформироваться, но они накрепко залиты смолой по самое немогу. Тем не менее, даже это не спасает — так как градиенты работают в диапазоне звуковых частот, то возникающие при этом вибрации могут порождать довольно громкие звуки, по громкости напоминающие удар молотком по гвоздю (с той оговоркой, что вы слышали как стучат молотком около 5000 ударов в секунду). Поэтому практически в любом аппарате МРТ есть наушники, либо беруши. Софт и аппаратура постоянно контролируют уровень звука в помещении сканера, чтобы децибелы не выходили за допустимые пределы. Быстро изменяющееся при работе градиентов магнитное поле, вкупе с порождающими резонанс радиочастотными импульсами наводит вихревые токи в любой металлической поверхности рядом со сканером, что приводит к вибрации металла и небольшому нагреву, а на снимках даже от маленькой металлической пломбы появятся характерные артефакты. Именно по этой причине перед обследованием в МРТ требуют избавиться от всего металла (пломбы снимать не надо).
За создание радиочастотных импульсов нужной частоты отвечает блок синтезатора (в аппаратах Siemens) или же эксайтер (в случае аппаратов GE). Несмотря на разные названия, их функции примерно одинаковы. Эти блоки как правило надежны и редко требуют ремонта, если с ними аккуратно обращаться. Сигнал формируется путем цифро-аналогового синтеза, и представляет собой sinc-функцию.
Слева продемонстрированы два вида радиочастотных импульсов — гауссиан и sinc, он же так называемый кардинальный синус. Справа показан профиль возбуждения при их использовании в качестве радиочастотного возбуждающего сигнала — то есть примерно показана форма области, где протоны войдут в резонанс, вид сбоку. Разумеется нижняя версия более предпочтительна для создания изображений (слайсов), особенно когда они расположены близко друг к другу, чтобы уменьшить влияние сигналов за пределами выбранной области сканирования.
Наконец, мы подошли без преувеличения, к самому интересному по моему мнению блоку во всем томографе — радиочастотный усилитель мощности, который преобразует слабый сигнал с синтезатора в мощный, подаваемый на передающую антенну в аппарате.
В иностранной литературе все антенны, относящиеся к томографу зовуться «Coil», по-русски прижилось название «катушка». Вы вряд ли где-либо еще услышите слово «антенна» применительно к МРТ. Body coil — или «Боди-катушка» на местном диалекте — основная приемо-передающая антенна томографа, но кроме нее есть и другие, но о них — далее.
Мощность усилителя для томографа с полем 1Т составляет 10кВт, для поля 1.5Т уже 15 кВт, соответственно для более высокопольных аппаратов требуются большие мощности в плане радиочастотного излучения. Это одна из причин, почему высокопольные аппараты еще прочно не вошли в клиническую практику. Но давайте без фанатизма — постоянно разговаривая по мобильнику вы пооблучаетесь побольше чем за один сеанс в аппарате МРТ.
Как правило этот блок совмещает в себе сложные запутанные схемы управления и защиты, радиочастотные фишки, большие напряжения, а также проблемы с охлаждением.
В томографах General Electric и Hitachi ставят усилители мощности, изготавливаемые фирмой Analogic. Отличаются красивой компоновкой компонентов на плате, высокой живучестью — как правило в их усилителях несколько транзисторных каскадов работают параллельно, причем выходной сумматор устроен так, что при отказе одного каскада усиления, блок продолжит работать, хоть и не на полную мощность.
Плата усилителя из аппарата GE. Красивая и эффектная конструкция!
В аппарате с полем в 1.5Т стоят два таких красавца, по 8 кВт каждый. Верхняя девятислойная (!) плата — это хитрый импульсный блок питания, а сам усилитель размещен на нижней плате. К нам он попал по причине неисправности верхней платы. За отсутствием времени на разбирательства со схемой, успешно хакнули и собрали из двух серверных блоков питания замену. Кроме того путем подбора более крутых по характеристикам транзисторов смогли добиться усиления большего чем было изначально.
Этот малыш работает в системе с магнитным полем в 0.35Т, тем не менее легко угадывается похожесть на технику из GE — производитель один.
К сожалению, не могу сказать того же про продукцию Siemens. Очевидно, что перед инженерами, проектировавшими устройство радиочастотного усилителя поставили задачу во чтобы то ни стало использовать производимый компанией дешевый транзистор Buz103. Это хилый компонент в плане допустимой для него мощности, и чтобы выкрутится из положения, в итоговую конструкцию усилителя с красивым именем «Dora» вставили 177 транзисторов, все они стоят на двух огромных радиаторах, которые при работе находятся под высоким напряжением и контактируют через термопрокладку с радиатором водяного охлаждения, а тот уже в свою очередь постоянно течет, причем прямо на плату, что на фото далее.
