Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

требуют подлива 200-300 литров жидкого гелия 1-2 раза в год) делают их

максимально привлекательными для потребителя.

МР томографы в России.

В настоящее время в России установлено несколько сотен томографов, в

основном зарубежного производства.

Отечественными производителями МР-томографов является НПФ "A3"

(резистивные и постоянные томографы с полем 0.15Тл) и НИИЭФА им.

Д.В.Ефремова (сверхпроводящий томограф с полем 0.5Тл).

Перспективные технологии магнитно-резонансной томографии

Наиболее важными направлениями технического усовершенствования

МРТ являются: внедрение быстрых методик исследования, использование

специальных технологий управления контрастом изображения, разработка ме-

тодов исследования функциональных изменений органов и тканей, развитие

инвазивных (интервенционных) методов диагностики и лечения с использова-

нием МРТ.

В последние годы происходит вытеснение традиционно использовавших-

ся, но медленных режимов МРТ-исследования, основанных на импульсной

последовательности обычного спинового эха (SE), более быстрыми режимами

на основе последовательностей быстрого SE, градиентного эха (GE) и некото-

рых других. Быстрые и ультрабыстрые режимы МРТ перспективны для полу-

чения изображений сердца и выявления региональных нарушений движения

его стенок в различные фазы сердечного цикла, исследований брюшной полос-

ти, изучения анатомо-функциональных нарушений в опорно-двигательном,

аппарате при динамическом исследовании движений, расширения области

применения трехмерной МРТ, а также для проведения интервенционных про-

цедур под контролем МРТ в реальном масштабе времени.

Режим быстрого SE (RARE — Rapid Acquisition with Relaxation Enhance-

ment) позволяет уменьшить время получения T2-взвешенного изображения в

4-16 раз по сравнению с методикой обычного SE. Так, с помощью одной из

591

модификаций данного режима можно получить пакет изображений брюшной

полости за время одной задержки дыхания. Режим малочувствителен к арте-

фактам перистальтики, что позволяет использовать его даже для диагностики

и определения уровня кишечной непроходимости.

Разработка быстрых последовательностей типа RARE и GE (например,

Flash — Fast Low Angle Shot Imaging) способствовала широкому распростра-

нению различных модификаций трехмерной (3D) МРТ (не следует отождест-

влять данную методику с трехмерным представлением изображений изучае-

мого объекта). Без применения ускоренных методик регистрация данных,

получаемых при трехмерной томографии, требует неприемлемых для клиники

затрат времени (до нескольких часов).

3D-томография на основе градиентного эха позволяет получать T1 - взве-

шенные изображения хорошего качества и с высоким пространственным раз-

решением.

Данная методика применяется для выявления тонких деталей анатомичес-

кого строения и мелких патологических образований, особенно при одновре-

менном использовании контрастного усиления. В связи с хорошей контраст-

ностью серого и белого вещества мозга возможно выявление даже незначи-

тельных нарушений дифференцировки коры мозга, что нередко является при-

чиной развития эпилепсии. В трехмерном режиме с использованием контраст-

ного усиления и методики подавления сигнала жира хорошо выявляются из-

менения хрящей и других тканевых компонентов суставов, а также ранние

стадии опухолей молочной железы. Имеются данные о перспективности ис-

пользования данной методики для диагностики мелких сосудистых мальфор-

маций и аномалий развития структур внутреннего уха.

Большое значение для повышения диагностических возможностей МРТ

имеет разработка методик, основанных на использовании новых принципов

естественного контрастирования биологических тканей. Широко использую-

щиеся для выявления патологических изменений T2-взвешенные изображе-

ния, не всегда позволяют с достаточной надежностью различать зоны пораже-

ния и некоторые нормальные ткани. Так, на T2-взвешенных изображениях

зоны патологических изменений вещества мозга часто имеют высокий сигнал

и выглядят как более яркие участки. Аналогичный высокий сигнал имеет также

нормальная спинномозговая жидкость, что затрудняет выявление патологи-

ческих очагов, располагающихся около пространств, заполненных данной

жидкостью. Для преодоления данного недостатка разработана методика FLAIR

(Fluid Attenuated Inversion Recovery), обеспечивающая подавление сигнала

свободной воды (спинномозговой и некоторых других физиологических жид-

костей) при сохранении базовой T2-взвешенности изображения. FLAIR лучше

выявляет очаговые изменения мозга при рассеянном склерозе (склеротические

бляшки), особенно при их корковой локализации .

Но, вероятно, этим не ограничивается преимущество данной методики по

сравнению с SE импульсными последовательностями. При изменении пара-

метров FLAIR, особенно времени инверсии, могут выявляться особенности

592

внутренней структуры бляшки, в частности, ее кольцевидная форма. Данная

методика лучше, чем SE режимы, выявляет корковые инфаркты, граничащие

со спинномозговой жидкостью.

Использование FLAIR существенно улучшает МРТ-диагностику субарах-

ноидальных кровоизлияний, при этом выявляемость данной формы патологии,

в том числе и в более отдаленные сроки заболевания, превышает таковую для

рентгеновской КТ. МРТ в режиме FLAIR предлагается как первый диагности-

ческий метод для больных с подозрением на субарахноидальное кровоизлия-

ние, в частности, на догоспитальном этапе диагностики. Данная методика

перспективна также для диагностики заболеваний спинного мозга и мочевы-

делительной системы.

Аналогичный принцип применяется для подавления сигнала жира, кото-

рый на T1 -взвешенных изображениях имеет высокую интенсивность, что

может затруднять выявление патологических изменений с более низким сиг-

налом. Данная методика (STIR -Short TR Inversion Recovery) эффективна для

выявления опухолей определенных локализаций, исследования суставов и

диагностики заболеваний зрительного нерва и печени.

Более избирательное выделение различных физико-химических компо-

нентов тканей достигается с помощью томографии химического сдвига, осно-

ванной на регистрации спектров ЯМР для каждого объемного элемента изуча-

емого объекта с последующим построением селективного по химическому

сдвигу изображения. Данный метод применяется в биомедицинских исследо-

ваниях для получения раздельного изображения воды и жира в исследуемой

области. Возможно также построение изображений распределения и других

метаболитов в биологических тканях (метод метаболических карт).

На стадии клинической апробации находится методика получения изобра-

жений на основе переноса намагниченности - - MTI (Magnetization Transfer

Imaging), в основе которой лежит выявление характера взаимодействия между

водой и биологическими макромолекулами. Контраст изображений, получен-

ных с помощью методов MTI, отражает соотношение и биофизическое взаимо-

действие между свободной водой и водой, связанной с биомолекулами. Ис-

пользование MTI повышает чувствительность МРТ-методов при патологичес-

ких процессах, связанных с деструкцией клеточных мембран и изменением

характера связи воды с белками. Важным преимуществом MTI является воз-

можность объективной количественной оценки результатов с помощью вели-

чины, называемой отношением переноса намагниченности.

Методика MTI оказалась более чувствительной к изменениям белого ве-

щества мозга у больных рассеянным склерозом, чем остальные методики МРТ,

используемые для диагностики данного заболевания. Имеются предваритель-

ные данные о различиях по отношению переноса намагниченности между

поражениями белого вещества сосудистого и воспалительного характера, тре-

буют уточнения данные о возможности диагностики астроцитом, гемангиоб-

ластом и краниофарингеом, а также прогрессирующей мультифокальной лей-

коэнцефалопатии и начальных стадий развития катаракты хрусталика. Пред-

593

ставляется перспективным использование данного принципа для точного оп-

ределения границ опухолей головного мозга и для повышения эффективности

контрастного усиления использования препаратов парамагнетиков при неко-

торых формах патологии. Использование метода переноса намагниченности

при магнитно-резонансной ангиографии позволяет существенно улучшить ка-

чество ангиографических изображений. Важно отметить, что это позволяет на

томографах со средними полями получать ангиограммы, не уступающие по

качеству таковым, полученным на томографических системах с высокими

полями . В настоящее время диагностическое значение MTI еще недостаточно

определено, но несомненно большое исследовательское значение данной ме-

тодики для уточнения состояния тканевых структур при различных патологи-

ческих процессах, особенно в их динамике.

