Что это за исследование? Физические основы мрт
Информативный, безопасный, неинвазивный метод диагностики, позволяющий получить с высокой разрешающей способностью изображения органов и систем, сосудистых структур в различных плоскостях, с использованием трехмерных реконструкций.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАГНИТНО – РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Фундаментальным открытием в области физики было открытие Николой Тесла вращающегося магнитного поля в 1882 году в Будапеште.
В 1956 году в Мюнхене в Германии было образована международная электротехническая комиссия «Общество Тесла». Все машины МРТ откалиброваны в единицах " Тесла ". Сила магнитного поля измеряется в Тесла или в единицах Гаусс. Чем сильнее магнитное поле, тем большее количество радиосигналов, которые могут быть получены из атомов тела и, следовательно, тем выше качество изображения МРТ. 1 Тесла = 10000 Гаусс
§ Низкое поле МРТ = до 0,2 Тесла (2000 Гаусс)
§ Среднее поле МРТ = от 0,2 до 0,6 Тесла (от 2000 Гаусс до 6000 Гаусс)
§ Высокое поле МРТ = от 1,0 до 1,5 Тесла (от 10000 Гаусс до 15000 Гаусс)
В 1937 году профессор Колумбийского университета Исидор И. Раби, работая в Пупинской физической лаборатории в Колумбийском университете, Нью-Йорк, отметил квантовое явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Он выяснил, что атомные ядра отмечают свое присутствие за счет поглощения или излучения радиоволн при воздействии достаточно сильного магнитного поля.
Профессор Исидор И. Раби получил Нобелевскую премию за свою работу. В 1973 году Павел Лотербур, химик и исследователь ЯМР из Университета штата Нью-Йорк, получил первое ЯМР изображение.
Раймонд Дамадиан, врач и экспериментатор, работая в Даунстейтовском медицинском центре Бруклина, обнаружил, что сигнал водорода в раковой ткани отличается от здоровой ткани, потому что опухоли содержат больше воды. Чем больше воды, тем больше атомов водорода. После выключения аппарата МРТ, остаточные колебания радиоволн от раковой ткани длятся дольше, чем от здоровой ткани.
С помощью своих аспирантов, врачей Лоуренса Минкоффа и Майкла Голдсмита, доктор Дамадиан создал переносные катушки для мониторинга излучения водорода, и через некоторое время первый МРТ аппарат был сконструирован. 3 июля 1977 в течение почти пяти часов было проведено первое сканирование человеческого тела с помощью МРТ, а первые сканы пациента с раком груди были проведены в 1978 году.
ПРИНЦИП РАБОТЫ МРТ
Магнитно-резонансная томография является медицинским диагностическим методом, который создает изображения тканей и органов человеческого тела с использованием принципа ядерного магнитного резонанса. МРТ может генерировать изображение тонкого среза ткани любой части человеческого тела - под любым углом и направлением. МРТ позволяет получить изображение человеческих органов и тканей с помощью электромагнитного поля.
МРТ создает сильное магнитное поле, а в организме человека есть своеобразные маленькие биологические " магниты ", состоящие из намагниченных протонов, входящих в состав атомов водорода. Протоны является основным элементом магнитных свойств тканей организма.
Во-первых, МРТ создает устойчивое состояние магнетизма в человеческом теле, когда тело помещено в постоянное магнитное поле. Во-вторых, МРТ стимулирует организм с помощью радиоволн, что меняет стационарную ориентацию протонов. В-третьих, аппарат останавливает радиоволны и регистрирует электромагнитную трансмиссию организма. В-четвертых, передаваемый сигнал используются для построения внутренних изображений тела с помощью обработки информации на компьютере.
МРТ изображение не является фотографическим. Это, на самом деле, компьютеризированная карта или изображение радиосигналов, излучаемых человеческим телом. МРТ превосходит по своим возможностям компьютерную томографию, так как не используется ионизирующее излучение как при КТ, а принцип работы основан на использовании безвредных электромагнитных волн.
Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа.
МОЩНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является многоплоскостным методом визуализации, основанном на взаимодействии между
радиочастотным электромагнитным полем и некоторыми атомными ядрами в теле человека (обычно водорода), после помещения тела в сильное магнитное поле. Этот метод визуализации особенно качественно визуализирует мягкие ткани. Качество МРТ зависит не только от напряженности поля (выше 1 Тл считается высоким полем), но и от выбора катушки, использования контраста, параметров исследования, опыта специалиста, оценивающего полученное изображение и способного определить наличие патологии. Введение внутривенно контраста (гадолиния) часто используется при МРТ исследованиях. В настоящее время в МРТ аппаратах используется поле мощностью от 0.1 до 3.0 Т. В последние годы появились также томографы мощностью 7 Т, но их применение в клинике пока находится в стадии испытаний.
В клинической практике для аппаратов применяют следующую градацию аппаратов по мощности:
§ Низкопольные от 0.1 до 0.5 Т
§ Среднепольные от 0.5 до 0.9 Т
§ Высокопольные выше 1 Т
§ Сверх высокопольные 3.0 и 7.0 Т
Также подразделяют аппараты на открытого типа и закрытого (туннельного типа).
До последнего времени аппараты открытого типа были представлены только низкопольными аппаратами, но в настоящее время уже выпускаются и активно используются аппараты МРТ открытого типа с высоким полем (1 Т и более). Кроме того, появились аппараты для проведения исследований пациента в вертикальном положении или сидя. Разнообразие различных видов аппаратов МРТ позволяет очень широко использовать этот метод диагностики для определения морфологических изменений или функциональных нарушений при различных патологических состояниях.
Все аппараты можно условно разделить на низкопольные и высокопольные или открытого или туннельного типа.
НЕРЕДКО ПАЦИЕНТУ ТРУДНО СДЕЛАТЬ ВЫБОР МЕЖДУ ПРОВЕДЕНИЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ НА НИЗКОПОЛЬНОМ ИЛИ ВЫСОКОПОЛЬНОМ АППАРАТАХ. НО МЕЖДУ НИЗКОПОЛЬНЫМИ И ВЫСОКОПОЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ СУЩЕСТВУЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНАЯ РАЗНИЦА.
