ULTR AZZVVU ČČNNII AAPPARRAATTII - bmi.mas.bg.ac.rsbmi.mas.bg.ac.rs/fajlovi/diplomske/BAU9.pdf · Ultrazvučna sonda se koristi i kao generator i kao prijemnik ... usmerava upravo

OSNOVE BIOMEDICINSKOG INŽENJERSTVA Handout 9 – 2012/13

1

UULLTTRRAAZZVVUUČČNNII AAPPAARRAATTII

Zvuk je fizički fenomen koji prenosi energiju od jedne tačke do druge. S obzirom na ovo, sličan je radijaciji. Ipak, zvuk može da prođe samo kroz materiju, ali ne i kroz vakuum, kao što može radijacija. Ovo je posledica toga da zvučni talasi predstavljaju vibracije koje prolaze kroz materijal. Ako nema materijala, ništa ne može da vibrira i zvuk ne postoji. Jedna od značajnih karakteristika zvuka je njihova frekvencija, koja predstavlja brzinu vibriranja izvora zvuka i materijala. Osnovna jedinica za frekvenciju je Hertz (Hz), koja predstavlja jednu vibraciju, ili ciklus, po sekundi. Ultrazvuk se koristi u dijagnostičke svrhe jer može da se fokusira u male, dobro definisane snopove koji mogu ispituju ljudsko telo i interaguju sa tkivnim strukturama i formiraju slike.

Opseg zvuka.

KKRRAAKKTTEERRIISSTTIIKKEE UULLTTRRAAZZVVUUKKAA

Ultrazvuk je proces prenošenja energije longitudinalnim oscilacijama čestica sredine na učestanostima koje su vede od 20 kHz. Longitudinalne oscilacije su pojava pri kojoj je oscilovanje čestica u odnosu na ravnotežni položaj u istom pravcu u kome je prostiranje talasa.

Šematski prikaz prostiranja longitudinalnih talasa. Izvor zračenja A, generisanjem pomeranja površine, izaziva promenu gustine u blizini površine B, a ta promena gustine prenosi silu na susedne slojeve u

pravcu deformacije C i dobija se longitudinalni prenos energije D.

Ultrazvuk se prostire i kroz gasove i kroz fluide i kroz čvrsta tela. Pri prolasku ultrazvuka iz jedne u drugu sredinu dolazi do delimičnog odbijanja i delimičnog prelaska u drugu sredinu sa promenom brzne prostiranja.


2

BBrrzziinnaa pprroossttiirraannjjaa uullttrraazzvvuukkaa zzaavviissii oodd gguussttiinnee ssrreeddiinnee kkrroozz kkoojjuu ssee pprroossttiirree,, ttaakkoo ddaa jjee zzaa

ssrreeddiinnee rraazzlliiččiittee gguussttiinnee ii bbrrzziinnaa pprroossttiirraannjjaa rraazzlliiččiittaa.. Različite brzine u različitim sredinama, kao i refleksija talasa na graničnom sloju dve sredine omogudavaju da registrovanjem reflektovanih talasa dođemo do informacije o ispitivanom objektu ili telu. To je veoma značajno za primenu i prenošenje ultrazvučnih talasa kroz tkivo. U ultrazvučnoj dijagnostici refleksija se naziva eho ili odjek. Svaka nehomogenost u materijalu izazvati promenu u prenosu energije. Ukoliko je ultrazvuk velikog inteziteta tj. jačine on na organizam ima: toplotno dejstvo, kavitaciono dejstvo i mehaničko dejstvo. U medicini se koristi ultrazvuk slabe jačine. Prostiranje ultrazvuka kroz tkivo se može okarakterisati:

- koeficijentom slabljenja, - polutalasnim slojem, - karakterističnom impedansom i intezitetom.