Значительный интерес для решения ряда исследовательских, а в перспек-

тиве и диагностических задач, представляют методы диффузионновзвешенной

МРТ. Данная группа методов требует применения специальных импульсных

последовательностей и позволяет получать изображения, контраст которых в

основном определяется скоростью диффузии воды в тканях. Показано, что

диффузионно-взвешенная томография обладает высокой чувствительностью к

изменениям макроструктурной (надмолекулярной) организации тканей.

Одной из перспективных областей диагностического использования дан-

ных методик является острый ишемический инсульт. Обычные МРT-методики

выявляют зону ишемического поражения мозга лишь через несколько часов от

начала инсульта. На диффузионно-взвешенных изображениях эта зона выяв-

ляется через несколько минут, при этом, особенно в сочетании с магнитноре-

зонансной спектроскопией, возможна дифференцировка между участками с

необратимым и потенциально обратимым повреждением нервных клеток в

зоне ишемии, что весьма важно для определения плана лечения больных. При

некоторой модификации методики исследования на диффузионновзвешенных

изображениях можно получить отражение хода проводящих путей мозга, что

получило название МР-аксонографии. Аналогично в мышечной ткани можно

определить ход мышечных волокон.

Новым этапом в изучении мозга в норме и патологии явилась разработка

методик функциональной МРТ, основанных на очень быстрых импульсных

последовательностях. Данные методики позволяют оценивать быстрые ло-

кальные изменения тканевой перфузии, связанные с функциональной актива-

цией структур мозга при психических процессах. Эксперименты по функцио-

нальной МРТ обычно проводятся на высокопольных томографах (1,5 Тесла и

выше) и требуют специального оборудования для реализации сверхбыстрых

импульсных последовательностей, например, эхо-планарной последователь-

ности (EPI), что ограничивает их широкое применение. В то же время, имеются

обнадеживающие данные о возможности реализации ряда методик функцио-

нальной МРТ на модифицированных рутинных томографах с полем 0,5 Тесла.

Это позволяет надеяться на более быстрое внедрение методик функциональ-

ной МРТ в клиническую практику.

594

Наряду с созданием новых импульсных последовательностей, ведется

разработка способов повышения диагностической эффективности обычных

методик МРТ исследования. Предложены специальные, регистрирующие МР-

сигнал, катушки, позволяющие повысить пространственное разрешение или

исследовать зоны, ранее малодоступные для МРТ. С помощью катушки, вво-

димой в прямую кишку, достигается высокая точность выявления патологи-

ческих изменений и определения стадии развития опухолей в данной области,

в частности, рака предстательной железы. Проходят испытания катушки в виде

катетеров, с помощью которых можно изнутри уточнить состояние стенок

крупных сосудов, например, аорты. Разработаны поверхностные катушки,

которые позволяют получать пространственное разрешение менее 1 мм для

глаза и менее 0,1 мм для кожи.

Не прекращается разработка новых контрастных препаратов для МРТ.

Создание низкоосмолярных МР-контрастных препаратов позволяет при необ-

ходимости увеличивать их дозировку, что может быть полезным для выявле-

ния новых зон поражения мозга при рассеянном склерозе и метастазах опухо-

лей, а также для более четкого определения границ ряда внутримозговых

опухолей. Помимо создания препаратов для введения в кровь, разрабатывают-

ся новые способы инфузионного контрастирования полых органов и дыхатель-

ной системы. Весьма перспективен в данном направлении метод визуализации

легких, основанный на вдыхании изотопов инертных газов с гиперполяризо-

ванными ядрами (предложены к применению гелий 3Не и ксенон 129Хе).

Данная технология еще недоступна для клинического применения в связи со

значительными техническими трудностями ее проведения, но она открывает

перспективы использования МРТ для диагностики заболеваний легких, кото-

рые обычно считаются органом, недоступным для МРТ исследования.

Можно полагать, что в ближайшие годы будут разработаны и другие,

возможно, принципиально новые подходы к повышению диагностической

эффективности МР методов исследования.

Источник: www. nmrnews.ru

8.6. Методы расчета магнитных индукторов

В данном разделе приведен ряд экспериментальных данных при расчете

и исследовании различных вариантов индукторов.

8.6.1. Расчет магнитной цепи и экспериментальное исследование

характеристик электромагнитных дросселей индуктора

Расчет магнитной цепи

Цель: Определить необходимую намагничивающую силу и параметры

обмотки, расположенной на стержне магнитопровода с заданными геометри-

595

ческими размерами, для создания в воздушном зазоре на удалении 50 мм от

поверхности магнитопровода — магнитной индукции величиной 5 мТл.

Исходные данные:

Магнитная индукция в воздушном зазоре

Величина воздушного зазора магнитопровода — 0.03 м.

Длина средней магнитной силовой линии воздушного зазора магнитопро-

вода — 0.05 м.

Площадь поперечного сечения воздушного зазора магнитопровода —

0,0012 м

Длина средней магнитной силовой линии в сердечнике магнитопровода

- 0.149 м.

Площадь поперечного сечения магнитопровода

Рабочий диапазон частот 1-400 Гц.

Магнитопровод — Сердечник трансформатора, выполненный из листовой

электротехнической стали

8.6.2. Величина магнитного поля постоянного магнита

в зависимости от удаленности от магнитопровода

Исследование значений магнитного поля магнита в зависимости от уда-

ленности от магнитопровода проводилось на постоянном магните тороидаль-

ной формы от точки, имеющей наибольшую магнитную индукцию у поверх-

ности магнитопровода в направлении перпендикулярному к плоскости магни-

топровода.

Таблица 1

Значения магнитной индукции постоянного магнита в зависимости

от расстояния от магнитопровода

Расстояние S, mm

Индукция В, mТл

53,6

29,4

19,6

10,8

6,2

3,7

2,2

1,0

0,3

0,2

График значений магнитной индукции в зависимости от расстояния от

магнитопровода.

Вывод: Анализ значений магнитной индукции в зависимости от расстоя-

ния от магнитопровода показывает, что зависимость носит явно выраженный

экспоненциальный характер. На удалении 50 мм значение индукции составля-

ет 2.2 mТл, что приблизительно в 25 раз меньше значения индукции у поверх-

ности магнитопровода. Следовательно для создания магнитной индукции на

удалении 50 мм равной 5 mТл, необходимо у поверхности индуктора создать

магнитную индукцию порядка 125 mТл.

596

8.6.3. Определение намагничивающей силы и параметров

обмотки

Габаритные размеры сердечника трансформатора

Сердечник трансформатора выполнен из листовой электротехнической

стали.

Пунктирной линией показана средняя магнитная силовая линия в сердеч-

нике магнитопровода и воздушном зазоре.

Геометрические размеры магнитопровода

Длина средней магнитной силовой линии в сердечнике магнитопровода:

Lm = 41

2 + 27 + 20

2 = 149 мм. = 0.149 м

Длина средней магнитной силовой линии воздушного зазора магнитопро-

вода:

= 0.05 м.

Площадь поперечного сечения воздушного зазора магнитопровода:

= 0,045 • 0,027 = 0,001215 м

Площадь поперечного сечения магнитопровода:

597

Sm = 0,021 • 0,045 = 0,000945 м

Магнитный поток в воздушном

зазоре:

= В

• S

= 0.125 • 0.001215 =

0,000151875 Вб

где: В

— Магнитная индукция в воз-

душном зазоре, 0.125 Тл

— Площадь воздушного зазо-

ра магнитопровода 0.001215 м.

Принимаем магнитный поток на

всех участках магнитопровода одина-

ковым, тогда индукция в магнитопро-

воде составит:

Вm = Ф

/Sm = 0,000151875

/0,000945 = 0,161 Тл

где: Ф

— Магнитный поток в воз-

душном зазоре.

Sm — Площадь сечения магнитопровода.

По кривой намагничивания (зависимости магнитной индукции от напря-

женности магнитного поля) для электротехнической стали при значении ин-

дукции 0.161 Тл. значение напряженности равно 100 А/м.

Таблица 2

Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля

Напряженность, А\м

Пермандюр

Низкоуглеродистая сталь

Электротехническая сталь

Пермалой марки 79НМ

0,75

1,2

0,8

0,65

1,5

1,45

1,2

0,9

0,7

1,7

1,25

0,75

1,4

1,15

0,8

2,15

1,45

1,25

0,95

2,2

1,5

1,3

2,35

1,6

1,45

1,05

Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре.

= B

0.125/1.256 • 10

-6

= 99522 А/м

где: Н

— напряженность магнитного поля в воздушном зазоре, А/м.

— магнитная индукция в воздушном зазоре, 0.125 Тл.

— магнитная постоянная вакуума, 1.256 • 10

-6

598

На основании закона полного тока магнитной цепи определяем намагничиваю-

щую силу:

w = H

+ H

w = 100

0.149+ 99522

0.05 = = 14.9 + 4976,1 =4991 А

где: I — Значение тока через катушку, А.

w — Количество витков катушки.

— Напряженность магнитного поля в магнитопроводе, А/м.

— Длина магнитопровода, 0.149 м.

— Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре, А/м.

- Воздушный зазор, 0.05 м.

Приняв намагничивающий ток в обмотке равным 10А, получим что для

создания намагничивающей силы 4991 А

B необходимо 499 витков в обмотке

катушки. Следует иметь ввиду, что это будет максимальное значение магнит-

ной индукции. Значения индуктивности и активного сопротивления дроссе-

лей в зависимости от размера сердечника и количества витков.

Таблица 3.

Зависимость индуктивности и активного сопротивления дросселя

Др1 от размера сердечника и количества витков

1-ый дроссель Др1. Диаметр провода = 1 мм, Размеры железа сердечника

броневого типа = 40*75*50. Размеры стержня = 22*42*40.

Количество витков

Wl=120

W2=70

Wl+W2=190

Индуктивность, Гн.

0,0038

0,001

0,0086

Активное сопротивле-

ние, Ом

0,34

0,21

0,52

599

Таблица 4

Зависимость индуктивности и активного сопротивления дросселя

Др.2 от размера сердечника и количества витков.

2-ой дроссель Др2. Диаметр провода = 1.3мм, Размеры железа сердечника

броневого типа = 55*80*60. Размеры стержня = 19*50*50.

Количество витков

Wl=120

W2=90

Wl+W2=210

Индуктивность, Гн.

0,0038

0,0024

0,012

Активное сопротивле-

ние, Ом

0,22

0,20

0,42

Таблица 5

Расчет значений индуктивного сопротивления дросселей в зависимости

от частоты питающего напряжения и количества витков

Частота, Гц.

100

200

400

1000

Индуктивное

сопротивление, ом

Др1. W=190 витков.

0,054

0,540

2,702

5,403

10,807

21,614

54,035

Индуктивное

сопротивление, ом

Др2. W=210 витков.

0,075

0,753

3,769

7,539

15,079

30,159

75,398

Индуктивность катушки цилиндрической:

L = μ

S/l

= 0.001

где: μ

— магнитная постоянна вакуума, 1.256

-6

Г/м

μ - относительная магнитная проницаемость

w — Число витков катушки, м

S — Площадь катушки, м

l — Длина катушки, м

600