Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его ​​вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.

Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена ​​формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

• Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
• Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
• Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
• Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
• Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
• Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
• Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
• Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
• Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
• Метаболический анализ.
• Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
• Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.

ЯМР или по-английски NMR imaging– это сокращение от словосочетания «ядерный магнитный резонанс». Такой способ исследования вошел в медицинскую практику в 80-х годах прошлого века. Он отличается от рентгеновской томографии. Излучение, используемое в ЯМР, включает радиоволновой диапазон с длиной волны от 1 до 300 м. По аналогии с КТ ядерно-магнитная томография использует автоматическое управление компьютерным сканированием с обработкой послойного изображения структуры внутренних органов.

В чем суть ЯМРТ

В основе ЯМР используются сильные магнитные поля, а также радиоволны, которые позволяют сформировать изображение тела человека из отдельных изображений (сканов). Такая методика необходима для экстренной помощи пациентам с травмами и повреждением мозга, а также для плановой проверки. ЯМРТ называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (телом человека), которое находится в магнитном поле. Это становится возможным при наличии ядер с ненулевым магнитным моментом. Сначала происходит поглощение радиоволн, затем происходит испускание радиоволн ядрами и они переходят на низкие энергетические уровни. Оба процесса можно зафиксировать при изучении и поглощении ядер. При ЯМР создается неоднородное магнитное поле. Нужно лишь настроить антенну-передатчик и приемник ЯМР-томографа на строго определенный участок тканей или органов и снимать показания с точек, меняя частоту приема волны.

При обработке информации от просканированных точек получаются картинки всех органов и систем в различных плоскостях, в срезе, формируется трехмерное изображение тканей и органов с высоким разрешением. Технология магнитно – ядерной томографии очень сложная, в ее основу положен принцип резонансного поглощения электромагнитных волн атомами. Человек помещается в аппарат с сильным магнитным полем. Молекулы там разворачиваются по направлению магнитного поля. Затем проводится сканирование электроволной, изменение молекул сначала фиксируется на особой матрице, а затем передается в компьютер и проводится обработка всех данных.

Области применения ЯМРТ

ЯМР томография имеет достаточно широкий спектр применения, поэтому его гораздо чаще используют в качестве альтернативы компьютерной томографии. Список заболеваний, которые можно обнаружить при помощи ЯМР очень объемный.

• Головной мозг.

Чаще всего такое исследование применяется для сканирования головного мозга при травмах, опухолях, деменции, эпилепсии, проблемах с сосудами головного мозга.

• Сердечно-сосудистая система.

При диагностике сердца и сосудов ЯМР дополняет такие методы, как ангиография и КТ.
ЯМРТ позволяет выявить кардиомиопатию, врожденный порок сердца, сосудистые изменения, ишемию миокарда, дистрофию и опухоли в области сердца, сосудов.

• Опорно-двигательная система.

Широко применяется ЯМР томография и при диагностике проблем с опорно-двигательным аппаратом. При таком методе диагностики очень хорошо дифференцируются связки, сухожилия и костные структуры.

• Внутренние органы.

При исследовании ЖКТ и печени с помощью ядерно-магнитно-резонансной томографии можно получить полноценную информацию о селезенке, почках, печени, поджелудочной железе. Если дополнительно ввести контрастное вещество, то появляется возможность отследить функциональную способность этих органов и их сосудистую систему. А дополнительные компьютерные программы позволяют сформировать образы кишечника, пищевода, желчных путей, бронхов.

Ядерная магнитно-резонансная томография и МРТ: есть ли разница

Иногда можно запутаться в названиях МРТ и ЯМР. Если ли отличие между этими двумя процедурами? Можно однозначно ответить, что нет.
Первоначально, на момент своего открытия магнитно-резонансной томографии в ее названии имелось еще одно слово «ядерная», которое со временем исчезло, осталась только аббревиатура МРТ.

