Современная электроника №7/2022

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 11 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Рис. 1. Ориентация магнитных моментов протонов (а) при отсутствии магнитного поля (б), во внешнем магнитном поле (в) Рис. 2. Внешний вид типового МР-томографа ориентированы случайным образом, стрелки векторов направлены в раз- ные стороны (рис. 1б). В сильном маг- нитном поле происходит возбуждение протонов, магнитный момент прото- нов ориентируется либо по направле- нию силовых линий магнитного поля, либо в противоположном направлении. При этом в состоянии равновесия боль- шее количество протонов будет иметь меньшую энергию, а меньшее коли- чество – большую энергию. Однако это различие небольшое. Количество избыточных протонов пропорциональ- но величине магнитной индукции B (Тл, Тесла), характеризующей интен- сивность магнитного поля. Превышаю- щее количество протонов, ориентиро- ванных параллельно в поле с В = 0,5 Tл, составляет всего лишь 3 протона на миллион, в системе с В = 1 Tл – 6 про- тонов на миллион и при В = 1,5 Tл – 9 протонов на миллион. 9 протонов на миллион избыточных протонов не кажутся очень большим количеством, но, в действительности, они склады- ваются в целое множество протонов, учитывая миллиарды протонов в теле человека [1]. Протон в магнитном поле может поглощать фотон с частотой ν , зави- сящей от её гиромагнитного отно- шения γ : ν = γ B. Величину ν называют резонансной частотой Лармора. Для водорода γ = 42,57 МГц/Тл. Поэтому для магнитной индукции 1,5 Тл резо- нансная частота равна 63,855 МГц, для индукции 3 Тл – 127,7 МГц. В ЯМР, используемом в медицине, резонансная частота Лармора находится в пределах 15–80 МГц, т.е. располагается в радио- частотном диапазоне [1–3]. Частота Лармора – важнейший параметр, необходимый для опреде- ления рабочей частоты МРТ систе- мы. Посылаемый радиочастотный (РЧ) импульс должен иметь частоту, равную резонансной частоте Лармо- ра (эта частота безопасна для челове- ка). Именно поэтому метод был назван магнитно-резонансной томографи- ей. Только протоны, вращающиеся с частотой РЧ-импульса, реагируют на этот РЧ-сигнал. Если воздействовать импульсом другой частоты, ничего не произойдёт [1, 2, 7] . Протон может подвергаться перехо- ду между двумя энергетическими состо- яниями. На нижнем энергетическом уровне частица поглощает фотон и переходит на верхний энергетический уровень. Энергия протона E связана с его частотой через постояннуюПланка h = 6,626·10 –34 Дж·с: E = h ν . Так как ν = γ B и E = h ν , для того, чтобы вызвать переход между двумя энергетическими состоя- ниями, фотон должен иметь энергию E = h ν B. Сигнал ядерного магнитного резо- нанса возникает в результате взаи- модействия радиоволн с веществом. Радиоволны можно рассматривать как кванты энергии. Если воздействовать на протоны радиочастотным излучени- ем резонансной частоты, то в результа- те поглощения квантов энергии про- исходит квантовый переход протонов с низкого энергетического уровня на более высокий энергетический уровень (в возбуждённое состояние). При отключении радиосигнала происходит процесс релаксации: протоны возвра- щаются в прежнее состояние и излуча- ют энергию в виде электромагнитного излучения (кванта). Это и есть ЯМР – сигнал, который регистрируется томо- графом. 3. Устройство магнитно- резонансного томографа В зависимости от величины индук- ции магнитного поля различают несколько типов томографов: до 0,1 Тл – сверхнизкопольный томо- граф; 0,1–0,5 Тл – низкопольный; 0,5–1 Тл – среднепольный; 1–2 Тл – высокопольный; более 2 Тл – сверх- высокопольный. Внешний вид магнитно-резонанс- ного томографа (МР-томографа) показан на рис. 2 [6]. Он состоит из следующих основных блоков: маг- нита, градиентных, радиочастот- ных (РЧ) и шиммирующих кату- шек, охлаждающей системы, систем приёма, передачи и обработки данных, системы экранирования. Магнит, соз- дающий сильное устойчивое магнит- ное поле, является основной частью МР-томографа. Известнымагниты сле- дующих видов: постоянные, резистив- ные, сверхпроводящие и комбиниро- ванные. Постоянные магниты состоят из сплавов, которые обладают свой- ствами ферромагнетиков. Они не тре- буют энергии и систем охлаждения для поддержания магнитного поля. В больших объёмах удаётся создать маг- нитные поля с индукцией до 0,35 Тл. В резистивных магнитах поле созда- ётся в результате пропускания силь- ного электрического тока по проводу, намотанному на железный сердечник. Индукция поля таких МРТ немного больше 0,6 Тл. Но эти томографы нуж- даются в охлаждении и в постоянном электропитании. В гибридных системах для создания магнитного поля исполь- зуются и проводящие ток катушки, и постоянно намагниченный материал. Для создания полей с индукци- ей свыше 0,5 Тл необходимы сверх- проводящие магниты, которые дают однородное и стабильное во времени магнитное поле. Структура сверхпро- водящего магнита показана на рис. 3 [6]. Структурная схема МР-томографа со сверхпроводящим магнитом показана на рис. 4 [8, 9]. Катушки такого магнита помещают в кожухсжидкимгелиемпритемпературе 4,2 К (–269 о С). Кожух, в свою очередь, окружён охлаждающим контуром с а б в χ 0