Prilikom prodiranja ultrazvuka u tkivo, dolazi do njegove apsorpcije, a intezitet mu opada po eksponencijalnom zakonu:

0

xI I e

gde je: I0 - početni inteziteta ultrazvuka, I - intezitet na udaljenosti x,

f - koeficijent slabljenja,

f - frekvencija, β - eksponent koji se krede u granicama od 1 do 2. Dubina prodiranja ultrazvuka u tkivo opada sa porastom učestanosti. To znači da za posmatranje delova tkiva koja se nalaze na vedoj dubini, treba koristiti ultrazvuk niže učestanosti. Istovremeno, za posmatranje manjih predmeta treba koristiti ultrazvuk više učestanosti.

KKAARRAAKKTTEERRIISSTTIIČČNNAA IIMMPPEEDDAANNSSAA SSRREEDDIINNAA ((ZZcc)) zavisi od brzine ultrazvuka i gustine sredine:

c

p F ma m mZ

S Sat Sl V

.

gde je:

p – pritisak - brzina S – površina kristala a – ubrzanje površine kristala t – vreme l – pomeraj V – zapremina


3

Bitna karakteristika ultrazvuka je tzv. PPOOLLUUTTAALLAASSNNII SSLLOOJJ, dubina do koje prodire ultrazvuk a da pri tome intenzitet opadne na polovinu početne vrednosti. Taj sloj zavisi od frekvencije.

PPRRIINNCCIIPP RRAADDAA UULLTTRRAAZZVVUUČČNNOOGG UURREEĐĐAAJJAA

SSTTVVAARRAANNJJEE UULLTTRRAAZZVVUUKKAA II PPIIEEZZOOEELLEEKKTTRRIIČČNNII PPRREETTVVAARRAAČČII

Ultrazvuk se stvara korišdenjem piezoelektričnih pretvarača. Piezoelektrični pretvarači su napravljeni od keramike ili kvarca. Fokus ultrazvučnog talasa određen je geometrijom pretvarača, sistemom sočiva ispod vrha pretvarača, ili kompleksnim talasnim oblikom koji se generiše. Prostiranje talasa je radijalno. Deo sonde koji je u kontaktu sa telom (kožom) je presvučen materijalima koji dobro propuštaju ultrazvuk (mala refleksija, mala absorpcija), a na kontaktu se koriste paste na bazi vode da bi eliminisale vazdušni procep i doprinele efikasnosti prenosa ultrazvuka u telo.

Ultrazvučna sonda se koristi i kao generator i kao prijemnik ultrazvučnih talasa. Dualnu funkciju omogudava reverzibilnost karakteristična za piezoelektrične kristale, tj. svojstvo da mogu da pretvaraju napon (električna energija) u silu (mehanička energija) i suprotno, silu u električni

napon. Emiterski deo sonde je uređaj u kome električno polje željene frekvencije (f 20kHz) stvara oscilacije na površini piezoelektričnog kristala. Ultrazvučna sonda emituje ultrazvučne talase i služi kao prijemnik. Kada de da obavlja koju funkciju zavisi od prekidača. Impuls p(t) dovodi se na pretvarač koji zatim emituje ultrazvučni talas, koji je na slici prikazan polukružnim linijama. Neposredno posle emitovanja prekidač se prebacuje u položaj kojim se pretvarač pretvara u prijemnik reflektovanih signala.

UULLTTRRAAZZVVUUČČNNEE MMEETTOODDEE II FFOORRMMIIRRAANNJJEE SSLLIIKKEE.. MMOODDOOVVII UULLTTRRAAZZVVUUČČNNOOGG MMEERREENNJJAA

Ultrazvučna dijagnostika se zasniva na merenju razdaljine graničnih površina u telu u odnosu na površinu ultrazvučnog izvora, na osnovu vremena propagacije reflektovanog signala.


4

Ultrazvučna slika o unutrašnjoj konfiguraciji tela se zatim na ekranu konstruiše iz više reflektovanih (eho) signala od površine posmatranog objekta.

Ehoi koji su prikazani kao svetli ili beli delovi na slici i potiču od granica površine između dva različita tipa tkiva. Vedina delova tela - organizma sastvaljene su od „mešavine“ različitih vrsta tkiva i vedine površine koje proizvode sivu i belu pozadinu koja se vidi na slici. Pošto ne postoje reflektujude površine u fluidu, kao što su ciste, na ekranu su prikazane tamnom bojom.

AA MMOODD UULLTTRRAAZZVVUUČČNNIIHH MMEERREENNJJAA

A mod je najjednostavnija, statička metoda primene ultrazvuka u kojoj se koristi samo jedna sonda koja je nepokretna u odnosu na posmatrani objekat. Sonda se postavlja na površinu tela. Kod A moda se na monitoru posmatra razlika između pobudnog impulsa i reflektovanog impulsa. Na osnovu vremenske razlike između njih i poznate brzine ultrazvuka u objektu može se odrediti dubina sloja od koga se talas reflektovao. A mod daje samo jednodimenzionalan prikaz.

BB MMOODD UULLTTRRAAZZVVUUČČNNIIHH MMEERREENNJJAA

Vedina današnjih komercijalnih ultrazvučnih aparata radi u B modu. Reflektovani talasi predstavljaju se na ekranu svetlim tačkama. Ukoliko se sonda ne pomera, na ekranu se dobija slika jednog preseka. Dvodimenzionalna slika se ostvaruje tako što u određenim vremenskim intervalima šalju ultrazvučni impulsi sa različitih meta površine posmatranog dela i iz reflektovanih signala slaže se slika. Sonda se usmerava upravo na ravan ispitivanja objekta i pomera se paralelno u jednom stalnom pravcu, koji može da bude u poprečnoj, kosoj ili podužnoj ravni. Pomeranjem sonde dobija se serija linija promenljivog sjaja tačaka za svaku poziciju sonde. Ako su ove linije tačaka dovoljno približe dodi de do njihovog slivanja i formiranja dvodimenzionalne slike.

TTMM ((TTIIMMEE MMOOTTIIOONN)) MMOODD


5

Princip rada TM moda je sličan A modu. TM mod daje amplitudski modulisane A linije koje prikazuju impulse u vremenu. Za razliku od A-moda ovde se posmatraju dinamički procesi, pa svaki impuls odgovara nekoj promeni, najčešde periodičnom pokretu. Delovi tela koji relativno miruju u odnosu na nepokretnu sondu de imati stalno mesto na ekranu, a delovi tela koji se pomeraju de imati promenljivo mesto na ekranu ili na pisaču. Ako bi se slika koja se dobija na ekranu pomerala po vertikali konstantnom brzinom (analogno pomeranje papira koji izlazi iz EKG uređaja), impulsi koji se odbijaju od nepokretnih delova tela ispisuju prave linije na ekranu, a impulsi koji se odbijaju od pokretnih delova tela (zalisci na primer) na ekranu de ispisivati krive linije.

CC MMOODD II SSIIVVAA SSKKAALLAA

Princip rada C moda sličan je principu rada B moda. Nivoi crne boje na ekranu određuju gustinu, a položaj na ekranu položaj na telu. Gradacija u nijansama naziva se siva skala i može se podešavati tako da deo tela od interesa bude obuhvaden vedim brojem nijansi.

DDOOPPLLEERROOVV EEFFEEKKAATT

Doplerov efekat se manifestuje kao promena učestanosti reflektovanog talasa u odnosu na inicijalni talas pri relativnom pomeranju primopredajnika i reflektora. Ako reflektor miruje frekvencija reflektujudeg talasa jednaka je emitovanoj frekvenciji. Ako se reflektor približava primopredajniku, reflektovana frekvencija de biti viša od emitovane i konačno, ako se reflektor udaljava, onda de primljena frekvencija biti niža od emitovane frekvencije. Ta promena frekvencije naziva se DDOOPPLLEERROOVV EEFFEEKKAATT i proporcionalna je relativnoj brzini. Razlikuju se tri osnovna tipa Doplerovih sistema na osnovu emitovanih talasa koji mogu da budu:

– kontinualni

– impulsni

– kombinovani. Ako se ultrazvuk emituje kontinualno, sistem dobro meri sve brzine, ali nema dubinskog prepoznavanja. Ako se upotrebljava impulsni, aparat dubinski prepoznaje, ali su mogude velike greške u merenju vedih brzina duboko u telu. Rezultati merenja se prikazuju spektrima na kojima je na ordinati prikazan Doplerov efekat, a na apscisi vreme.