Ядерная магнитно-резонансная томография представляет собой подобие рентгеновского аппарата, однако, принцип действия и возможности у нее несколько другие. МРТ помогает получить визуальную картинку головного и спинного мозга, других органов с мягкими тканями. С помощью томографии есть возможность измерить скорость кровотока, течения ликвора и спинномозговой жидкости. Также возможно рассмотреть, как активируется тот или иной участок коры головного мозга в зависимости от деятельности человека. Врач при проведении исследования видит объемное изображение, которое позволяет ему ориентироваться в оценке состояния человека.

Существует несколько способов исследования: ангиография, перфузия, диффузия, спектроскопия. Ядерная магнитно-резонансная томография является одной из самых лучших методик исследования, так как она позволяет получить трехмерное изображение состояния органов и тканей, а значит, диагноз будет установлен более точно и лечение будет выбрано правильное. ЯМР исследование внутренних органов человека представляет собой именно образы, а не реальные ткани. Образы появляются на фоточувствительной пленке, когда поглощаются рентгеновские лучи при получении рентгеновского снимка.

Основные плюсы ЯМР-томографии

Преимущества томографии ЯМР по сравнению с другими методами исследования многогранны и значительны.

Минусы ЯМР-томографии

Но конечно и такой метод не лишен своих недостатков.

• Большая энергозатрата. Работа камеры требует большого количества электроэнергии и дорогих технологий для нормальной сверхпроводимости. Но магниты с большой мощностью не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека.
• Длительность процесса. Ядерная магнитно-резонансная томография является менее чувствительным методом по сравнению с рентгеном. Поэтому требуется большее время для просвечивания. К тому же искажение картинки может происходить из-за дыхательных движений, что искажает данные при проведении исследований легких и сердца.
• При наличии такого заболевания, как клаустрофобия, является противопоказанием для исследования при помощи ЯМРТ. Также нельзя проводит диагностику при помощи ЯМР-томографии, если имеются крупные металлические имплантаты, кардиостимуляторы, искусственные водители ритма. При беременности диагностику проводят только в исключительных случаях.

Каждый крошечный объект человеческого тела может быть исследован при помощи ЯМР-томографии. Только в некоторых случаях следует включать распределение концентрации химических элементов в организме. Для того чтобы измерения становились более чувствительными, следует накапливать и суммировать довольно большое количество сигналов. В таком случае получается четкое изображение высокого качества, которое адекватно передает реальность. С этим связана и длительность пребывания человека в камере для проведения ЯМР-томографии. Придется неподвижно пролежать довольно долго.

В завершение можно сказать, что ядерная магнитно-резонансная томография является довольно безопасным и абсолютно безболезненным методом диагностики, который позволяет полностью избежать воздействия рентгеновских лучей. Компьютерные программы позволяют обрабатывать получившиеся сканы с формированием виртуальных изображений. Границы ЯМР поистине безграничны.

Уже сейчас такой способ диагностики является стимулом для ее стремительного развития и широкого применения в медицине. Метод отличается своей малой вредностью для здоровья человека, но при этом позволяет тщательно исследовать строение органов, как здорового человека, так и при имеющихся заболеваниях.

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.

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.

Рис. 11.

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.

1. G Z градиент выбирает аксиальный срез.
2. G Y градиент создает строки с разными фазами.
3. 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.

Современная медицинская диагностика базируется на двух видах исследований: прикладных (биологических, химических и т.п.) и визуализационных. Если первый вид исследований появился с незапамятных времен, когда человек определял наличие болезни, как говорится, «по запаху и на язык», то визуализация внутренних органов без повреждения организма стала возможной только с открытием свойства радиоактивных материалов производить проникающее излучение, известное сейчас как «рентгеновское».

Открытия физиков в мире элементарных частиц подарили медицине еще один способ получения изображений всех тканей и органов человеческого тела без прямого внедрения. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых передовых и продолжающих развиваться видов получения информации о состоянии живых организмов.

