Первый отечественный сверхпроводящий магнитно-резонансный томограф с полем 1.5 Тесла для высокоточной медицинской диагностики

Сообщается о создании первого в России сверхпроводящего магнитно-резонансного томографа (МРТ) с индукцией магнитного поля 1.5 Тл. Основной частью прибора является сверхпроводящий магнит с индукцией магнитного поля 1.5 Тл и "теплым отверстием" 90 см, который был разработан и построен в кооперации между ФИАН и компанией НПО РТИ (Москва). Однородность магнитного поля 2 ppm в сфере 40 см; временнáя стабильность 0.01 ppm/ч, что соответствует стандартным параметрам МРТ такого уровня. Разработано программное обеспечение, которое позволяет получение томограмм высокого качества с пространственным разрешением 0.4 мм всех органов человеческого организма. Создан пакет технической документации, готовый к началу производства.

Кл. сл. : сверхпроводящие магниты, высокие магнитные поля, МРТ, криогеника

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является создание уникального магнитно-резонансного томографа (МРТ) российского производства с индукцией магнитного поля 1.5 Тл. Магнитно-резонансная томография представляет собой наиболее точный метод медицинской диагностики, позволяющий получать объемную информацию о патологиях человеческого организма. Рынок МРТ в России не насыщен. Обнародованный план Минпромторга РФ по импорто-замещению МРТ показывает, что к 2018 г. импорт МРТ в Россию будет сокращен с 95 до 47.5 %. Интересные цифры показывает статистика текущего количества введенного в эксплуатацию МРТ на плотность населения в мире (штук МРТ на 1 млн жителей):

• •    США — 35;

• •    Германия — 27;

• •    Япония — 46;

• •    Россия:

ЦФО, включая Москву — 3.2;

Южный ФО — 1.4.

РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА СОЗДАНИЯ МРТ

Проект по созданию отечественного МРТ был открыт в ФИАНе в 2011 г. К настоящему моменту созданы базовые технологии производства МРТ на основе новых отечественных разработок [1–4], способных конкурировать с зарубежными аналогами; создана опытная производственная линия; созданы две модели МРТ: полноразмерный МРТ (рис. 1) и компактный ортопедический (рис. 2). Рассмотрены модельные объекты на основе органических соединений [5–8] для изучения воздействия МРТ на организм человека. Текущий этап развития проекта — готовность начать работы по организации производства и продаж.

Рис. 1. Полноразмерный МРТ 1.5 Тл Fullscan

Рис. 2. Компактный ортопедический МРТ 1.5 Тл MR Scanex

Технологическая цель и новизна работ состоит в создании МРТ без использования жидкого гелия с индукцией магнитного поля 1.5 Тл, что позволит снизить стоимость системы на 25 %. Создание данной системы позволит перейти к массовой МРТ-диагностике и к "палатному" МРТ. Работы по МРТ были начаты, исходя из предыдущего опыта научного приборостроения для физики и техники низких температур.

МРТ включает в себя следующие подсистемы: магнит, градиентно-корректирующий модуль, блок градиентных усилителей, передающую РЧ-катушку, комплект приемных РЧ-катушек, РЧ-передатчик, восьмиканальный цифровой спектрометр, стол пациента, компьютер консоли оператора с установленным специализированным программным обеспечением. Структурная схема взаимодействия систем МРТ показана на рис. 3.

Базовым элементом МРТ является сверхпроводящий магнит, создающий сильное постоянное магнитное поле в области сканирования. Существенными характеристиками этого поля являются чрезвычайно высокие однородность в пространстве и стабильность во времени. Организация производства МРТ-магнитов потребовала разработки ряда специальных технологий, таких как синтез высокооднородного магнитного поля с помощью многокатушечных систем; активное экранирование; получение сверхнизкоомных соединений сверхпроводящих проводов с сопротивлением ниже 10–14 Ом; "пассивное шиммирование" — корректирование неоднородности магнитного поля с помощью ферромагнитных элементов.