Открытые (низкопольные) сканеры дают низкое качество изображений, и некоторые исследования для уточнения диагноза приходится повторять после низкопольных аппаратов на высокопольных аппаратах. Высокопольные МРТ аппараты с напряженностью магнитного поля (1 - 1,5-3.0 Тесла) обеспечивают высокое разрешение, которое позволяет визуализировать более детально структуру органов и тканей. Низкопольные аппараты МРТ обычно имеют мощность магнитного поля от 0.23 до 0.5 Тесла. Чем выше напряженность магнитного поля, тем лучше визуализация и более быстрее происходит сканирование. Существует прямая пропорция между увеличением мощности магнитного поля и качеством визуализации тканей.
МР аппараты сканируют тело слоями (срезами). Чем выше магнитное поле, тем срезы тоньше, что позволяет получить более детальную морфологическую картину тканей и, таким образом, более точно поставить диагноз.
Высокопольные МРТ требуют меньше времени на проведение исследования, благодаря более высокому магнитному полю. Высокопольные МРТ сканируют тело в полтора-два раза быстрее, чем аппараты низкопольные (открытого типа). Это очень важно, так как при длительном исследовании вероятность движения пациента и появления артефактов изображения увеличивается.
Высокопольные МРТ аппараты обеспечивают самые передовые методы визуализации, некоторые из которых не могут быть выполнены на аппаратах с низким магнитным полем.
Высокопольные аппараты МРТ постоянно совершенствуются для обеспечения большего комфорта для пациента и уменьшение беспокойства пациента во время проведения исследования. В последние годы были разработаны новые МРТ сканеры с существенно более короткой трубкой, что позволяет голове пациента быть снаружи отверстия магнита при выполнении ряда исследований. Отверстие магнита расширено в конце трубки, что уменьшает у пациента чувство замкнутого пространства, потому что голова пациента находится на пути к расширенному концу. Кроме того, отверстие имеет большую ширину, чем у более ранее сконструированных сканеров, что обеспечивает больше пространства вокруг пациента во время проведения исследования.
Тем не менее, у высокопольных аппаратов есть несколько минусов:
1. Клаустрофобия. Небольшой процент пациентов боятся замкнутого пространства и не могут находиться внутри высокопольного аппарата. Подавляющему большинству этих пациентов бывает достаточно принять легкое седативное до проведения исследования.Но при наличии выраженной клаустрофобии проведение исследования на аппаратах туннельного типа таким пациентам бывает весьма затруднительно.
2. Размер. МРТ-аппараты высокопольные имеют ограниченное пространство, и некоторые пациенты из-за больших размеров тела могут быть слишком велики, чтобы уместиться в туннеле МРТ аппарата. Некоторые высокопольные МРТ имеют также ограничения по весу.
3. Боль. Если у пациента имеется сильный болевой синдром в спине, в шее или другие симптомы то это затрудняет возможность пациента лежать неподвижно в течение длительного периода.
Поэтому, низкопольные (открытого типа) аппараты МРТ могут быть более подходящим для некоторых пациентов, например, с истинной клаустрофобией или с большими размерами тела.
Отрасль медицинской диагностики имеет в своем арсенале уже достаточно методов, позволяющих определить заболевание, поразившее тот или иной орган. МРТ (магнитно-резонансная томография) – обследование, прочно занявшее лидирующую позицию благодаря своим особенностям. Что такое МРТ и почему методика стала востребована в последние несколько десятилетий практически по всему цивилизованному миру, можно узнать при ознакомлении с принципом работы аппаратуры, применяемой для осуществления процедуры.
Немного истории
1973 год, в котором Пол Лотербур – профессор химии опубликовал свою статью о создании изображения на основе магнитного резонанса в научном журнале Nature, всеми единогласно принят за время основания метода. Немного позднее Питер Мэнсфилд – британский физик, усовершенствовал математические составляющие создания изображения. За вклад в создание магнитно-резонансной томографии оба ученых получили Нобелевскую премию в 2003 году.
Весомый прорыв в развитие метода произошел при изобретении МРТ-сканера американским ученым и врачом Реймондом Дамадьяном, одним из первых исследователей возможностей МРТ. По многочисленным сведениям, ученый является создателем и самого метода, так как еще 1971 году им была опубликована идея об обнаружении рака при помощи МРТ. Также имеется информация о подаче заявки в Комитет изобретений и открытий от советского изобретателя Иванова В.А. по данной теме, подробно описанной уже в 2000 году.
На чем базируется диагностика
Принцип действия МРТ основывается на возможности изучать ткани человеческого организма, исходя из их насыщенности водородом и магнитных свойств. Ядро водорода имеет один протон, содержащий спин (магнитный момент), который под действием магнитного и градиентных (дополнительных) полей, подаваемых на резонансной для него частоте, меняет ориентацию в пространстве.
По параметрам протонов, его магнитных моментов и их векторов, существующих только в двух фазах, а также привязке протона к спинам, можно сделать вывод, в какой тканевой субстанции расположен атом водорода. Воздействие на участок тела электромагнитным полем определенной частоты приводит к смене у части протонов магнитного момента на противоположный, а затем к возврату в исходную позицию.
Программа сбора данных МР томографа регистрирует выброс энергии, возникающей при релаксации возбужденных частиц – протонов. С момента создания метод получил название ЯМРТ (ядерно магнитно-резонансная томография), и назывался так вплоть до аварии на Чернобыльской АС. После было решено убрать из названия первое слово, чтобы не вызывать опасения у проходящих сканирование МРТ.
Особенности работы томографа
Аппарат для МРТ, что это такое, и каковы особенности его устройства? Первые приборы, с помощью которых осуществлялась процедура МРТ, создавали магнитное поле с индукцией 0,005 Тл (Тесла) и качество снимков было низким. Томографы нашего времени оснащены мощными источниками, создающими сильное электромагнитное поле. К ним относятся электромагниты с индукцией до 1–3 Тл, иногда до 9,4 Тл, работающие в жидком гелии, и постоянные магниты до 0,7 Тл, имеющие высокую мощность (неодимовые).
