Speciální metody měření indukce magnetického pole s využitím NMR

Special Methods of Magnetic Induction Measurement by use of Nuclear Magnetic Resonance

článek v časopise - ostatní, Jost

čeština

Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) je využíván v moderních spektroskopických a tomografických metodách. V současné době je NMR obor, který se intenzivně rozvíjí především díky aplikaci v medicíně. In vivo prostorová analýza tkání lidského těla s využitím jevu magnetické rezonance (MR) představuje nejdokonalejší lékařskou diagnostickou metodu současnosti. V poslední době má velký význam měření MR spekter z vymezené oblasti tkáně, např. lidského mozku – lokalizovaná MR spektroskopie. Zajímavou se jeví také MR mikroskopie v biologických aplikacích. Obrazy relaxačních vlastností jader a MR spektra z vymezených oblastí nelze jinými technikami získat. Velkou výhodou MR tomografických obrazů je jejich vysoký kontrast především v měkkých tkáních, ten je dán mnoha veličinami, jako jsou např. množství protonových jader v lidské tkáni, relaxační vlastnosti (relaxační časy) sledovaných jader, rychlost pohybu a difúze jader. Většina technik využívajících magnetickou rezonanci pro zobrazování a lokalizovanou spektroskopii kombinuje dosažení žádané prostorové lokalizace impulzní gradientní magnetická pole s kmitočtově - selektivními vf impulzy [1]. Tyto techniky vyžadují gradienty s velmi krátkými přepínacími časy, zvláště pro rychlé zobrazování a spektroskopii. Impulzní gradienty indukují ve vodivých materiálech vířivé proudy, které generují nežádoucí magnetická pole jak v průběhu snímání MR signálu, tak během vývoje magnetizace jader při složitějších měřicích sekvencích. Tím dochází ke zkreslení měřených tomografických obrazů i spekter vysokého rozlišení. V lokalizované spektroskopii bude měřená oblast špatně vymezena a získané spektrum bude obsahovat spektrální čáry z nežádoucích oblastí. Pro potlačení vlivu vířivých proudů jsou vyvíjeny různé techniky. Jednou z nich je preemfázová kompenzace, která převýšením proudu tekoucího gradientní cívkou vybudí magnetické pole s žádaným časovým průběhem. Dodnes byly ověřeny metody měření gradientních magnetických polí pracující na různých fyzikálních principech. Indukční metody měření mají limitovanou přesnost stanovení dlouhých časových konstant. MR metody by byly dostatečně přesné, ale signály rezonujících jader vlivem měřeného gradientu magnetického pole rychle ztrácejí koherenci. Měření dlouhých časových konstant je limitováno také nízkým poměrem signálu k šumu. Volbou vhodného uspořádání experimentu a aplikací iteračních a optimalizačních technik při měření MR metodami lze dosáhnout výrazného zvýšení přesnosti měření a celý experiment měření magnetického pole i ladění preemfázových konstant je možné automatizovat. Zvýšení přesnosti nastavení komplexní preemfázové kompenzace předpokládá využití netradiční a speciální přístrojové techniky, vyznačující se rychlostí zpracování dat v reálném čase a dostatečnou stabilitou generovaných gradientních magnetických polí. k tomu přispívá i obvodová technika na bázi digitálních signálových procesorů (DSP), která svou rychlostí a výpočetní přesností zajistí vysokou dynamiku a stabilitu generovaných gradientů i preemfázových filtrů. Svým jednoduchým obvodovým řešením umožní realizovat v jednom DSP i několik gradientních kanálů. Experimentální zkušenosti ukazují, že problematika potlačování vlivu vířivých proudů pro účely lokalizované MR spektroskopie a MR mikroskopie je světově aktuální a stále jsou hledány možnosti efektivnějšího vytváření impulzních gradientních magnetických polí v různých magnetických systémech.

For the assessment of time-spatial properties of gradient fields in MR tomography the methods of instantaneous frequency (IF, IFSE, and IFSES) have been developed and applied, enabling prolongation of the time characteristics determination. Comparison of the methods designed is presented in the thesis as well as characteristics of decay time of gradients Gx, Gy, Gz and the basic magnetic field B0. From the comparison of the IF method and the two spin-echo methods for the measurement of gradient magnetic field time characteristics in MR systems it is clear that the application of spin echo prolongs seven times the interval when the time characteristics are measurable with sustained accuracy. The comparison of the IFSE and IFSES methods gives the same results; including systematic errors of measurement in an interval of up to 18 ms. The IFSES method prolongs the interval of measuring the decay time characteristics of the magnetic field gradient in comparison with the IFSE method four times. This prolongation is fundamental for the computation of pre-emphasis constants and for their accuracy. Up to 80 ms after the end of a gradient the MR signal has a sufficiently high S/N ratio, which is sufficient for subsequent processing. From the results obtained by measurement it follows that all the above methods are convenient for simple and quick characterization of gradient magnetic fields in MR tomographic magnets. The time characteristics of the gradient decays were used for the calculation of the pre-emphasis parameters to eliminate the influence of eddy currents in MR tomographs equipped with the classical gradient system without active shim coils. After the end of the gradient pulse the gradient and basic fields reach the level of their inhomogeneity in a time shorter than 0.5 ms. The results obtained meet the demands made on tomograph properties. Removing noise from MR signal is of fundamental significance in the analysis of results of NMR spectroscopy and tomography. Classical methods of digital filtering, adaptive digital filtering, and the application of digital filter banks are compared. Optimum solution is seen in removing noise by means of the digital filter banks that use half-band mirror frequency filters of the type of low-pass and high-pass filters. All characteristics were measured on a 200 MHz/200 mm MR scanner in Institute of Scientific Instruments of Academy of Sciences of the Czech Republic.

Nukleární magnetická rezonance, okamžitý kmitočet, měřicí sekvence, metoda měření okamžitého kmitočtu MR signálu, časové charakteristiky gradientních magnetických polí, mapování gradientních magnetických polí, preemfázové filtry, banky číslicových filtrů, protišumová filtrace

Nuclear magnetic resonance, instantaneous frequency, pulse sequence, instantaneous frequency of MR signal measurement, time characteristic of gradient magnetic field, pre-emphasis filter, banks of digital filters, signal denoising

GESCHEIDTOVÁ, E.

2006

15. 2. 2006

1213-418X

Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně Edice Habilitační a inaugurační spisy

200

Česká republika

1

23

23