ЯМР — томография гидродинамических потоков жидкости в слабом магнитном поле

Методы томографии на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР — томография) занимают важное место среди физических методов исследования и визуализации макроскопической структуры объектов благодаря их неинвазивности и разнообразию аспектов отображения свойств объектов. Однако интерпретация получаемой этими методами информации не является тривиальной и существенно зависит от многих факторов, таких как особенности проявления ЯМР в различных классах объектов, наличия движения среды, способов обработки сигналов ЯМР, уровня магнитного поля. Настоящая работа посвящена развитию физических принципов ЯМР — томографии движущихся сред в условиях слабого магнитного поля.

Актуальность темы

В настоящее время достаточно хорошо разработаны принципы ЯМР — томографии в сильном магнитном поле (порядка 1 Тл и выше), что обусловлено возможностью получить большую интенсивность сигнала ЯМР при таком уровне магнитного поля. Методами ЯМР-томографии в основном исследуются объекты, содержащие неподвижные среды, для которых имеет место пропорциональность между яркостью элемента изображения и значением отображаемого параметра в соответствующем элементе объема объекта. Однако, во многих интересных случаях (живые животные и растительные организмы, природные пористые среды, технические объекты) имеет место макроскопическое перемещение жидкости внутри объекта (гидродинамический поток, перфузия, перколяция и др.). Интерпретация томографической информации значительно усложняется, для получения адекватной информации об объекте и характере движения среды приходится применять сложные методы, требующие приема чрезмерно большого объема данных. Трудности многократно усугубляются в тех случаях, когда эксперименты приходится выполнять в слабых магнитных полях (порядка миллитесла), так как при прочих равных условиях интенсивность сигналов ЯМР может падать на три порядка и более. Тем не менее, при исследовании ряда биологических и геофизических объектов, технических и технологических систем, для которых характерно макроскопическое движение жидкости, невозможно по техническим или экономическим причинам использовать сильное магнитное поле, поэтому проблемы разработки физических принципов ЯМР-томографии движущихся сред с использованием слабого магнитного поля являются актуальными.

Целью диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование эффектов движения жидкости в компьютерной томографии на основе ядерного магнитного резонанса в слабом магнитном поле. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

— Провести теоретическое рассмотрение влияния движения жидкости на ЯМР — изображение в каналах переменного сечения;

— Разработать и изготовить датчик, приспособленный для изучения потоков жидкости;

— Создать программное обеспечение, управляющее генерацией последовательностей радиочастотных импульсов и импульсов градиентного магнитного поля и приемом сигналов ЯМР и осуществляющее обработку полученных данных, включая реконструкцию магнитно-резонансных изображений;

— Получить экспериментальные ЯМР-томограммы жидкости, протекающей через каналы различных профилей течения жидкости при различных скоростях потоков.

Научная новизна работы. В диссертационной работе.

— Предложен не применявшийся ранее метод ЯМР-визуализации структуры потока в каналах сложной конфигурации, пригодный для практического использования в слабом магнитном поле.

— Впервые получены ЯМР-томограммы, в том числе томограммы потоков жидкости в таком слабом поле как 0,007 Тл при различных конфигурациях каналов и разных скоростях движения потока;

— Предложены импульсные последовательности, оптимизированные для использования в ЯМР-томографии в слабом магнитном поле.

Научная и практическая ценность результатов заключается в том, что.

Теоретически и экспериментально обоснована возможность ЯМР-томографии движущихся сред в весьма слабом магнитном поле;

— Разработана пригодная для практического использования методика получения изображений потоков движущейся жидкости с помощью ЯМР-томографа, работающего в рекордно слабом магнитном поле;

— Предложена интерпретация низкочастотных ЯМР-томограмм движущейся жидкости, позволяющая получить информацию о характере течения в каналах сложной конфигурации.

Основные положения, выносимые на защиту.

— Конструкция датчика, включая систему источников градиентного магнитного поля;

— Градиентная система, адаптированная на изучение потоков жидкости;

— Синтез импульсных последовательностей ЯМР-томограмм движущейся жидкости в слабом поле;

— Метод коррекции ЯМР-изображений в условиях движения жидкости;

— ЯМР-изображения структуры потока в трубопроводах различной конфигурации.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре кафедры магнитных явлений физического факультета СПбГУ, 15-ой Европейской конференции по экспериментальному ЯМР, 2000 г., Германия- 5-ом международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия и томография), 2000 г., Ростов-на-Дону.

Публикации по материалам диссертации: 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 80 наименований. Диссертация изложена на 90 страницах машинописного текста и содержит 33 рисунка.

1. Bloch F. Nuclear 1.duction. — Phys.rev., 1948, N 70, p.460.

2. Purcell E.M., Torrey H.C., Pound R.V. Resonance adsorbtion by NMR in solid. phys.Rev., 1946, N 69, p.37.

3. Kumar A., Welty D., Ernst R.R. NMR Fourier zeumatography. -J.Magn.Reson., 1975, v. 18, N 1, p. 69−83.

4. Edelstein W.A., Hutchinson J.V.S., Johnson G. et al. Spin warp NMR imaging and application to human whole body imaging. -Phys.Med.Biol., 1980, N 25, p.751−756.