Постоянные вызывают в тканях более слабую магнитно-резонансную реакцию, чем электромагнитные, поэтому область использования первых весьма ограничена. Но при этом постоянные магниты дают возможность провести МРТ обследование при положении стоя, в движении и обеспечивать врачебный доступ к проходящему процедуру при выполнении как диагностических действий, так и лечебных. Такой контроль, позволяет делать МРТ, так называемый метод интервенционной магнитно-резонансной томографии.
Принцип строения томографа
Качество изображений, полученных на МРТ аппарате 3, и, к примеру, 1, 5 Тл, как правило, не отличается. Четкость снимков зависит от настроек оборудования. Но результаты обследования на томографах с индукцией 0,35 Тл будут намного ниже качеством, чем на аппаратах 1,5 Тл. Оборудование, генерирующее поле менее 1 Тл, не позволит получить информативные снимки внутренних органов (брюшной полости и малого таза).
На таких томографах проводится только лишь диагностика головы, позвоночника, суставов, когда описание МРТ не требует изображений высокой точности.
Почему в большинстве случаев выбирается МРТ?
МРТ диагностика и КТ (компьютерная томография) – два метода, основанные на получении послойных изображений органов. Томография в переводе с греческого – сечение. Но при этом методики имеют и различия – КТ выполняет снимки при использовании рентгеновских лучей, что подвергает организм человека лучевой нагрузке, иногда даже довольно большой. Несмотря на небольшую разницу в стоимости процедур, зачастую проводится МРТ, потому что КТ лучше визуализирует только костные ткани.
А в остальных случаях выбирается первая процедура, так как показывает МРТ все мягкие и хрящевые структуры, сосудистые и нервные образования разных размеров. Исследование выявляет множество патологических процессов самого разнообразного характера. К тому же процедуру, такую как МРТ можно назначать беременным и кормящим женщинам, детям, не боясь о возможном вреде их здоровью или внутриутробному развитию плода. Исследование имеет определенные противопоказания, но многие из них не являются абсолютными и при выполнении определенных условий его можно провести.
Когда необходима диагностика при использовании магнитного поля?
Показания к МРТ полностью основываются на ее диагностических особенностях, а именно на количестве молекул водорода в тканях. Так, практически во всех мягких и хрящевых образованиях, благодаря процедуре можно диагностировать следующие разновидности патологических процессов:
К тому же, после того как делают МРТ, становится доступно отследить изменения в сосудистых руслах кровеносной системы, а также лимфатической и ее узлах. Диагностика позвоночника данным методом позволяет воссоздать полное (трехмерное) изображение всех образующих его структур, и провести анализ деятельности опорно-двигательной, нервной и системы кровообращения.
МРТ головного мозга позволяет получить 3D модель органа
Эта особенность диагностики иногда заставляет пациентов, получивших назначение на процедуру задаться вопросом, зачем делают МРТ позвоночника, если костные ткани при обследовании визуализируются недостаточно хорошо? Рекомендация к прохождению обоснована, тем, что патологии позвоночника часто приводят к возникновению заболеваний окружающих тканей, например, тот же остеохондроз, вызывающий ущемление нервов.
В каких случаях нельзя проводить процедуру?
Даже учитывая, что МРТ – исследование безвредное и не инвазивное, все же есть причины, препятствующие его выполнению. Самая главная, которая и является абсолютным противопоказанием к процедуре – это наличие в теле металлических предметов. Причина, напрямую связанная с принципом проведения процедуры.
Поэтому, если у пациента присутствуют кардиостимулятор (водитель сердечного ритма), зубные и ушные несъемные металлические имплантаты, протезы клапанов сердца, ферромагнитные осколки, металлические пластины в костях, аппарат Елизарова, то на вопрос, можно ли делать МРТ, ответ однозначно отрицательный. Исключение только изготовленные имплантаты из титана, так как он не является ферромагнетиком и не отреагирует на воздействие магнитного поля.
Особую опасность предоставляют электромагнитные колебания для людей с кардиостимулятором, так как могут вывести его из строя, поставив жизнь пациента под угрозу. Относительных противопоказаний выделяется гораздо больше, но почти каждое из них можно обойти и провести процедуру при каких-либо способствующих обстоятельствах.
Так, к относительным препятствиям для проведения обследования причисляются:
- клаустрофобия, психические и физиологические расстройства, проявляющиеся повышенной возбудимостью и невозможностью выдержать процедуру в спокойном состоянии;
- общее тяжелое состояние пациента – необходимость постоянного контроля его основных жизненных показателей – дыхания, ритмов сердца, пульса, АД;
- аллергическая реакция на контрастный препарат (в случае необходимости провести );
- беременность первого триместра (врачи опасаются назначать процедуру на этом сроке, так идет закладка основных органов плода);
- сердечная, дыхательная и почечная недостаточность в стадии декомпенсации;
- ожирение 2–3 степени при массе свыше 120–150 кг.
Для каждой из вышеперечисленных ситуаций можно подобрать альтернативный вариант либо определиться необходимо ли МРТ настолько, или его можно заменить каким-либо другим обследованием. Можно избавить человека, страдающего клаустрофобией, от неудобств либо попробовать провести процедуру пациенту с большим весом, для чего делают МРТ на открытом томографе.
Аппарат МРТ с открытым контуром
Нужно ли подготавливаться к процедуре?
Диагностика электромагнитным полем не нуждается в подготовительном процессе. Нет необходимости придерживаться определенного режима питания и соблюдать диету. Только при необходимости исследовать органы малого таза нужно прийти на процедуру с наполненным мочевым пузырем – так как диагностирует МРТ данную область при расправленных стенках органа.
Существует еще один момент, который следует учитывать при назначении МРТ с контрастным усилением. Даже при условии, что для контрастирования применяются не вызывающие аллергические реакции препараты на основе солей гадолиния (Омнискан, Гадовист), все равно предварительно нужно провести тест. Нельзя исключать индивидуальную непереносимость каждого конкретного пациента.