6

Ako se za Dopler merenje upotrebi dvodimenzionalno rasporedjeni impulsi, mogude je dobiti dvodimenzionalni prikaz protoka u bojama. Protok prema sondi se prikazuje npr. tonovima crvene boje, a protok od sonde tonovima plave boje.

Kolor Doppler slika.

UULLTTRRAAZZVVUUČČNNAA SSOONNDDAA

Sonda se sastoji iz kudišta u kom su smešteni elekrični vodovi, prigušivač, piezoelektrične pločice koje svojim radom služe za predaju impulsa i za prijem eho impulsa. Konstrukcija sondi zavisi od njihove namene i primene.

Sonde se dele na

– linearne

– sektorske i

– konveksne (zakrivljene).

Linearna sonda za frekvencije od 3-7 MHz, dužine 5-12 cm, sastoje se iz više elemenata malih ultrazvučnih glava poređanih linearno jedna uz drugu, a aktiviraju se elektronskim putem tako da uvek bude samo jedna uključena, a ostale blokirane. Ima ih od 64-420, a najčešda sonda je sa 200. Redosled uključivanja je u pravcu skeniranja objekta i od broja skeniranja zavisi dužina skeniranja i gustina skeniranih tačaka.

Sektorske sonde sadrže jednu ultrazvučnu glavu koja se mehaničkim putem preko malog elektromotora obrde tako da se ultrazvučni primo-predajni talasi rasprostiru u vidu lepeze čiji se ugao može menjati kao i gustina u njoj. Ove glave postižu 30 slika u sekundi pri maksimalnom sektorskom uglu od 70. Ove sonde su prikladne za primenu u ginekologiji.


7

Konveksna (zakrivljena) sonda su kompromis između sektorskih i linearnih. Ona ima niz pretvarača na zakrivljenoj ploči, tako da se linije gledanja šire od sonde, a elektronskim putem može se kontrolisati i dubina fetusa. Suštinski ona je veoma slična linearnoj sondi, samo što su kod nje trakasti pretvarači smešteni na zakrivljenoj ploči.

33DD UULLTTRRAAZZVVUUKK

3D ultrazvuk primenjuje se za dijagnostiku u ginekologiji za analizu morfologije genitalnih organa, tokom pradenja trudnoda i u ginekološkoj onkologiji. Njegova značajna uloga je u otkrivanju anomalija materice, analizi morfologije tumora materice i jajnika.

44DD UULLTTRRAAZZVVUUKK

4D ultrazvuk se primenjuje u perinatologiji odnosno za pradenje trudnode. Primenom 4D ultrazvuka prati se razvoj ploda od ranog perioda implantacije, analiza morfologije u prvom tromesečju, razvijanje ploda u drugom tromesečju, kao i razvoj i ponašanje fetusa u tredem tromesečju trudnode.


8

MMAAGGNNEETTNNAA RREEZZOONNAANNCCAA –– MMRR

Nuklearna magnetno-rezonantna spektroskopija je metoda razvijena još 1946. godine u razvojnom centru Univerziteta Stendford i Masačusetskog Instituta za Tehnologiju. Kasnnijim razvojem polje primene se proširilo sa fizičkih ispitivanja na ispitivanja u polju hemije. Medicinska upotreba MR sistema počela je 80.-tih godina pošlog veka.

FFIIZZIIČČKKII PPRRIINNCCIIPPII MMRR SSIISSTTEEMMAA

Magnetno rezonantno slikanje se zasniva na interakciji protona vodonikovih atoma u biološkim tkivima koji su u jakom magnetnom polju i polju radio-frekventnih talasa. Ovaj fenomen je mogud kod svih jezgara atoma sa neparnim brojem protona ili neutrona, a koja poseduju spin i magnetni moment (vodonikovo jezgro ima jedan atom). Protoni u ljudskom telu orjentišu se u magnetnom polju paralelno sa silama spoljašnjeg magnetnog polja. Tako uređen skup protona može da se izvede iz datog stanja pomodu radio-frekventnih (RF) impulsa koji uslovljavaju precesiono kretanje u specifičnoj frekvenciji koja varira zavisno od jačine magnetnog polja.

