Кратко — какие процессы устанавливают ограничения и почему они важны:
1) Электромагнитные процессы, определяющие распределение энергии в теле
- Нагрев от ВЧ-поля (RF/B1): электрическое поле в ткани возбуждается ВЧ-передатчиком и теряётся на проводимостьй ткани. Плотность поглощённой мощности выражается через SAR:
$$SAR=\frac{\sigma |E{|}^2}{\rho },$$ где $\sigma$ — электропроводность ткани, $E$ — локальное электрическое поле, $\rho$ — плотность ткани. SAR пропорционален квадрату амплитуды В1 и duty‑cycle.
- Соответствие углового отклонения (flip angle) и требуемого B1: для прямоугольного импульса
$$\alpha =\gamma B_{1,\text{eff}}\tau ,$$ следовательно потребная мощность растёт с $B_1^2$.
- Высокое поле и длинные размеры тела → соотношение длины волны в ткани и геометрии приводит к интерференции и локальным «hot‑spots» (локальным пикам SAR).
- Индуцированные токи от быстрых переключений градиентов (Faraday) создают электрические поля в теле и могут вызывать стимуляцию нервов (PNS) и локальныe нагревы:
$$\oint E\cdot dl=-\frac{d\Phi }{dt}\sim r\frac{dB}{dt}.$$ - Наличие имплантов/проводящих структур концентрирует электрическое поле и усиливает локальный нагрев.
2) Тепловые (биотепловые) процессы, определяющие динамику нагрева и безопасность
- Уравнение био‑теплопереноса (Pennes) описывает изменение температуры:
$$\rho c\frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T)+SAR-{\omega }_b{c}_b(T-T_b),$$ где $c$ — удельная теплоёмкость ткани, $k$ — теплопроводность, ${\omega }_b$ — скорость перфузии крови, $c_b$ и $T_b$ — параметры крови. Перфузия и теплопроводность рассеивают нагретую энергию.
- Временные масштабы: нагрев локально может нарастать за секунды‑минуты (зависит от мощности и локальных свойств), расслабление — через теплообмен с кровью и окружающими тканями.
- Локальные пик‑температуры важнее средней SAR: даже при допустимом среднем SAR локальные горячие точки (из‑за интерференции или имплантов) могут привести к повреждению.
3) Последствия для ограничений и оптимизации качества изображения
- Ограничения по мощности/дuty‑cycle вводятся чтобы держать SAR и вызываемое повышение температуры в безопасных пределах; поэтому выбор импульсов, flip‑angle и TR влияет на SNR и контраст.
- Для оптимизации применяют:
- фазированную передачу (pTx) и оптимизацию распределения фаз/амплитуд для снижения локального SAR;
- изменение формы импульса (удлинение/модуляция) для снижения пикового $E$ при том же flip‑angle;
- распределение энергии во времени (меньший duty‑cycle, увеличение TR) или использование низко‑SAR последовательностей;
- моделирование полей и тепловое моделирование для оценки локальных эффектов (особенно при имплантах).
- Ограничения градиентов (slew rate, dB/dt) ставятся из‑за PNS и индуцированных токов; trade‑off между скоростью градиентных переключений (время эха/артефакты) и комфортом/безопасностью пациента.
Ключевая идея: электромагнитные поля задают, куда и сколько энергии входит в тело (SAR ∝ |E|^2 ∝ B1^2 и duty), а теплоперенос и перфузия определяют, насколько это приводит к локальному повышению температуры. Ограничения на мощность и форму импульсов выбирают так, чтобы сочетать требуемый flip‑angle/SNR и контролировать локальные SAR/температуру и PNS.