Перед тем как идти на процедуру лучше всего будет продумать одежду и выбрать ту, которая не содержит металлических предметов – замков-молний, пуговиц, страз и других украшений. В некоторых частных клиниках предлагают переодеться в медицинскую сорочку, специально предназначенную для подобного рода мероприятий. Не следует приходить на МРТ в белье с люрексом, так как его нить создана с примесью железа.
Непосредственно перед диагностикой нужно снять все украшения, часы, очки, съемные зубные протезы и ушной аппарат.
Немаловажным моментом, который стоит не игнорировать, является посещение кабинета со всеми предыдущими, если таковые имеются, результатами обследований. Это позволит врачу сразу же сравнить новые снимки и сделать вывод об эффективности лечения или о скорости прогрессирования заболевания, либо его ремиссии. Аппараты МРТ создают настолько мощное магнитное поле, что в кабинете диагностики не присутствует никаких металлических предметов – кушеток, костылей, тростей и других личных вещей пациентов – все предметы остаются за дверью комнаты. После чего только пациенту разрешается проходить на диагностику.
Проведение исследования
Итак, полностью подготовленный пациент располагается на аппаратном столе-кушетке и медицинский персонал фиксирует его для обеспечения полной неподвижности, с учетом того, какую область нужно обследовать. Для закрепления тела больного применяются специально предназначенные ремни и валики. Параллельно ему объясняется, что работа томографа сопровождается довольно громким шумом – постукиванием, гулом, что это абсолютно нормально и не должно вызывать опасений.
Специальное крепление для проведения МРТ головы
Для комфорта при проведении процедуры обследуемому предлагаются наушники либо беруши, что поможет избавиться от неприятных шумовых эффектов. Уведомляют о наличии двухсторонней связи между диагностическим кабинетом и комнатой, в которой находится специалист, управляющий процессом. В любой момент, если пациент почувствует нарастание паники либо смены своего состояния в сторону ухудшения, можно сообщить врачу и он прервет сканирование.
Безусловно, будет хорошо, если пациент перед прохождением МРТ почитает отзывы о нем на любых интернет-порталах, оставленные людьми уже прошедшими диагностику. Тогда он сможет подготовиться морально. Если же он знает, что в подобных ситуациях может испугаться, то стоит заранее позвать с собою на процедуру близкого человека. Для этого нужно предварительно узнать, нет ли у сопровождающего лица противопоказаний к нахождению в электромагнитном поле, чтобы не принести ему вред и не создать помехи для проведения процедуры.
Если все условия выполнены, то кушетка томографа, на которой располагается пациент, задвигается в тоннель аппарата и запускается магнитно-резонансное сканирование. Сама процедура может длиться от 20 минут и до часа – это зависит от особенностей исследуемой области. Если же существуют показания МРТ с контрастированием, например, при подозрениях на онкологические процессы, то время диагностики, как правило, увеличивается вдвое.
После диагностирования
По окончании процедуры в большинстве клиник пациенту предлагается подождать 1–2 часа, пока врач расшифрует результаты исследования. После чего полученные данные выдаются на руки прошедшему обследование в виде снимков, а также на цифровых носителях – компактных дисках, которые доступно можно просмотреть в любое удобное время. Никакого дополнительного отдыха от МРТ не требуется – диагностика не влияет на физическое, психическое и эмоциональное состояние пациента. По завершении всех мероприятий, связанных с посещением клиники, он может заниматься своими привычными делами, в том числе и управлять различной техникой.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из современных методов лучевой диагностики, позволяющим неинвазивно получать изображения внутренних структур тела человека.
Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул.
МРТ получила начало как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМР-сигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения.
Преимущества МРТ
Важнейшим преимуществом МРТ по сравнению с другими методами лучевой диагностики является
:
отсутствие ионизирующего излучения и как следствие эффектов канцеро- и мутагенеза, с риском возникновения которых сопряжено (хотя и в очень незначительной степени) воздействие рентгеновского излучения.
МРТ позволяет проводить исследование в любых плоскостях с учетом анатомических особенностей тела пациента, а при необходимости – получать трехмерные изображения для точной оценки взаиморасположения различных структур.
МРТ обладает высокой мягкотканной контрастностью и позволяет выявлять и характеризовать патологические процессы, развивающиеся в различных органах и тканях тела человека.
МРТ является единственным методом неинвазивной диагностики, обладающим высокой чувствительностью и специфичностью при выявлении отека и инфильтрации костной ткани.
развитие МР-спектроскопии и диффузионной МРТ, а также создание новых органотропных контрастных препаратов является основой развития “молекулярной визуализации” и позволяет проводить гистохимические исследовании in vivo.
МРТ лучше визуализирует некоторые структуры головного и спинного мозга, а также другие нервные структуры, в связи с этим она чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований нервной системы, а также в онкологии, когда необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса
Физические основы МРТ
В основе МРТ лежит феномен ядерно-магнитного резонанса , открытый в 1946г. физиками Ф.Блохом и Э.Перселлом (Нобелевская премия по физике, 1952г.). Суть этого феномена состоит в способности ядер некоторых элементов, находящихся под воздействием статического магнитного поля, принимать энергию радиочастотного импульса. В 1973г. американский ученый П.Лотербур предложил дополнить феномен ядерно-магнитного резонанса наложением градиентных магнитных полей для пространственной локализации сигнала. С помощью протокола реконструкции изображений, использовавшегося в то время при проведении компьютерной томографии (КТ), ему удалось получить первую МР-томограмму. В последующие годы МРТ претерпела целый ряд качественных преобразований, став в настоящее время наиболее сложной и многообразной методикой лучевой диагностики. Принцип МРТ позволяет получать сигнал от любых ядер в теле человека, но наибольшей клинической значимостью обладает оценка распределения протонов, входящих в состав биоорганических соединений, что определяет высокую мягкотканную контрастность метода, т.е. обследовать внутренние органы.
Теоретически любые атомы, содержащие нечетное число протонов и/или нейтронов, обладают магнитными свойствами. Находясь в магнитном поле, они ориентируются вдоль его линий. В случае приложения внешнего переменного электромагнитного поля, атомы фактически являющиеся диполями, выстраиваются по новым линиям электромагнитного поля. При перестройки вдоль новых силовых линий ядра генерируют электромагнитный сигнал, который можно зарегистрировать приемной катушкой.