В диагностике заболеваний позвоночника МРТ является ведущим типом визуализации, т.к. конструкция позвоночного столба включает множество элементов из мягких тканей (межпозвоночные диски, связки, сумки фасеточных суставов), для которых магнитно-резонансная томография является наилучшим способом «неразрушающего контроля».

Что такое МРТ?

В основе визуализационного метода исследований, названного «Магнитно-резонансная томография», лежит одно из открытий квантовой физики и физики элементарных частиц, что ядра определенных элементов способны излучать излишки энергии, поглощенной под воздействием ориентированных магнитных полей и радиочастотных излучений.

Явление «ядерного магнитного резонанса», на котором базируется магнитно-резонансное исследование предметов (живых и неодушевленных), было открыто в 1922 году в ходе эксперимента по определению «спиновой квантизации» в электронах. Именно тогда ученые-физики поняли, что понятие квантовой физики «спин» (момент импульса частицы) имеет физическое выражение.

В ходе исследований по воздействию радиочастотных (РЧ) излучений на частицы, находящиеся в сильном магнитном поле, в 1937 году было выявлено, что ядра образцов поглощают РЧ-энергию определенной частоты и излучают после отключения внешнего импульса. Такое действие могут производить только частицы, ядра которых обладают электрическим зарядом и спином. Такие свойства присущи элементам, в ядре которых присутствует один «лишний» протон (т.е. количество протонов превышает количество электронов). Современная МР томография использует в исследованиях свойства нескольких «органических» элементов, самым популярным из которых является водород Н(1).

Находясь в сильном однородном магнитном поле ядро водорода, состоящее из одного протона, под воздействием радиоимпульса, излученного на определенной частоте (Ларморовская частота резонанса), способно «возбудиться»: энергия поглощенного РЧ-импульса переводит атом водорода на более высокий энергетический уровень. Но это нестабильное состояние неспособно сохраняться без внешнего воздействия, и когда импульсы прекращаются, происходит возврат к стабильному состоянию (релаксация). В процессе этого «остывания» ядро излучает электромагнитную волну, которую можно зафиксировать. Дальнейшее – дело сложных математических пространственных вычислений, в ходе которых сигнал определенного атома превращается в «пиксель» с определенными координатами.

Что заставляет ядро водорода поглощать энергию РЧ-импульса? Именно взаимодействие собственного магнитного поля ядра и наведенного вокруг «объекта исследований», большого, постоянного и ориентированного в определенном направлении магнитного поля, созданного сильными электромагнитами. Каждое ядро атома водорода является единичной магнитной системой, обладающей уникальной направленностью магнитного момента. Магнитные моменты всех протонов принудительно ориентируются в том направлении, в каком направлен вектор магнитной индукции внешнего поля. Энергия РЧ-импульса, излученного на частоте, совпадающей с частотой вращения протонов, поглощается, изменяя положение оси, ориентированной вдоль общего направления магнитного поля (поворачивается на 90 (Т1) и 180 градусов (Т2)). Возврат в нормальное, т.е. «невозбужденное», состояние с разворотом оси вращения в первоначальном направлении сопровождается излучением электромагнитной волны с той же частотой, на которой произошло поглощение энергии. В положениях Т1 и Т2 ядра водорода «запасают» разное количество энергии, и соответственно мощность излучения различается (первое состояние дает меньший импульс, нежели второе).

Это самое простое объяснение сути ядерно-магнитного резонанса в единичной системе, какой является атом водорода, но в плотном веществе для получения результатов требуется более сложное приложение магнитных полей. Для этого введены дополнительные магнитные поля, названные «градиентные». С их помощью можно менять направленность общего магнитного поля в трех измерениях, что позволяет получать изображения в любой проекции (плоскости) и формировать трехмерные изображения с помощью компьютерной обработки (как в компьютерной рентгеновской томографии).

