Przegląd literatury fachowej

Chłodzenie miedzianych cewek oraz stosowanie materiałów nadprzewodzących dla poprawy wartości współczynnika SNR w zastosowaniach MRJ rozważano już w latach 1980-tych. Zastosowanie kriogenicznych cewek wymaga jednak spełnienia szeregu warunków takich, jak dostosowanie współczynnika wypełnienia oraz elektromagnetyczna zgodność zastosowanych materiałów, stabilność temperaturowa, jednorodność chłodzenia oraz odpowiednia izolacja termiczna próbki. Z uwagi na różnorodność stosowanych materiałów i charakteru cewek, szereg technik kriogenicznych było

dotychczas stosowanych w badaniach nad zastosowaniem cewek wykonanych

z wysokotemperaturowych nadprzewodników. W literaturze można znaleźć wiele prac potwierdzających wzrost jakości obrazów zarówno w przypadku kriogenicznych cewek wykonanych z miedzi, czy też wysokotemperaturowych nadprzewodników przy zlokalizowanym obrazowaniu różnych części ciała. Wyższe wartości Q zostały uzyskane dla cewki RF pracującej w polu 0.15T wykonanej z grubej warstwy YBCO naniesionej i wytrawionej na podkładzie z cyrkonii [95] oraz BSCCO wyhodowanym na obu stronach taśmy srebrnej [96]. Cewki te wykonane zostały techniką monolitycznego nanoszenia warstwy nadprzewodnika ceramicznego na odpowiednie podłoże. Pozwoliło to na uzyskiwanie bardzo wysokich wartości dobroci Q. Niestety sam proces ich wytwarzania jest skomplikowany oraz czasochłonny, wymaga precyzyjnego rozkładu nanoszonych zwojów z jednoczesnym uwzględnieniem pojemności między nimi dopasowującej układ do docelowej częstości rezonansowej. Największym ograniczeniem jest jednak konieczność wytwarzania jedynie cewek planarnych, o ograniczonym polu widzenia. Innym podejściem jest modyfikacja komercyjnie dostępnych taśm oraz drutów wykonanych z długich, drobnokrystalicznych filamentów materiału BSCCO, umieszczonych wewnątrz srebrnej osłonki przy pomocy wytłaczania, przeciągania oraz podgrzewania, lub taśm nowej generacji z materiału YBCO. Zewnętrzna, metaliczna warstwa płaszcza ochronnego może zostać dodatkowo usunięta/wytrawiona, w celu uniknięcia ekranowania nadprzewodzącej fazy w zastosowaniach RF (z uwagi na efekt naskórkowy) [97].

Największym obiektem, który badano był kręgosłup w polu 0.15 T [98] oraz 0.064 T [96], dając wzrost SNR odpowiednio o 23% oraz 66%. Relatywnie niska poprawa SNR wytłumaczalna jest przez duży wpływ szumu próbki, co prowadzi do wniosku, iż zastosowanie kriogenicznych cewek w celu obrazowania większych objętości należy prowadzić przy pomocy układu relatywnie małych cewek. Wykorzystanie pojedynczej cewki HTS o efektywnym promieniu 17 mm, umieszczonej 5 cm od powierzchni głowy do obrazowania głęboko położonych rejonów mózgu w polu 0.2 T [99] dało cewkę

33

o dobroci około 10 000 oraz 6.4 krotny wzrost SNR w stosunku do identycznej cewki ze srebra. Duży zysk wartości SNR wytłumaczalny jest w tym wypadku małą ilością szumu z tkanki z uwagi na dużą odległość cewki od badanego obiektu. Powierzchniowe cewki RF wykonane z HTS szczególnie nadają się do OMR kończyn w niskim polu, prezentując typowo około 3 krotny wzrost czułości. Istotne jest jak najbardziej jednorodne pole w obszarze obrazowania, stąd pojawiły się także cewki objętościowe, na przykład w postaci dwóch cewek powierzchniowych w konfiguracji Helmholtza [100], czy dwu elementowej macierzy cewek z HTS [101], umożliwiając uzyskanie większego pola widzenia (FOV) przy obrazowaniu nadgarstka w polu 0.2 T. Głęboka penetracja oraz trzykrotny lokalny wzrost SNR został wykazany w przypadku obrazowania kolana przy pomocy pojedynczej cewki powierzchniowej w polu 0.15T [95]. OMR większych stawów w niskim polu może być z powodzeniem wykonywane przy użyciu kilku sprzężonych cewek, łącząc duże pole widzenia w obrębie stawu, ze znacznym zyskiem SNR małych pojedynczych cewek. Duże nadzieje klinicznego wykorzystania cewek HTS są związane z ich zastosowaniem do obrazowania pewnych obszarów głowy takich jak kość skroniowa, oczodoły, czy staw skroniowo-żuchwowy. Obrazowanie tych rejonów mózgu w wysokim polu magnetycznym jest utrudnione z powodu występujących na obrazach artefaktów związanych z przesunięciem chemicznym oraz zmienną podatnością magnetyczną. Obrazowanie w niskim polu z wykorzystaniem powierzchniowych cewek HTS może przynieść duży zysk, ponieważ lokalne gradienty związane z różnicami w podatności i przesunięciu chemicznym są proporcjonalne do stałego pola magnetycznego. Prace nad wykorzystaniem powierzchniowych cewek nadprzewodzących do tego celu przyniosły około 3 krotny wzrost SNR przy wysokiej rozdzielczości obrazowaniu stawu skroniowo-żuchwowego oraz oczodołu w polu 0.2T [102].