В фазу исчезновения магнитного поля, ядра-диполи возвращаются в первоначальное положение, при этом скорость возвращения в первоначальное положение определяется двумя временными константами, Т1 и Т2:
Т1
– это продольное (спин-решетковое) время, отражающее скорость потери энергии возбужденными ядрами
Т2
– это поперечное релаксационное время, зависящее от скорости, с которой возбужденные ядра обмениваются энергией друг с другом
Получаемый от тканей сигнал зависит от числа протонов (протоновой плотности) и значений Т1 и Т2. Применяемые при МРТ пульсовые последовательности предназначены для лучшего использования различий тканей по Т1 и Т2 с целью создания максимального контраста между тканями в норме и патологии.
МРТ позволяет получать большое количество типов изображений, используя пульсовые последовательности с различными временными характеристиками электромагнитных импульсов.
Пульсовые интервалы строят таким образом, чтобы сильнее подчеркивать различия в Т1 и Т2. Наиболее часто используют последовательности «инверсия восстановления» (IR) и «спиновое эхо» (SE) , которые зависят от протонной плотности.
Основным техническим параметром, определяющим диагностические возможности МРТ , является напряженность магнитного поля , измеряемая в Т (тесла). Высокопольные томографы (от 1 до 3 Т) позволяют проводить наиболее широкий спектр исследований всех областей тела человека, включающий функциональные исследования, ангиографию, быструю томографию. Томографы этого уровня являются высокотехнологичными комплексами, требующими постоянного технического контроля и крупных финансовых затрат .
Напротив, низкопольные томографы обычно являются экономичными, компактными и менее требовательными с технической и эксплуатационной точек зрения. Однако возможности визуализации мелких структур на низкопольных томографах ограничены более низким пространственным разрешением, а спектр обследуемых анатомических областей преимущественно ограничен головным и спинным мозгом, крупными суставами.
Обследование одной анатомической области методом МРТ включает
выполнение нескольких так называемых импульсных последовательностей. Различные импульсные последовательности позволяют получить специфические характеристики тканей человека, оценить относительное содержание жидкости, жира, белковых структур или парамагнитных элементов (железо, медь, марганец и др.).
Стандартные протоколы МРТ включают в себя Т1-взвешенные изображения (чувствительные к наличию жира или крови)
и Т2-взвешенные изображения (чувствительные к отеку и инфильтрации)
в двух-трех плоскостях.
Структуры, практически не содержащие протонов (кортикальная кость, кальцификаты, фиброзно-хрящевая ткань), а также артериальный кровоток имеют низкую интенсивность сигнала и на Т1-, и на Т2-взвешенных изображениях.
Время проведения исследования обычно составляет от 20 до 40 мин в зависимости от анатомической области и клинической ситуации.
Точность диагностики и характеризации гиперваскулярных процессов (опухоли, воспаление, сосудистые мальформации) может быть существенно повышена при использовании внутривенного контрастного усиления . Многие патологические процессы (например, мелкие опухоли головного мозга) часто не выявляются без внутривенного контрастирования.
Основой для создания МР-контрастных препаратов стал редкоземельный металл
гадолиний
(препарат – магневист
). В чистом виде данный металл обладает высокой токсичностью, однако в форме хелата становится практически безопасным (в том числе отсутствует нефротоксичность). Побочные реакции возникают крайне редко (менее 1% случаев) и обычно имеют легкую степень выраженности (тошнота, головная боль, жжение в месте инъекции, парестезии, головокружение, сыпь). При почечной недостаточности частота побочных эффектов не увеличивается.
Введение МР-контрастных препаратов при беременности не рекомендуется, так как неизвестна скорость клиренса из амниотической жидкости.
Разработаны и другие классы контрастных агнетов для МРТ, в том числе – органспецифические и внутрисосудистые .
Ограничения и недостатки МРТ
Большая продолжительность исследования (от 20 до 40 мин)
обязательным условием получения качественных изображений является спокойное и неподвижное состояние пациента, что определяет необходимость седации у беспокойных пациентов или применения анальгетиков у пациентов с выраженным болевым синдромом
необходимость пребывания пациента в неудобном, нефизиологичном положении при некоторых специальных укладках (например, при исследовании плечевого сустава у крупных пациентов)
боязнь замкнутого пространства (клаустрофобия) может быть непреодолимым препятствием для проведения обследования
технические ограничения, связанные с нагрузкой на стол томографа, при обследовании пациентов с избыточной массой тела (обычно более 130 кг).
ограничением к проведению исследования может оказаться окружность талии, несовместимая с диаметром туннеля томографа (за исключением проведения обследования на томографах открытого типа с низкой напряженностью магнитного поля)
невозможность достоверного выявления кальцинатов, оценки минеральной структуры костной ткани (плоские кости, кортикальная пластинка)
не позволяет детально характеризовать паренхиму легких (в этой области она уступает возможностям КТ)
в значительно в большей степени, чем при КТ, возникают артефакты от движения (качество томограмм может быть резко снижено из-за артефактов от движения пациента - дыхания, сердцебиения, пульсации сосудов, непроизвольных движений) и металлических объектов (фиксированных внутри тела или в предметах одежды), а также от неправильной настройки томографа
существенно ограничивается распространение и внедрение данной методики исследования из-за высокой стоимостью самого оборудования (томографа, РЧ-катушек, программного обеспечения, рабочих станций и т.д.) и его технического обслуживания
Основными противопоказаниями к МРТ (магнитно-резонансной томографии) являются:
абсолютные
:
наличие искусственных водителей ритма
наличие больших металлических имплантантов, осколков
наличие металлических скобок, зажимов на кровеносных сосудах
искусственные сердечные клапаны
искусственные суставы
вес больного свыше 160 кг
!!! Наличие металлических зубов, золотых нитей, и другого шовного и скрепляющего материала противопоказанием к МРТ – исследованию не является, хотя снижают качество изображения.
относительные
:
клаусторофобия – боязнь замкнутого пространства
эпилепсия, шизофрения
беременность (первый триместр)
крайне тяжелое состояние больного
невозможность для пациента сохранять неподвижность во время обследования
Особой подготовки к проведению МРТ-исследования в большинстве случае не требуется , но при исследовании сердца и его сосудов волосы на груди должны быть выбриты. При исследовани органов малого таза (мочевой пузырь, простата) нужно приходить с наполненным мочевым пузырем.Исследования органов брюшной полости проводятся натощак.
!!! В помещение МР-томографа не должны вноситься никакие металлические объекты, так как они могут быть притянуты магнитным полем с большой скоростью, нанести травму пациенту или медицинскому персоналу и надолго вывести из строя томограф.
Магниторезонансная томография (МРТ)
−
способ получения томографических
медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с
использованием явления ядерного
магнитного резонанса.
За изобретение метода МРТ Питер
Мэнсфилд и Пол Лотербур получили
в 2003 году Нобелевскую
премию в
области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная
томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией
публику, убрали упоминание о "ядерном" происхождении метода, тем более, что
ионизирующие излучения в этом методе не используются.
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода (1 H), углерода (13 C), натрия (23 Na) и фосфора (31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.
При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.
Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.
Для водорода, γ =
42.58 MГц/Тл.
Частица может подвергаться переходу между двумя
энергетическими состояниями, поглощая фотон. Частица на нижнем
энергетическом уровне поглощает фотон и оказывается на верхнем
энергетическом уровне. Энергия данного фотона должна точно
соответствовать разнице между этими двумя состояниями. Энергия
протона, Е, связана с его частотой, ν,
через постоянную Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).
В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией
Когда энергия фотона соответствует разнице между двумя
состояниями спина, происходит поглощение энергии. Напряженность
постоянного магнитного поля и частота
радиочастотного магнитного поля должны
строго соответствовать друг другу
(резонанс). В ЯМР экспериментах частота фотона соответствует
радиочастотному (РЧ) диапазону. В клинической МРТ, для отображения
водорода, ν как
правило находится между 15 и 80 MГц.
При комнатной температуре количество протонов со
спинами на нижнем энергетическом уровне незначительно превосходит
их количество на
верхнем уровне. Сигнал в ЯМР-спектроскопии пропорционален разности в
заселенностях уровней. Число избыточных протонов пропорционально B 0 .
Эта разница в поле 0.5 Tл, составляет
всего лишь 3 протона на миллион, в поле 1.5 Tл – 9 протонов на
миллион. Однако общее количество избыточных протонов в 0.02 мл воды
в поле 1.5 Tл – 6.02·10 15 . Чем
больше напряженность магнитного поля, тем лучше изображение.
В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B 0 и называется равновесной намагниченностью M 0 . В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности M Z равна M 0 . Еще M Z называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (M X или M Y) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.
T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор
намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая
радиочастотные волны.
Временная константа, описывающая, как M Z возвращается
к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T 1
).
M Z = M 0 (1 - e -t/T 1 )
T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.
T2 Релаксация
T1 релаксация описывает процессы, происходящие в Z
направлении, в то время как T2 релаксация описывает процессы в
плоскости X-Y.
Сразу после воздействия РЧ импульсом суммарный вектор
намагниченности (теперь называемый поперечной намагниченностью)
начинает вращаться в плоскости X-Y вокруг оси Z . Все векторы имеют
одно и то же направление, потому что они находятся в фазе. Однако
они не сохраняют это состояние. Вектор суммарной намагниченности начинает сдвигаться по
фазе (расфазировываться) из-за того, что каждый спиновый пакет испытывает
магнитное поле, немного отличающееся от магнитного поля, испытываемого другими
пакетами, и вращается со своей собственной частотой Лармора. Сначала количество
дефазированных векторов будет небольшим, но быстро увеличивающимся
до момента, когда фазовая когерентность исчезнет: не будет ни одного
вектора, совпадающего по направлению с другим. Суммарная
намагниченность в плоскости XY стремится к нулю, и затем продольная намагниченность возрастает до
тех пор пока M 0 не
будет вдоль Z.
 Рис. 9. Спад магнитной индукции |
Временная константа, описывающая поведение поперечной намагниченности, M XY , называется спин-спиновым временем релаксации, T 2 . T2 релаксация называется спин-спиновой релаксацией, потому что она описывает взаимодействия между протонами в их непосредственной среде (молекулах). T2 релаксация – затухающий процесс, означающий высокую фазовую когерентность в начале процесса, но быстро уменьшающуюся до полного исчезновения когерентности в конце. Cигнал в начале сильный, но быстро ослабевает за счет T2 релаксации. Сигнал называется спадом магнитной индукции (FID - Free Induction Decay) (рис. 9).
M XY =M XYo e -t/T 2
T 2 всегда
меньше чем T 1 .
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани.
Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с
водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает
гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки
миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T 1
и T 2 для различных тканей.
Таблица 1
| Ткани | T 1 (мс), 1.5 T | T 2 (мс) |
|---|---|---|
| МОЗГ | ||
| Серое вещество | 921 | 101 |
| Белое вещество | 787 | 92 |
| Опухоли | 1073 | 121 |
| Отек | 1090 | 113 |
| ГРУДЬ | ||
| Фиброзная ткань | 868 | 49 |
| Жировая ткань | 259 | 84 |
| Опухоли | 976 | 80 |
| Карцинома | 923 | 94 |
| ПЕЧЕНЬ | ||
| Нормальная ткань | 493 | 43 |
| Опухоли | 905 | 84 |
| Цирроз печени | 438 | 45 |
| МЫШЦА | ||
| Нормальная ткань | 868 | 47 |
| Опухоли | 1083 | 87 |
| Карцинома | 1046 | 82 |
| Отек | 1488 | 67 |
Устройство магнитно-резонансного томографа
 Рис. 10. Схема МРТ |
Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.
Постоянный магнит
МРТ сканеры используют мощные магниты. От величины
напряженности поля зависит качество и скорость получения изображения. В
современных МР-томографах
используются либо постоянные, либо сверхпроводящие магниты. Постоянные магниты
дёшевы и просты в эксплуатации, но не позволяют создавать магнитные поля с
напряженностью большей 0.7 Тл.
Большинство магнитно-резонансных томографов это модели со сверхпроводящими
магнитами (0.5 – 1.5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3.0 Тл) очень
дороги в эксплуатации. На МР-томографах с полем ниже 1 Тл нельзя качественно
сделать томографию внутренних органов, так как мощность таких аппаратов слишком
низкая, чтобы получать снимки высокого разрешения. На томографах с
напряженностью магнитного поля < 1 Тл можно проводить
только исследования головы, позвоночника и суставов.
|
|
Градиентные катушки
Внутри магнита расположены градиентные катушки. Градиентные
катушки позволяют создавать дополнительные магнитные поля, накладывающиеся на
основное магнитное поле B 0 . Имеются 3 набора катушек. Каждый набор
может создавать магнитное поле в определенном направлении: Z, X или Y. Например,
когда ток поступает в Z градиент, в Z направлении (вдоль длинной оси
тела)создается однородное линейное изменение поля. В центре
магнита поле имеет напряженность B 0 ,
а резонансная частота равняется ν 0 , но на расстоянии ΔZ поле меняется
на величину ΔB, а соответственно меняется и резонансная частота
(рис. 11). За счет добавления к общему однородному магнитному полю
градиентного магнитного возмущения, обеспечивается локализация ЯМР-сигнала.
Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное
возбуждение протонов именно в нужной области. От мощности и скорости действия
катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность
томографа.
РЧ катушки
РЧ катушки создают
поле B 1
, которое поворачивает суммарную
намагниченность в импульсной последовательности. Они также регистрируют
поперечную намагниченность, в то время как она прецессирует в плоскости XY. РЧ
катушки бывают трех основных категорий: передающие и принимающие, только
принимающие, только передающие. РЧ катушки служат излучателями полей B 1
и
приемниками РЧ энергии от исследуемого объекта.
Кодирование сигнала
Когда пациент находится в однородном магнитном поле B 0 , все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B 0 . Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.
Срез-кодирующий градиент
При включенном Z-градиенте, в этом направлении генерируется
дополнительное магнитное поле G Z ,
накладывающееся на B 0 . Более сильное поле означает более
высокую Ларморову частоту. Вдоль всего наклона градиента поле B различно и,
следовательно, протоны вращаются с разными частотами. Теперь, если сгенерировать
РЧ импульс с частотой ν + Δν, прореагируют только протоны в тонком срезе, потому
что они - единственные, вращающиеся с этой же самой частотой. Ответный сигнал
будет только от протонов из этого среза. Таким образом
локализуется источник сигнала по оси Z. Протоны в этом
срезе вращаются с одной частотой и имеют одинаковую фазу. В срезе находится
огромное количество протонов, и неизвестна локализация источников по осям
X и Y. Поэтому для точного
определения непосредственного источника сигнала требуется дальнейшее
кодирование.
 Рис. 12. |
Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования
протонов на очень короткое время включается градиент G Y .
В течение этого времени в направлении по оси
Y создается дополнительное магнитное поле градиента.
В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости
вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться.
Когда градиент G Y выключен, протоны в срезе
будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это
называется кодированием фазы.
Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования
левого-правого направления включается третий градиент G X .
Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с
правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в
частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при
кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.
Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.
- G Z градиент выбирает аксиальный срез.
- G Y градиент создает строки с разными фазами.
- G X градиент формирует столбцы с разными частотами.
За один шаг кодирование фазы выполняется
только для одной строки. Для сканирования целого среза полный
процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен
несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый
воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы
(рис. 12). Количество
протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный
сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное
сочетание частот, фаз и амплитуд.
Импульсные последовательности
На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который "переворачивает" суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.
Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения
суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается
смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал
резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность,
обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0
РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс
вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал
снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности
спин-эхо.
Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо
Сначала включается срезо-селективный градиент
(1) (G
SS
). Одновременно
c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий
градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss
(4) снова включается во время 180º
перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается
на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого
подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro),
в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться
неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE
(Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.
Контраст изображения
При ЯМР сканировании
одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1
>> T2. Контраст изображения
сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них
проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим
получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.
T1 контраст
Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в
различных тканях мозга
Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE
= 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение
фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения,
поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс
жир
практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет
незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса
релаксации Т1. Изображение "взвешено по T1" потому, что
контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань
будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.
T2 контраст
Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в
различных тканях мозга
Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение "взвешено по T2". На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.
Контраст протонной плотности
Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной
плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким
образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит
незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей
восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни
от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества
протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное
изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и
яркое изображение.
 Рис. 17. |
Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов.
Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2
релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста
изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в
терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое
TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD.
Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.
Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность
и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная
на T1, серая на PD и яркая на T2.
 Рис. 19. Магниторезонансный томограф |
МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Ядерно-магнитный резонанс
Введение
У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом. В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
ядерный магнитный резонанс томография
1. Ядерно-магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) -- резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление магнитного резонанса было открыто в 1945--1946 гг. двумя независимыми группами ученых. Вдохновителями этого были Ф. Блох и Э. Пёрселл.
Физическая сущность ЯМР.В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля. Таким образом, ядра обладают угловым моментом J=hI, связанным с магнитным моментом м соотношением м=J, где h -- постоянная Планка, I -- спиновое квантовое число,-- гиромагнитное отношение.
Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением: JZ=hµI, где µI-- магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра µI=I, I-1, I-2, …, -I. то есть ядро может находиться в 2I+1 состояниях.
Спектры ЯМР.В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдаются узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения. Возможности метода ЯМР высокого разрешения связаны с тем, что ядра одного вида в различном химическом окружении при заданном приложенном постоянном поле поглощают энергию высокочастотного поля при разных частотах, что обусловлено разной степенью экранирования ядер от приложенного магнитного поля. Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки.