Компрессор криорефрижератора

Система охлаждения

Управляющая

Приемная электроника катушка

Магнитная система

Головной ПК с программой управления электроникой

Градиентно-корректирующий модуль и передающая катушка

Силовая стойка с усилителями градиентов и передатчиком

Рис. 3. Структурная схема МРТ

Рабочее значение индукции магнитного поля сверхпроводящего магнита для всего тела составляет 1.5 Тл. Магнит имеет горизонтальное сквозное отверстие для помещения пациента диаметром 90 см и длиной 170 см. Пассивное шиммирование магнита позволило получить однородность поля порядка 2 ppm в рабочей области сферы диаметром 40 см. Стабильность магнитного поля в рабочем короткозамкнутом режиме "замороженного поля" составляет 0.01 ppm/ч. Магнит является активно-экранированным, расстояние от изоцентра магнитной системы до поверхности с индукцией 0.5 мТл составляет 4.4 м в продольном направлении и 2.6 м в радиальном. Представленные характеристики являются типичными для современных МРТ.

Сверхпроводящие обмотки магнита размещены при температуре 4.2 К в гелиевом криостате. Магнит оснащен двухступенчатым криорефрижератором, который реконденсирует пары жидкого гелия, что позволяет обеспечить долговременную работу без дозаправки жидким гелием. Первая ступень криорефрижератора используется для охлаждения теплового экрана, а холодопроизводительность его второй ступени используется для реконденсации паров испарившегося жидкого гелия.

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРАБОТАННОГО МРТ

МРТ позволяет получать изображения слоев в 3 основных плоскостях — аксиальной, сагиттальной и фронтальной, — а также в наклонных плоскостях с углом наклона до 45º. Программное обеспечение МРТ реализует методы визуализации (см. рис. 4) с помощью основных импульсных последовательностей: SE (спин-эхо), GE (градиентное эхо), FSE (быстрое спин-эхо), IR (инверсия— восстановление), 3D (метод сканирования и реконструкции по алгоритму 3D Фурье). Минимальная толщина слоя плоскости сечения составляет в режимах 2D не более 2 мм, в режиме 3D — не более 0.5 мм. Пространственное разрешение в плоскости изображения при толщине слоя 5 мм позволяет различать структуры с линейными размерами не более 0.4 мм. Геометрические искажения линейных размеров на изображении не превышают ±3 % при толщине слоя 5 мм.

Рис. 4. Образцы томограмм, полученных на полноразмерном МРТ FullScan

Кроме того, программное обеспечение МРТ обеспечивает широкий спектр сервисных функций, таких как ввод данных пациента; выбор режима сканирования и задание его параметров; просмотр изображений и различные манипуляции с ними; постобработка изображений с помощью фильтров, подавляющих шумы и подчеркивающих границы областей; архивирование изображений на магнитных носителях; получение твердых копий изображения.

МРТ КОМПАКТНЫЙ ОРТОПЕДИЧЕСКИЙ

Помимо сканера всего тела, нами был создан специализированный ортопедический МРТ — MR Scanex. МРТ предназначен для получения изображений суставов конечностей человека. По статистическим данным, такие исследования составляют около 20 % всех МРТ-исследований. Магнит МРТ с индукцией магнитного поля 1.5 Тл имеет туннельную конструкцию с "теплым отверстием" 325 мм. Рабочая зона сканирования представляет собой сферу диаметром 160 мм. Стабильность и однородность магнитного поля аналогичны соответствующим характеристикам магнита всего тела. Магнит также является активноэкранированным. Расстояние от изоцентра магнитной системы до поверхностей с уровнем индукции 0.5 мТл составляет 2.5 м в продольном направлении и 1.7 м в радиальном.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ

Нами разработаны две модификации сверхпроводящего магнита, отличающиеся способом охлаждения обмоток. Одним из способов охлаждения обмоток является традиционная для современных МРТ описанная здесь схема с использованием жидкого гелия (реконденсация паров криорефрижератором).

Другая модификация представляет собой т. н. "сухой" магнит, где жидкий гелий не используется, а сверхпроводящие обмотки охлаждаются напрямую криорефрижератором. Это позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты.