Imagistica prin rezonanță magnetică prezintă mai detaliat imagini datorită senzorilor de curent de înaltă performanță

Imagistica prin rezonanță magnetică a devenit un instrument indispensabil în spitalele moderne, oferind medicilor rapid și precis informații cu privire la ceea ce se întâmplă în interiorul corpului pacienților lor. Victimele accidentelor sunt rapid evaluate pentru leziuni ale organelor interne, iar prezența și evoluția unei boli este monitorizată, fără a fi nevoie de investigare chirurgicală. Mecanismul de detectare implicat depinde de câmpuri magnetice, iar pacienții nu trebuie să fie expuși la raze X pentru a determina ceea ce se întâmplă adânc în interiorul corpului.

de Claude Gudel, Senior Research & Development Engineer, LEM

După cum este bine cunoscut, imagistica prin rezonanță magnetică – MRI cunoscută și sub numele de rezonanță magnetică nucleară – RMN este deosebit de bine potrivită pentru a obține imaginea structurilor țesuturilor moi din corpul uman.
Este posibil să facă acest lucru, deoarece RMN-ul arată de fapt hărți cu distribuția moleculelor de apă. Fiecare parte diferită a oricărui organ va avea o densitate caracteristică de apă conținută în ea – este bine cunoscut faptul că o mare parte din compoziția chimică a fiecărei ființe umane este apa – și prin construirea unei imagini de diferite densități de apă, se va asambla, de asemenea, o imagine a organelor care conțin apă.

Figura 1: Nucleele atomice au un moment magnetic, reprezentat ca un vector cantitativ, cu direcția sa de-a lungul axei de rotație.

Apa nu este, convențional, considerată ca un material “magnetic”, iar parametrii care sunt măsurați prin RMN depind de un efect subtil la nivel atomic și molecular; un semnal slab care este revelat numai sub un puternic stimul, dar extrem de precis. La prima concepție, scanerele RMN au conținut de obicei, în cadrul sistemelor lor de control, senzori de curent care au exploatat efectul Hall. Acest lucru, în timp, a devenit o limitare cu privire la precizia și calitatea rezultatelor. Acum, o nouă generație de senzori a contribuit la îmbunătățirea foarte mare a detaliului disponibil în imagini RMN.

Fundamentele RMN

Toroidul mare care înconjoară pacientul într-un scanner RMN adăpostește mecanismele de excitație și de detectare. Acesta conține bobine pentru a genera câmpuri magnetice și electromagnetice – conduse de amplificatoare puternice şi precise – și senzori organizați pentru a colecta un semnal specific de nivel mic. Procesând semnalele se fac hărți cu energia conținută în respectivul semnal pentru fiecare element de volum scanat (un “voxel”, analog cu un pixel 2-D). Semnalul detectat este nota rezonantă de la protonii cuprinși în nuclee de atomi de hidrogen din moleculele de apă al organismului. Nucleele atomice acționează ca dipoli magnetici sau magneți atunci când sunt excitați de un câmp magnetic (Figura 1). Nucleele de atomi au o mișcare de rotație caracterizată de așa-zisul spin (sau momentul magnetic) care se reprezintă în mod convențional printr-un vector de-a lungul axei de rotație.

Figura 2: Cu un câmp magnetic DC având intensitatea Ho între 0,2 și 3 [T], axele de rotație sunt aliniate cu câmpul magnetic.

Sub influența unui câmp magnetic static constant și omogen (denumit în continuare Ho) dipolul se aliniază cu Ho, în două direcții: paralel și anti-paralel cu câmpul. Momentul magnetic nuclear este mic și necesită un câmp intens aplicat pentru a realiza alinierea; inducția magnetică Bo aferentă este de obicei între 0.2 și 3 Tesla (Figura 2). Scanerele RMN utilizează bobine supraconductoare pentru a permite conducția de curenți electrici foarte mari necesari pentru a genera câmpuri la această intensitate pe o suprafață suficient de mare, ca să dea imaginea unui corp uman. Nucleele nu se aliniază pur și simplu exact de-a lungul axei câmpului aplicat.
Axa de rotație a dipolului are palierele sau rotațiile în jurul axei câmpului aplicat de-a lungul unui con la viteza unghiulară ωo: astfel că aceasta are o frecvență caracteristică, frecvența Larmour. Nu este o simplă relație între frecvența Larmour și intensitatea câmpului static: ωo = γBo
De exemplu, un câmp cu inducția magnetică
Bo= 1Tesla dă o frecvență fo = 42,5MHz. (Figura 3)

Figura 3: În orice moment, axa de rotație nu este aliniată cu câmpul aplicat, dar, datorită precesiei media componentelor x și y se anulează.

Generarea unui semnal detectabil depinde de obținerea unui efect rezonant, într-o stare de energie ridicată, iar aceasta se realizează prin aplicarea în continuare a unui câmp extern de înaltă frecvență (H1) cu exact frecvența Larmour (figura 4).
În timpul aplicării câmpului extern H1, axele de spin ale nucleelor nu mai sunt aliniate cu Ho (axa z), ci se mută în planul x-y.

Figura 4: O antenă de excitație excită nucleele cu o frecvență adaptată la frecvența Larmour.

După ce câmpul de excitație H1 este oprit, axele de spin se vor alinia din nou cu Ho, iar energia suplimentară dobândită de nuclee din excitația cu câmpul H1 radiază în afară sub forma unei unde electromagnetice amortizată (fenomen cunoscut sub numele de relaxare).

Figura 5: Nucleele atomice radiază energia pe care o au când sunt realiniate cu câmpul magnetic static, permițând ca distribuirea lor să fie cartografiată.

O antenă detectează această undă amortizată, obținându-se o tensiune indusă numită Free Induction Decay (FID): computerul de RMN procesează semnalul FID într-o imagine 3D sau o secțiune. (Figura 5)

Generarea câmpului magnetic

Cele mai multe dintre RMN-urile de astăzi generează câmpul static cu un magnet folosind bobine cu fire de niobiu-titan (NbTi) imersate în heliu lichid la o temperatură de 4 grade K. Bobinele de gradient suprapun un gradient magnetic la câmpul static Ho, în scopul de a furniza informații spațiale din care este construită geometria imaginii. Obținerea imaginii are loc într-un singur plan sau o felie la un moment dat. Pentru a se asigura că semnalele sunt primite numai de la nucleele din acel plan, numai exact aceste nuclee trebuie stimulate să fie în rezonanță.
Apariția rezonanței este puternic dependentă de valoarea câmpului magnetic Ho – cu alte cuvinte, vârful rezonant este foarte ascuțit – și bobinele de gradient suprapun un câmp magnetic pentru a se asigura că un câmp magnetic final este precis egal cu Ho, numai și exact în planul de interes. Pentru a configura gradientul, o pereche de bobine care transportă curenți opuși este orientat pentru a mări domeniul static la un capăt al regiunii de interes, și scăzând-ul la celălalt capăt. (Figura 6)

Figura 6: Bobinele de gradient cresc câmpul static la un capăt și îl diminuează la celălalt, controlând planul în care câmpul total are exact valoarea corectă.

Trei perechi de bobine de gradient sunt situate în jurul cilindrului RMN-ului pentru a crea trei câmpuri magnetice ortogonale. Deci, este posibil să se adapteze câmpul magnetic în orice punct din volumul cilindrului. Amplificatoare de gradient, care operează într-o buclă închisă de tip servo, comandă curenții din bobinele de gradient (Figura 7). Prin urmare, fiecare RMN are nevoie de trei astfel bucle de control pentru curent, și în aceste bucle de control o nouă tehnologie de senzori aduce o contribuție semnificativă.
Claritatea imaginii și rezoluția sunt direct legate de câmpul magnetic aplicat, și, prin urmare, legate de controlul curentului injectat în bobinele de gradient. Unul dintre elementele-cheie în bucla de control este precizia globală a traductorului de curent, care are nevoie (printre alți parametri) de a oferi o extrem de mică eroare de non-linearitate, sub 3 ppm din domeniul de măsură; zgomot aleator foarte scăzut, cu frecvență redusă a zgomotului de la 0.1Hz la 1kHz; offset și derive foarte mici peste intervalul de temperatură, sub 0.3 ppm/K; stabilitate foarte mare a offsetului în funcție de timp, pentru a opera scanarea pe durata a zeci de minute, în domeniul de măsurare ce ajunge la 1000A valoare de vârf, și lățime de bandă largă cu un punct de -3dB la 200kHz.

Figura 7: Feedback-ul de la ieșirea traductoarelor de curent este fundamental pentru obținerea gradului necesar de precizie la amplificatorul de gradient al curentului.

Având similitudini superficiale ca un dispozitiv cu efect Hall, dar cu avantaje semnificative, traductorul dublu fluxgate cu buclă închisă (ITL 900) realizează toate aceste cerințe, și multe alte funcții de măsurare de curent de înaltă precizie, în plus, pentru amplificatoarele RMN de gradient. În forma sa actuală, tehnologia este limitată la un interval relativ restrâns de temperatură de funcționare (de obicei +10°C la +50°C), dar dezvoltarea în continuare a tehnologiei este în curs de desfășurare, cu obiectivul de a extinde chiar mai mult precizia măsurării de curent mare. Traductorul ITL 900 s-ar putea dovedi a fi la fel de important pentru viitorul scanării RMN așa cum au fost și traductoarele cu efect Hall pentru introducerea acestei scanări.

www.lem.com