По справедливости томографию следовало бы называть «ядерно-магнитной», т.к. используется именно излучение ядер атомов. Но после аварии, повлекшей разрушение атомного реактора на Чернобыльской АЭС и заражение прилежащих территорий радиоактивными выбросами, любое название, содержащее слово «ядерный», воспринимается со значительной долей нездорового скептицизма. Сокращение было принято для сохранения спокойствия населения, не знакомого с квантовой физикой.

История изобретения, устройство и принцип действия

Современные магнитно-резонансные томографы выпускаются в нескольких технически продвинутых странах, из которых на долю США приходится до 40% общего объема производства. Это не случайно, т.к. большинство основных технологических открытий, касающихся МР томографии, было сделано в американских научных центрах:

• 1937 год – профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Исидор Раби провел первый эксперимент по исследованию ядерно-магнитного резонанса в молекулярных лучах;
• 1945 год – в двух университетах (Стэнфорде и Гарварде) проводились фундаментальные исследования ЯМР в твердых объектах (Ф. Блох и Э. Парселл);
• 1949 год – Э.Ф. Рамсей (Колумбийский университет) сформулировал теорию химического сдвига, легшую в основание МР спектроскопии, обеспечившей химические лаборатории самой точной аналитической аппаратурой;
• 1971-1977 годы – физик Раймонд Ваган Дамадиан с группой коллег (Бруклинский медицинский центр) создал первый МР-сканер и получил изображение внутренних органов живых объектов (и в том числе человека). В ходе исследований медики выявили, что изображения опухолей сильно отличаются от здоровых тканей. На проектирование и проведение работ потребовалось около 7 лет;
• 1972 год – химик Пол Лаутербур (Госуниверситет г. Нью-Йорк) получил первое двумерное изображение, используя собственные разработки по применению переменных градиентных магнитных полей.

В 1975 году швейцарский физикохимик Рихард Эрнст предложил методы увеличения чувствительности МРТ (использование преобразований Фурье, фазовое и частотное кодирование), значительно увеличившие качество двумерных изображений.

В 1977 году Р. Дамадиан представил научному миру первое изображение среза грудной клетки человека, сделанное на первом МР-сканере. В дальнейшем техника только совершенствовалась. Особенно большой вклад в развитие МРТ внесло развитие компьютерной техники и программирования, позволившее программно управлять сложным комплексом электромагнитного оборудования и обрабатывать полученное излучение для получения пространственного изображения или двумерных «срезов» в любой плоскости.

На текущий момент существует 4 типа МР-томографов:

1. На постоянных магнитах (небольшие, переносные, со слабым магнитным полем до 0,35 Тл). Позволяют производить «полевые» исследования во время операций. Наибольшее применение получают постоянные неодимовые магниты.
2. На резистивных электромагнитах (до 0,6 Тл). Достаточно громоздкие стационарные аппараты с мощной системой охлаждения.
3. Гибридные системы (на постоянных и резистивных магнитах);
4. На сверхпроводящих электромагнитах (мощные стационарные системы с криогенной системой охлаждения).

Самое высокое качество изображения, четкое и контрастное, ученые получают на криогенных МР-томографах с сильными магнитными полями до 9,4 Тл (в среднем – 1,5 -3 Тл). Но практика показывает, что для получения качественного изображения требуется не столько мощное поле, но в большей мере быстрая обработка сигналов и хорошая контрастность. С развитием программного обеспечения мощность магнитов стандартных медицинских МР-сканеров снижена до 1-1,5 Тл. Самые мощные томографы изготавливаются для научных медицинских исследований.

Стандартный МР-томограф состоит из нескольких блоков:

1. Система из нескольких магнитов:

• большой торовидный магнит, создающий постоянное поле;
• градиентные магнитные катушки, с помощью которых производится изменение направления вектора магнитной индукции («смещаются полюсы») в трех измерениях. Для смещения градиента изобретены катушки разных форм и размеров (8-образные, седловидные, парные (Гельмготца), Максвелла, Голея). Контролируемая компьютером работа одиночных и парных катушек способна направить моменты ядер в любую сторону или даже развернуть относительно первоначально заданного большим магнитом направления;
• шиммирующие катушки, необходимые для стабилизации общего поля. Малые магнитные поля этих катушек компенсируют посторонние наводки или возможную неоднородность поля, созданного большим и градиентными магнитами;
• РЧ-катушка. Радиочастотные катушки создают магнитное поле, пульсирующее с частотой резонанса. Разработаны и применяются три вида катушек: передающие, принимающие и комбинированные (передающе-принимающие). РЧ-излучатель одновременно является и детектором, т.к. при наведении на катушку внешнего излучения, созданного «релаксирующими» протонами, в ее контуре возникают индукционные токи, фиксируемые как РЧ-сигналы. Конструкции детекторов – катушек делятся на два типа: поверхностные и объемные, т.е. окружающие объект. Формы зависят от способов улавливания сигналов, при которых учитываются мощность и направленность излучений. Например, объемная катушка «птичья клетка» служит для получения более качественных изображений головы и конечностей. На томографе установлено несколько парных и одиночных РЧ-катушек для всех видов и направлений РЧ-сигналов.

Самое мощное поле создается сверхпроводящими магнитами. Большой кольцевой магнит, создающий постоянное поле, погружен в герметичный сосуд, наполненный сжиженным гелием (t= -269 о С). Этот сосуд замкнут в другом, большем герметичном сосуде. В пространстве между двумя стенками создан вакуум, что не позволяет гелию нагреться ни на долю градуса (количество вложенных вакуумных сосудов может быть больше двух). Чем меньше сопротивление в проводе катушки, тем выше мощность магнитного поля. Именно этим свойством обосновано применение сверхпроводников, сопротивление в которых близко к 0 Ом.

Система управления томографом состоит из устройств:

• компьютер;
• программатор градиентных импульсов (формирует направление магнитного поля с помощью изменения амплитуды и вида градиентных полей);
• градиентный усилитель (управляет мощностью градиентных импульсов через изменение выходной мощности катушек);
• источник и программатор РЧ-импульсов формируют амплитуду резонансного излучения;
• РЧ-усилитель изменяет мощность импульсов до необходимого уровня.

Компьютер управляет блоками формирования полей и импульсов, принимает данные из детекторов и обрабатывает, трансформируя поток аналоговых сигналов в цифровую «картину», которую выводят на монитор и печать.

МР-сканер (т.е. магнитная система) в обязательном порядке окружается системой экранирования от внешних «наводок» электромагнитного и радиоизлучения, которые могут исходить от источников радиосигналов и любых металлических предметов, попавших в сильное магнитное поле. Металлическая сетка или сплошное листовое покрытие стен комнаты создают электрически проводящий экран типа «клетка Фарадея».

МРТ в медицинской диагностике

Магнитно-резонансная томография полностью отличается от рентгеновского просвечивания, т.к. это буквально не «аналоговый» (т.е. фотографический) способ получения изображения, а построение образа с помощью оцифрованных данных. То есть картинка, которую человек видит на экране, является продуктом дешифровки множества микроскопически малых сигналов, которые улавливает детектор томографа (РЧ-катушка). Каждый из этих электромагнитных импульсов обладает определенной мощностью и пространственными координатами внутри тела. Обработка и построение изображения на основании полученных импульсов «релаксации протонов» производится мощным компьютером по специальным программам.

В МРТ используется набор последовательностей РЧ-импульсов, которые создают определенные режимы «возбуждения» протонов водорода в тканях организма с уникальной интенсивностью поглощения и соответствующего возврата энергии. Фактически последовательности являются компьютерными программами, согласно которым производится излучение РЧ-сигналов с определенной амплитудой и мощностью и управление градиентами магнитных полей.

Водород является самым распространенным элементом в теле, т.к. не только присутствует во всех органических молекулах, но и, как компонент воды, содержится в большинстве тканей. Именно поэтому (а также потому, что в ядре только один протон, что позволяет легче вызвать резонанс) томография лучше отображает мягкие ткани, в которых концентрация воды значительно выше. На МРТ-изображении кости, содержащие крайне мало свободных молекул воды, выглядят как непроглядно черные области.