Плата усилителя Siemens усилителя мощности 10кВт. Сплошные электротехнические понты: индуктивности из дорожек, идущие через несколько слоев, сложнейшая схема управления транзисторами на 10-слойной плате, резонаторы из полигонов и прочие малоприятные вещи.
Ремонтопригодность оборудования этой фирмы практически никакая. Имея в своем распоряжении производство транзисторов Siemens может позволить себе собрать близкие по параметрам детали из партии, путем отбора, а это очень критично когда параллельно работает сразу сотня транзисторов. И самое обидное, что даже если купить нужное количество на замену, то выяснится что то, что находятся в продаже оказывается не тем чем кажется.
Вскрытие транзисторов — снаружи все подписаны и выглядят одинаково, внутри — все разные. Оригинал — крайний справа. Те, что с меньшей площадью кристалла чем у оригинала — горят как спички, второй справа хоть и имеет близкую площадь, но отвратительно работает в режиме усиления.
Вероятно у кого нибудь может возникнуть вопрос, почему в описанных усилителях применяют транзисторы, а как же лампы? Действительно, в старых агрегатах фирмы Siemens, а также во вполне современных аппаратах Philips с полем в 3Т применяют именно лампы. Увы, фото данного железа у меня нет, но могу сказать что срок службы у этих элементов составляет всего год-два, а цена у них немалая. Вообще, как то в статье обделил вниманием Philips, нехорошо вышло. Исправлюсь немного:
МРТ нового типа — Philips Panorama. Как правило аппараты открытого типа основаны на постоянных либо электромагнитах, что автоматом означает низкое поле и качество картинки. Но не в этом случае. Поле этого аппарата 3 Тесла, и здесь также применяется сверхпроводник. Огромное по сравнению с обычным томографом пространство позволяет проводить исследование крупных пациентов, либо тех кто боится замкнутого пространства, например детей.
Мощность радиочастотного сигнала контролируется в самом блоке усилителя мощности, в измерительном блоке, осуществляющем подстройку передающей антенны (катушки) и еще в приемнике. Таким образом, аппарат МРТ имеет троекратную защиту от превышения допустимых норм радиоизлучения. Так что не бойтесь, и смело проходите обследование.
Несмотря на всю мощь усилителей, описанную выше, сигнал, получаемый в ответ на резонансное возбуждение довольно мал. Поэтому передающую антенну (Body coil), описанную ранее и находящуюся в корпусе томографа редко используют в режиме приема сигнала. Вместо этого, существует большой набор катушек (coils) для любых частей тела — голова, спина, колено, плечи и.т.п. Они находятся гораздо ближе к объекту исследования и позволяют добиться лучшего качества изображения. Но я думаю вы уже устали от кучи информации, поэтому я просто засуну в томограф арбуз.
Арбуз готовится к исследованию. На нем сверху лежит катушка, предназначенная для грудной области, под ним — катушка для спинного отдела и позвоночника. Справа на полу — шар для предсказаний специальный объект для калибровки систем аппарата, так называемый «фантом»
Мало кто режет арбузы в поперечном направлении. Аппарат МРТ позволяет сделать это без ножа. Знали ли вы об интересной фрактальной структуре внутри? Обратите внимание, что верхняя часть, которая ближе к приемным элементам катушки светлее, так как амплитуда сигнала, получаемого из этой области выше, чем снизу ягоды.
Продольный разрез уже знаком всем. Думаю, арбуз спелый, можно брать.
Сигнал с катушек поступает в блок приемника в виде аналоговых сигналов, где перерабатываются в цифровую форму. В новейшем оборудовании на острие прогресса, приемник с аналогово-цифровым преобразователем встроен прямо внутрь катушки, а к компьютеру идет оптическая линия передачи данных. Это сделано для того чтобы максимально убрать помехи. Компьютер, занимающийся построением изображения из этих данных обычно стоит отдельно и называется реконструктором. Полученные изображения печатают на пленку, которая кстати хорошо подходит для фоторезиста.
В заключение еще хотел добавить, что в России прямо сейчас проводят интересные исследования по улучшению качества изображения в аппаратах МРТ. Этим занимается кафедра нанофотоники и метаматериалов университета ИТМО. Если простыми словами — метаматериалы это композиты, имеющие специальную структуру. Они позволяют создавать антенны и резонаторы, с очень малыми размерами по сравнению с длинной волны излучения, что идеально подходит для магнитно-резонансной томографии.