W literaturze fachowej można znaleźć sporo doniesień z początku XXI wieku, dotyczących wykorzystania nadprzewodzących materiałów do uzyskania wyższego stosunku sygnału do szumu obrazów rezonansu magnetycznego. Dla przykładu w 2003 roku Ma i współpracownicy skonstruowali powierzchniową cewkę z materiału YBa2Cur3O7 w postaci cienkich warstw naniesionych na substrat z LaAlO2 do zastosowania w polu 0.2T [103]. Autorzy raportowali wzrost SNR 2.8-krotny oraz 1.4-krotny względem analogicznej cewki z miedzi w temperaturze pokojowej oraz ciekłego azotu. Bardziej szczegółowej analizy przydatności cewek konstruowanych w podobny sposób przeprowadził w 2004 roku Lee ze współpracownikami [104]. Pokazali oni eksperymentalnie znaczenie wielkości cewki wykonanej z materiału HTS w polu 0.21T, analizując wzrost SNR i kontrybucje szumów cewki oraz próbki dla średnicy 2.5, 3.5 oraz 5.5 calowej cewki powierzchniowej. Zaobserwowali bowiem 200% wzrost SNR dla największej cewki oraz 250% przyrost dla dwóch pozostałych. Cewki nadprzewodzące były także przedmiotem badań w polu magnetycznym o indukcji 3 T [105], gdzie w 2005 roku autorzy zbadali wartości dobroci cewek wykonanych z taśmy HTS drugiej generacji BSCCO oraz wykonali porównawcze eksperymenty dla identycznej cewki z miedzi. Zaobserwowali wzrost SNR dla cewki

4. Kriogeniczne oraz nadprzewodzące cewki wysokiej częstości

34

o średnicy 7 cm w zakresie 1.3-1.6, w zależności od przewodności fantomu (od 1.4 do 0 S/m). W 2010 roku Lin pokazał 1.94-krotny przyrost SNR w polu 3 T, przy obrazowaniu nadgarstka cewką o średnicy 20 cm [106].

W ostatnich latach dużo uwagi poświęcono badaniom wzrostu SNR w badaniach w wysokopolowych systemach obrazowania, gdzie obiektem badań są myszy i szczury. Lin ze współpracownikami zaprezentowali objętościową cewkę siodłową z taśmy BSCCO, która umożliwiła obrazowanie myszy z 2-krotnie wyższym SNR w polu 3T [107]. W innej pracy ci sami autorzy pokazali wykorzystanie macierzy dwóch 4-cm średnicy cewek z taśmy BSCCO sprzężonych indukcyjnie w polu 3T, wykazując 3.75-krotny wzrost SNR w stosunku do pojedynczej cewki powierzchniowej z miedzi o średnicy 8 cm, pracującej w temperaturze pokojowej [108]. W 2013 roku Laistler pokazał wykorzystanie 12.4-mm cewki z materiału HTS do uzyskania obrazów o 80 m rozdzielczości. Obrazując skórę ludzką zaprezentowano przyrost SNR o 380% i 30% w porównaniu z cewką miedzianą w temperaturze pokojowej oraz ciekłego azotu, postulując przydatność tego typu rozwiązania w dermatologii [109].

Pomimo doniesień o korzyściach zastosowania cewek z materiałów HTS, ich zastosowanie jest ograniczone do wymagających aplikacji, a najczęściej do badań eksperymentalnych. W przypadku najczęściej opisywanych monolitycznych cewek, ich produkcja i napylenie materiału HTS na dielektryczne podłoże jest zadaniem bardzo skomplikowanym, możliwym do wykonania jedynie przez niewielką liczbę producentów (między innymi firma Theva z Monachium) i kilka laboratoriów badawczych [110-112], czyniąc takie rozwiązanie kosztownym oraz czasochłonnym.

Cewki kriogeniczne posiadają wąską linię rezonansową, spowodowaną niskimi stratami wewnętrznymi co powoduje konieczność precyzyjnego dostrojenia do częstotliwości rezonansowej. Aby takie cewki poprawnie zaprojektować stosuje się symulacje komputerowe, którą są w stanie uwzględnić całe środowisko pracy cewki, umożliwiając określenie charakterystyki cewki przed wykonaniem pierwszego prototypu. Wyniki symulacji są w szczególności pomocne w określeniu wartości dobroci Q, odpowiedzi częstotliwościowej i rozkładu pola B1 [113].

35