Многочисленные эксперименты показали, насколько различным может быть время релаксации протона, если атом, в котором находится эта элементарная частица, находится в определенном виде ткани. Причем если эта ткань здорова, время «отклика» будет значительно отличаться. Именно по времени релаксации, т.е. скорости возврата РЧ-импульса, компьютером определяется яркость объекта.

В медицинской диагностике с помощью МРТ обследуют не только плотные ткани, но и жидкости: МР-ангиография позволяет определять места образования тромбов, выявлять турбулентности и направление тока крови, измерять просвет сосудов. В исследованиях жидкой среды помогают специальные вещества, изменяющие время отклика протонов в составе жидкости. Контрастные вещества содержат соединения элемента «гадолиний», у которого имеются уникальные магнитные свойства ядер атомов, за которые его называют «парамагнетик».

Также с помощью МРТ измеряется внутренняя температура в любой точке тела. Бесконтактная термометрия основана на измерении резонансных частот тканей (температура измеряется на основании отклонений частоты релаксации в ядах водорода в атомах воды).

В основе построения изображений лежит фиксация трех базовых параметров, которыми обладают протоны:

• время релаксации Т1 (спин-решеточная, поворот оси вращения протона на 90 о);
• время релаксации Т2 (спин-спиновая, поворот оси вращения протона на 180 о);
• протонная плотность (концентрация атомов в ткани).

Другими двумя условиями, влияющими на контрастность и яркость изображения, являются время повторения последовательности и время появления эхо-сигнала.

Используя в последовательностях РЧ-импульсы с определенной мощностью и амплитудой и измеряя время отклика Т1 и Т2, исследователи получают изображения одних и тех же точек тела (тканей) с разной контрастностью и яркостью. Например, короткое время Т1 дает мощный РЧ-сигнал релаксации, что при построении образа выглядит ярким пятном. По комбинации световых характеристик ткани в разных последовательностях выявляются увеличение концентрации воды, жира или конкретное изменение характеристик ткани, говорящее о наличии опухоли или уплотнения.

Для полноты информации о магнитно-резонансной томографии нужно сказать, что управление магнитными полями и радиочастотными импульсами не обходится без «казусов», необычно выглядящих изображений. Их называют «артефактами». Это любая точка, область или черта, присутствующие на изображении, но отсутствующие в организме в виде изменения ткани. Причиной появления таких артефактов могут быть:

• случайные наводки от неизвестных металлических предметов, попавших в магнитное поле;
• неисправности аппаратуры;
• физиологические особенности организма («фантомы», пятна, вызванные движением внутренних органов при дыхании или сердцебиении);
• неверные действия оператора.

Для устранения «артефактов» проводится внеочередная калибровка и тестирование аппаратуры, пациент и помещение проверяются на наличие инородных предметов, производится повторное обследование в нескольких режимах.

Использование МРТ в диагностике заболеваний позвоночника

Позвоночник – самая подвижная часть опорно-двигательного аппарата. Именно мягкие ткани обеспечивают и подвижность, и целостность позвоночной системы. Если подсчитать все известные и распространенные заболевания позвоночника, на долю повреждений мягких тканей придется до 90% от всех учтенных болезней. А если включить неврологические болезни спинного мозга и спинномозговых нервов и различные виды опухолей, то статистика возрастет до 95-97%. Иначе говоря, болезни, повреждающие костные ткани позвонков, встречаются более чем редко по сравнению с болезнями мягких тканей: межпозвоночных дисков, суставных сумок, связок и мышц спины.

Если сравнивать симптомы различных нарушений целостности мягких тканей, сходство будет исключительным:

• боли (локальные и распространенные в определенной области);
• «корешковый синдром» (нарушения целостности спинномозговых нервов и связанные с ними искажения сенсорных сигналов и ответных реакций);
• различные по силе параличи (плегии), парезы и потери чувствительности.