2. Использования ЯМР в медико-биологических исследованиях
Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн (читайте, радиоволн) веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул. Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего - от величины магнитного поля. Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны. Следующий этап - обработка информации от всех просканированных точек и формирование изображения. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.
В чем же преимущества ЯМР-томографии?
Первое преимущество - замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача.
Второе преимущество - чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей.
Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.
Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.
Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования - можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.
И, наконец, шестое - МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.
Конечно же, как и любая другая методика, ЯМР-томография имеет свои недостатки. К ним относят:
1. Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат при работе оборудования и/или использования дорогих технологий для обеспечения сверхпроводимости.
2. Низкая, особенно в сравнении с рентгенологическими, чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца).
3. Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур.
4. Не следует забывать и о том, что относительное противопоказание для ЯМР-томографии - беременность.
Заключение
История науки учит нас, что каждое новое физическое явление или новый метод проходит трудный путь, начинающийся в момент открытия данного явления и проходящий через несколько фаз. Сначала почти никому не приходит мысль о возможности, даже весьма отдаленной, применения этого явления в повседневной жизни, в науке или технике. Затем наступает фаза развития, во время которой данные экспериментов убеждают всех в большой практической значимости данного явления. Наконец, следует фаза стремительного взлета. Новые инструменты входят в моду, становятся высокопродуктивными, приносят большую прибыль и превращаются в решающий фактор научно- технического прогресса. Приборы, основанные на когда-то давно открытом явлении, заполняют физику, химию, промышленность и медицину.
Наиболее ярким примером изложенной выше несколько упрощенной схемы эволюции служит явление магнитного резонанса, открытое Е. К. Завойским в 1944 г. в форме парамагнитного резонанса и независимо открытого Блохом и Парселлом в 1946 г. в виде резонансного явления магнитных моментов атомных ядер. Сложная эволюция ЯМР часто толкала скептиков к пессимистическим заключениям. Говорили, что “ ЯМР мертв “, что “ ЯМР себя полностью исчерпал“. Однако вопреки и наперекор этим заклинаниям ЯМР продолжал идти вперед и постоянно доказывал свою жизнеспособность. Много раз эта область науки оборачивалась к нам новой, часто совсем неожиданной стороной и давала жизнь новому направлению. Последние революционизирующие изобретения в области ЯМР, включая удивительные методы получения ЯМР - изображений, убедительно свидетельствуют о том, что границы возможного в ЯМР действительно безграничны. Замечательные преимущества ЯМР - интроскопии, которые будут высоко оценены человечеством и которые сейчас являются мощным стимулом стремительного развития ЯМР - интроскопии и широкого применения в медицине, заключаются в очень малой вредности для здоровья человека, свойственной этому новому методу.
Список использованной литературы и источников
1. Антонов В. Ф., Коржуев А. В. Физика и биофизика: курс лекций для студентов медицинских вузов. - Москва: ГЭОТАР-МЕД, 2004.
2. Кузнецов А.Н. Метод спинового зонда. - Москва: Наука, 1976.
3. Материалы сайта www.wikipedia.org
4. Материалы сайта www.humuk.ru;
5. Ремизов А. Н., Максина А. Г., Потапенко А. Я. Медицинская и биологическая физика. - Москва: Дрофа, 2003.
6. Хауссер К. Х., Кальбитцер Х. Р. ЯМР в медицине и биологии: структура молекул, томография, спектроскопия in-vivo. - Киев: Наукова думка, 1993.
7. Эмануэль Н. М., Кузьмин М. Г. Электронный парамагнитный резонанс. - Москва: Издательство Московского университета.1985.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Физическое явление ядерно-магнитного резонанса, условия для его возникновения. Принцип получения изображения в магнитно-резонансном томографе. Получение двумерного изображения. Основные преимущества постоянных, резистивных и сверхпроводящих томографов.
презентация , добавлен 13.10.2013
Методы современной диагностики. Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Сущность явления ЯМР. Спин-спиновое взаимодействие. Анализаторы веществ на основе ЯМР. Техническая реализация ЯМР-томографа. Основные блоки магниторезонансной томографии.
реферат , добавлен 12.05.2015
История открытия и сущность ядерно-магнитного резонанса. Спин-спиновое взаимодействие. Понятие магнитно-резонансной томографии (МРТ). Контрастность изображения: протонная плотность, Т1- и Т2-взвешенность. Противопоказания и потенциальные опасности МРТ.
реферат , добавлен 11.06.2014
Обеспечение селективности при качественном анализе избирательным поглощением монохроматического света. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Спектральные линии для проверки шкалы длин волн. Калибровка оборудования, а также подготовка образцов.
реферат , добавлен 30.04.2014
Преимущества диагностического способа магнитно-резонансной томографии в акушерстве для прямой визуализации плода. Показания, методика и особенности проведения исследования. Специфика подготовки к МРТ беременной женщины. Ограничения и безопасность метода.
презентация , добавлен 15.02.2016
Электротерапия - метод физиотерапии, основанный на использовании дозированного воздействия на организм электрических токов, магнитных или электромагнитных полей. Механизм действия и эффект от методов. Особенности лечения постоянным и импульсным током.
реферат , добавлен 17.12.2011
Процессы в замкнутом волноводном тракте. Поляризация и наложение волн, резонанс бегущей и стоячей волны в волноводе. Основными элементами системы генератора качающейся частоты. КСВН волноводной кольцевой системы в режиме бегущих и стоячих волн.
отчет по практике , добавлен 13.01.2011
Сущность и значение метода магнитно-резонансной томографии, история его формирования и развития, оценка эффективности на современном этапе. Физическое обоснование данной методики, порядок и принципы построения изображений. Определение и выделение среза.
реферат , добавлен 24.06.2014
Возможности использования ядерно-физических феноменов для исследования больных. Методы радионуклидного исследования. Клиническая и лабораторная радиометрия. Радионуклидное сканирование и сцинтиграфия. Радиоизотопная диагностическая лаборатория.
реферат , добавлен 24.01.2011
Условия достижения эффекта томографии. Основные задачи и направления применения рентгенологического исследования - ангиографии, венографии и лимфографии. История открытия, принцип действия и преимущества использования метода компьютерной томографии.