Magnetno-rezonantno slikanje je prvenstveno slikanje vodonika čije jezgro ima jedan proton iz dva razloga:

- visoka osetljivost MR signala vodonika - odnos signala i šuma je najpovoljniji u korist signala kada se pobuđuju atomi vodonika

- velika prirodna zastupljenost vodonika - najprisutniji element u ljudskom organizmu. Jezgra atoma koje se sastoje od neparnog broja protona i neutrona, ponašaju se kao mali magneti i usmeravaju se u pravcu jakog magnetnog polja. Koriste se atomi vodonika koji imaju jedan proton. Nakon toga se primjenjuje radio-frekventni (RF) impuls u rezonantnoj frekvenciji jezgra vodonika koji utiče na njihovu ekscitaciju i menja njihovo usmerenje. Nakon prestanka delovanja RF impulsa, protoni se vradaju u prvobitno usmerenje i pri tome oslobađaju mali impuls energije, odnodno MR signal koji registruje prijemna RF zavojnica. U cilju stvaranja MR


9

slike sledi složena kompijuterska analiza signala pomodu kompijuterskog algoritma. Brojčana vrednost svakog elementa MR slike iskazuje jačinu MR signala odgovarajude tačke tkiva. U materijalu su, u normalnim uslovima, magnetni momenti jezgara neuređeni (haotično usmereni), ali kada se izlože snažnom statičkom magnetnom polju oni se okredu paralelno pravcu linija polja. Čak i pod tim uslovima rezultantni magnetizam materijala je veoma slab zato što se: vektori magnetizacije pojedinačnih atoma mogu

orijentisati istosmerno i suprotnosmerno pravcu spoljašnjeg polja što zavisi od snage polja – što je spoljašnje polje snažnije to je sve vedi broj momenata orijentisan istosmerno,

u oba slučaja orijentacije magnetni momenti jezgara ne miruju ved vrše precesiona oscilatorna kretanja oko linija spoljašnjeg polja koje predstavljaju samo prosečne vrednosti usmerenja.

Ključni efekat se postiže primenom dodatnog oscilatornog polja čija frekvencija se poklapa sa frekvencijom precesionog oscilatornog kretanja magnetnih momenata jezgara. Frekvencija precesije zavisi od snage spoljašnjeg magnetnog polja i data je relacijom:

0 B

0

gde je ω0 – frekvencija precesije, γ – žiromagnetski momenat jezgra i B0 – vektor magnetne indukcije spoljašnjeg polja. Precesiona frekvencija ω0 se naziva Larmorova frekvencija. Kada spoljašnje oscilatorno polje pobudi (ozrači) atome vodonika u materijalu, frekvencijom koja je jednaka Larmorovoj frekvenciji, dolazi do rezonantne razmene energije tako što vektori istosmerne magnetizacije prelaze u suprotnosmeru orijentaciju i obrnuto. Kako suprotnosmerna orijentacija predstavlja više energetsko stanje to spoljašnjom pobudom napuštanje ovog stanja i prelaz u niže, istosmerno stanje biva pradeno oslobađanjem energije. Slično, pobuda istosmerne orijentacije znači prelaz na viši energetski nivo i apsorpciju energije. RRaazzmmeennaa eenneerrggiijjee iizzmmeeđđuu ppoobbuuddnnoogg zzrraaččeennjjaa ((ffoottoonnaa)) ii pprroottoonnaa ssee nnaazziivvaa NNuukklleeaarrnnaa

MMaaggnneettnnaa RReezzoonnaanncciijjaa.. Generisanje signala koje potiče od nuklearne magnetne rezonancije je dovoljno snažno i omoguduje merenje i vizuelizaciju tkiva.