5. S.L. Smith Magnetic Resonance Imaging. Anal. Chem. 57: A595-A607 (1985).

6. A. Kumar, D. Welti, R.R. Ernst J. Magn. Reson. 18:69−83 (1975).

7. R.C. Jennison. Fourier Transforms and Convolutions. Pergamon Press, NY, 1961.

8. E.O.Brigham. The Fast Fourier Transform. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1974 .

9. D. Shaw. Fourier Transform NMR Spectroscopy. Elsevier, New York. 1976.

10. R. Freeman. A Handbook of Nuclear Magnetic Resonance. Longman Scientific & Technical, Essex, England. 1988.

11. Голдман С. Теория информации. -М.:ИЛ, 1957.

12. Bracewell R.M., the Fourier Transform and its application, McGraw Hill, New York (1965).

13. Rabiner L.R., Gold В., Theory and application of digital signal processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey (1975).

14. Stanley W.D. Digital signal processing, Reston Publ. Reston. Va (1975).

15. Sattin W., Marec Т.Н., Scott K. N Exploiting the simulated echo in nuclear magnetic resonance imaging. 2. applicationsJ.Magn.reson., 1985, N 65, p 298−307.

16. Young I.R., Burl. M, Bydder. G.M. comparative effiency of different pulse sequence in NMR imging. J. Comput.Assist.Tomogr. 1986, v. 10., N 2, p 272−286 .

17. Foster M.A., Hutchinson J.M.S., NMR imaging method and applications. J. Biomed.Eng., 1985, N 7, p 171−182.

18. Leon Kaufman, David M. Kramer Measurement signal tonoise ratios in NMR imaging.

19. Hahn E.L. Phys. Rev. 1950, v. 80, p. 580.

20. H. van As, Kleijn J.M., Delager P.A., and Schaafsma T.J. J. Magn. Reson. 1985, v. 61.

21. MoranP.R., MoranR.A., and Karsteadt N. Radiology. 1985, v. 154, p. 433.

22. Crooks, et al. Radiology. 1982, v. 143 (1), p. 169 — 174.

23. Бычков Ю. М. Визуализация тонких потоков несжимаемой жидкости. Кишинев: Штиинца, 1980.

24. Singer J.R. Science. 1959, p. 1652 — 1653.

25. Battocletti J.H., et al. Med. Phys. 1981, v. 8, p. 435- 443.

26. Feinberg D.A., et al. Radiology. 1984, v. 153, p. 177- 180.

27. Guilfoyle D.N., Gibbs P., Ordidge R.J., and Mansfield J.Magn. Reson. Med. -1991, v. 18, p. 1.

28. Kose К. J. Phys. 1990, D. 23, p. 981.

29. Kose К. J. Magn. Reson. -1991, v. 92, p. 631.

30. Kuethe D.O. and Herfkens R.J. Magn. Reson. Med. 1989, v. 10, p. 57.

31. Nayley G.L., Firmin D.N., and Longmore D.B. J. Comput. Assist. Tomogr. 1986, v. 10, p. 715.

32. Фролов В. В. Ядерный магнитный резонанс. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1988, вып. 7. — с. 27 — 41.

33. Ацаркин В. А., Скроцкий Г. П., Сороко Л. М., Федин Э. И. ЯМР-интроскопия // УФН. 1981, т. 135, вып. 2. — с. 285 — 315.

34. Боттомли П. А. ЯМР-интроскопия: методы и применение (обзор) //Rev. Sci. bistrum. 1982, т. 53, N 9. — с. 1319 — 1337.

35. Фрост У., Моулден Т. Турбулентность. Принципы и применения. М.: Мир, 1980.

36. Kose К. Phys. Rev. -1991, А. 44, р. 2495.

37. Guilfoyle D.N., Mansfield P., Packer K.J. J of Magnetic resonance imaging. 1992, v. 97, p. 342 — 358.38. Крутских Диссертация.

38. J. Lowe, «Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy», Paul T. Callaghan, Oxford University Press, (1991).

39. Жерновой А. И. «Ядерно-магнитные расходомеры» Ленинград, «Машиностроение», 1985.41 .Stark D. D. et al Magnetic resonance imaging, Volume one Volume one, 2nd ed. Mosby, St Louis, Missouri, 1992.

40. Petersson J. S. et al MRI Simulation Using the k-Space Formalism. Magnetic Resonance Imaging Vol. 11 pp, 1993, 557−568.

41. J. D. Seymour and P. T. Callaghan, «Pulsed gradient spin echo (PGSE) NMR studies of flow and dispersion in a model porous media,» AMPERE Workshop on Porous Systems and Systems with Restricted Geometry, Delphi, Greece, August 23−28, 1998.

42. Duoulin C. L. Phase-Contrast Magnetic Resonance Angiography Neuroimaging clinics of North America, Vol. 2, No 4, 1992, 657 676.

43. Харкевич, Спектры и анализ. ОНТИ, 1960.