OOSSNNOOVVNNEE KKOOMMPPOONNEENNTTEE MMRR UURREEĐĐAAJJAA

Da bi se obezbedili potrebni uslovi za stvaranje, detektovanje MR signala u tkivu i rekonstruisala MR slika, MR uređaj mora da ima: 1. Izvor homogenog magnetnog polja B0, koje de biti stvoreno u prostoru dovoljno velikom da


10

prihvati torzo pacijenta. 2. Podsistem za stvaranje gradijentnog magnetnog polja koje služi za selekciju preseka i

pozicioniranje MR signala unutar ravni preseka. 3. Radio-frekventni (RF) podsistem koji treba da vrši emisiju radiofrekventnih impulsa kojima

se vektor magnetizacije protona izvodi iz ravnotežnog položaja. RF podsistem treba da vrši i prijem MR signala.

4. Računar koji vrši procesuiranje detektovnih MR signala, rekonstrukciju, memorisanje i prikaz slike, a takođe treba da vrši i sinhronizaciju rada svih podsistema MR uređaja.

FFuunnkkcciioonniissaannjjee NNMMRR aappaarraattaa zzaahhtteevvaa ggeenneerriissaannjjee ttrrii vvrrssttee eelleekkttrroommaaggnneettnniihh ppoolljjaa:: ssttaattiiččkkoogg

mmaaggnneettnnoogg ppoolljjaa,, ggrraaddiijjeennttnnoogg eelleekkttrroommaaggnneettnnoogg ppoolljjaa ii oosscciillaattoorrnnoogg eelleekkttrroommaaggnneettnnoogg ppoolljjaa..

SSTTAATTIIČČKKOO MMAAGGNNEETTNNOO PPOOLLJJEE

Ovo polje treba da bude ujednačeno, kako prostorno tako i vremenski i što snažnije.

Stvaranje glavnog magnetnog polja B0 Magnetno polje se stvara u prostoru oko elektrona koji

se kredu. Intenzitet i uniformnost magnetnog polja zavise od gustine struje elektrona, njenog pravca i smera. Ovako generisano magnetno polje je neuniformno i nehomogeno. Homogeno magnetno polje može da se generiše na više načina.

Permanentni – stalni magneti. Neki feromagnetni materijali sastoje se iz mikrokristalnih struktura u kojima postoji značajan ukupan protok elektrona, usled kojeg se javlja ukupan rezultantni magnetni momenat po svakoj strukturi. Ukoliko se ovakav materijal sa mikrokristalnim strukturama izloži dejstvu spoljašnjeg magnetnog polja, magnetni momenti pojedinačnih struktura orijentišu se u istom smeru. Orijentacija struktura ostaje očuvana i po uklanjanju stranog magnetnog polja, pa se na ovaj način može dobiti permanentan izvor magnetnog polja. Za generisanje glavnog polja manje snage u MR se koriste permanentni magneti, dok se za generisanje polja vede snage u MR koriste elektromagneti i to sa otpornim ili superprovodnim namotajima.

Otporni magneti – elektromagneti. Stvaraju magnetno polje prolaskom električne struje kroz namotaje provodnika koji imaju konačnu električnu otpornost, tj. provodnik namotan oko cilindra u otvoru cilindra formira homogeno magnetno polje.

Dve konfiguracije glavnog polja sa otpornim magnetom.

Levo - glavno polje u pravcu glavne ose pacijenta. Desno - glavno polje normalno na glavnu osu pacijenta.


11

Zbog intenziteta jednosmerne struje velike snage (40 do 100 kW) koja prolazi kroz namotaje elektromagneta dolazi do oslobađanja velike količine toplote, pa MR uređaji kod kojih se glavno polje B0 stvara otpornim magnetom moraju imati sistem za hlađenje (uobičajeno je vodeno

hlađenje). Nedostatak ovih magneta je stabilnost magnetnog polja. Magnetno polje postoji dok je uključena struja i nestaje po njenom isključenju.

Superprovodni magneti. Koriste prednost nekih provodnika da na niskim temperaturama gube otpornost pri protoku struje. Naime, neki metali i legure (npr. vanadijum-galijum) gube električnu otpornost na veoma niskim temperaturama. Ukoliko se obezbedi odgovarajude hlađenje, kroz jednom pobuđen superprovodni magnet struja protiče praktično beskonačno, bez dodatnog napajanja.

Izgled superkonduktivnog magneta (presek fronta).

Raspodela magnetnih linija sile za magnetno polje jačine 1,5 T bez ograničavanja prostiranja

magnetnog polja.


12

Ukoliko nivo rashladnog sredstva opadne, provodnik gubi superprovodne osobine i potencijalna energija magnetnog polja transformiše se u termalnu energiju što dovodi do isparavanja rashladnog sredstva. Za rad superprovodnog magneta neophodno je redovno dopunjavanje rashladnog sredstva. Snaga magnetnog polja određena je jačinom struje koja protiče kroz provodnik.

GGRRAADDIIJJEENNTTNNOO EELLEEKKTTRROOMMAAGGNNEETTNNOO PPOOLLJJEE

Gradijentni polja služe za prostornu lokalizaciju efekata spoljašnjeg polja i celokupnog mehanizma nuklearne magnetne rezonancije na usku prostornu oblast koja je najčešde ravanska. Da bi se ostvarila neophodna lokalizacija polja generišu se tri gradijentna polja, u pravcima x, y i z ose tako da konstrukcija zahteva prisustvo tri nezavisna namotaja. Prostorna lokalizacija direktno određuje prostornu rezoluciju snimaka i brzinu snimanja tako da mora biti jako precizna i brza. Gradijentni kalemovi su elektromagneti unutar kojih intenzitet magnetnog polja varira sa rastojanjem. Linearno promenljivo magnetno polje može da se realizuje postavljanjem više namotaja po jedinici dužine na jednu, nego na drugu stranu elektromagneta.

Gradijentni namotaji u MR uređaju.

Uloga gradijenata u rekonstrukciji NMR slike od suštinskog je značaja, tako da se konstrukciji i funkciji gradijentnih kalemova posveduje posebna pažnja. Struje koje prolaze kroz gradijentne kalemove periodično se uključuju i isključuju i tako stvaraju promenljivo magnetno polje koje indukuje struje u svim bliskim provodnim elementima (kalemovi za homogenizaciju polja, kriostat, provodnici u telu pacijenta - proteze i slično). Indukovane struje formiraju sopstveno magnetno polje i time narušavaju homogenost osnovnog polja. Postoji više načina za redukciju nehomogenosti magnetnog polja usled rada gradijentnih kalemova. Jedan od njih je uključivanje gradijentnih struja nekoliko milisekundi pre selekcije preseka odnosno fazne ili frekventne modulacije, kako bi se omogudila stabilizacija polja. Drugi način je oblikovanje pobudnog impulsa gradijenata kako bi odziv bio što bliži idealnom, a tredi je aktivna zaštita, tj.


13

još jedan skup kalemova koji su fizički postavljeni i pobuđivani tako da njihovo polje poništava gradijentno polje u zoni koja nije od interesa.

OOSSCCIILLAATTOORRNNOO ((RRAADDIIOOFFRREEKKVVEENNTTNNOO)) EELLEEKKTTRROOMMAAGGNNEETTNNOO PPOOLLJJEE

Oscilatorno polje se često naziva i radiofrekventno (RF) polje zbog toga što Larmorove frekvencije pripadaju opsegu frekvencija koje se koriste u prenosu radio signala. RF polje treba biti smešteno u ravan upravnu na pravac statičkog polja, dakle u xy-ravni, tako da najefikasnija RF pobuda nastaje generisanjem dva ravanska polja, x i y, koja poseduju faznu razliku od 90°. Osim toga, u NMR skenerima se najčešde koriste tri vrste RF kalema: kalem glave, kalem tela i površinski kalem. Kalemovi glave i tela su najčešde one veličine koja je potrebna da se obuhvati deo tela koji se snima i u proseku njihov prečnik iznosi 50 – 60 cm. Kalemovi specijalizovani za snimanje glave u proseku imaju prečnik od 28 cm. Površinski kalemovi su manji kalemovi namenjeni skeniranju manjih regija i zbog manjih dimenzija imaju bolji odnos signal-šum koji obezbeđuje kvalitetnije snimke ali zbog često asimetričnog oblika ta osetljivost nije ista u celoj zapremini senzora. Zadatak RF podsistema je dvostruk. RF podsistem generiše pobudne RF impulse odgovarajude frekvencije, a potom detektuje NMR signale koji su indukovani kretanjem pobuđenih spinova protona u tkivu. Najjednostavniji način generisanja i detekcije RF impulsa jesu rezonantna kola koja služe kao antene za emisiju i prijem signala. U praksi se oscilatorno kolo za emisiju i prijem signala realizuje tako da se konstruiše kalem dovoljno velik da prihvati ceo torzo pacijenta (tzv. body kalem) ili pojedine delove anatomije (rezonatori za glavu, koleno, itd.).

PPRROOSSTTIIRRAANNJJEE II HHOOMMOOGGEENNOOSSTT MMAAGGNNEETTNNOOGG PPOOLLJJAA

Linije sile magnetnog polja prolaze kroz centar magneta i u luku se vradaju na drugu stranu, tj. zatvaraju se u krugovima. Što je veda jačina polja, magnetne linije sile zahvataju vedi prostor.

Da bi se izbegla ili smanjila nehomogenost polja u MR uređajima, predviđeni su posebni kalemovi za finu homogenizaciju polja. Fino podešavanje homogenosti polja zahteva više različitih kalemova u različitim ravnima. Podešavanje homogenosti magnetnog polja realizuje se podešavanjem struja u kalemovima za homogenizaciju polja. To je iterativni postupak i nekad je za fina podešavanja polja potrebno više sati.


14

Šematski prikaz NMR uređaja sa podsistemima.

PPOODDEELLAA MMRR UURREEĐĐAAJJAA

Prema jačini magnetnog polja uređaji za MR tomografiju dele se na: MRT niskog polja jačine - 0,15 T do 0.5 T MRT srednje polja jačine - 0.5 T do 1 T MRT visokog polja jačine - 1 T do 3 T MRT eksperimentalni - više od 3 T(4 T, 5 T, 7 T, 8 T, ...) (upotreba eksperimentalnh

uređaja nije dozvoljena u standardnim medicinskim procedurama). Radi poređenja odnosa jačine, Zemljino magnetno polje je jačine 50 μT (0.00005 T), ili 1,5 T je magnetno polje 30.000 jače od Zemlje. U zavisnosti od svrhe primene, aparati sa slabim i jakim magnetnim poljem imaju svoje prednosti i mane, ali to ne znači da su jača polja uvek bolja. Aparati sa snažnim magnetnim poljem omogudavaju bolju prostornu rezoluciju i brzu dinamičku MR spektroskopiju pacijetna. Kontrast snimaka tkiva je kod aparata sa slabijim magnetnim poljem bolja, a imaju i značajno niže operativne troškove. Sami magneti moraju da budu odvojeni od okruženja, bududi da jaka magnetna polja mogu negativno da utiču na osetljivu elektronsku opremu, ali i na same ispitanike. Takođe, uređaj mora da bude odvojen od uticaja spoljašnje sredine, naročito od širokog opsega radio-talasa, kako bi se izbegle smetnje u korišdenju radio frekvencija talasa (npr. Delovi kuda prolaze tramvaji). Zato je ceo sistem smešten u tzv. Faradejev kavez.

Documents

ULTR AZZVVU ČČNNII AAPPARRAATTII - bmi.mas.bg.ac.rsbmi.mas.bg.ac.rs/fajlovi/diplomske/BAU9.pdf · Ultrazvučna sonda se koristi i kao generator i kao prijemnik ... usmerava upravo