Именно поэтому результаты магнитно-резонансной томографии имеют высокий статус «решающего слова» в визуализационной диагностике заболеваний позвоночника. Иной раз качественный снимок пораженного участка – это единственный способ окончательно утвердить диагноз, сделанный на основании предварительного осмотра, неврологических тестов и анализов.

Показанием для проведения обследования в МРТ считается наличие воспалительных процессов в области позвоночного столба, сопровождающихся активной иммунной реакцией (повышение температуры тела, отекание тканей, покраснение кожного покрова). Анализы подтверждают наличие иммунной реакции, но не способны указать точное положение места инфицирования и воспаления. МР томограмма с точностью до 1 мм устанавливает координаты очага, ареал распространения воспалительного процесса. МР ангиограммы укажут границы тромбирования сосудов и отека тканей. В исследовании хронических заболеваний (остеохондроз во всех стадиях, спондилоартроз и т.п.) МРТ показывает исключительную полезность.

Также прямым показанием для применения МРТ являются симптомы, указывающие на возможное образование абсцессов в эпидуральной области: сильные локализованные боли, «корешковый синдром», прогрессирующая потеря чувствительности и парализация конечностей и внутренних органов.

Инфекционные заболевания, способные повредить все типы тканей (туберкулез, остеомиелит), требуют комплексного исследования с помощью МРТ и компьютерной томографии (КТ). На МР томограммах выявляются поражения нервных тканей, хрящевых межпозвоночных дисков, суставных сумок. КТ дополняет общую картину данными о разрушениях костных тканей тел позвонков и отростков.

Повреждения спинного мозга и близких к ним тканей (кровеносных сосудов, оболочек мозга, внутренней надкостницы спинномозгового канала) требуют многосторонних и кропотливых исследований на МРТ, т.к. большая часть нарушений нервных тканей связана с образованием опухолей (доброкачественных и раковых), изредка – абсцессов (эпидуральных и субдуральных). Исследования магнитно-резонансной томографии первоначально были нацелены на выявление именно опухолевых образований в ЦНС. Многолетние наблюдения и систематизация накопленного опыта позволяют исследователям определять появляющиеся новообразования на первой стадии, «в зачаточном состоянии».

Развитие сканерной техники направлено на повышение детализации, контрастности и яркости изображения объектов любого размера, а также на максимально быстрое получение данных после излучения РЧ-импульса. Современный МР-томограф способен «показывать» происходящие процессы в реальном времени: сердцебиение, движение жидкостей, дыхание, сокращение мышц, образование тромба. Малые открытые МР-сканеры на постоянных магнитах позволяют производить операции с минимальным уровнем повреждений поверхностных тканей (интервенционная МРТ).

Компьютерное программирование позволяет построить по данным, полученным со сканера, объемное изображение на экране монитора или с помощью лазерной техники.

Развивается направление МРТ исследований позвоночника в вертикальном положении. Подвижная установка оборудована столом, меняющим положение на 90 о, что позволяет снять в реальном времени изменения в позвоночном столбе при увеличении вертикальных нагрузок. Особенно ценны такие данные при изучении травм (переломов разных типов) и спондилолистеза.

По отзывам проходивших обследование, они не испытывают никаких болезненных ощущений. Самое большое впечатление на них производит шум, который создает аппаратура: «сильный стук в стенках тоннеля, как будто поблизости работает перфоратор». Это вращается подвижная деталь постоянного магнита.

Противопоказания

Однозначным препятствием проведению МРТ обследования является наличие в теле пациента имплантатов и устройств, содержащих металлы, в любой степени обладающие свойствами ферромагнетиков. Для информации: только чистый титан, применяющийся для создания вертебральных систем фиксации, не обладает магнитными свойствами.

Наличие в теле пациента кардиостимулятора, кохлеарного имплантата с электронным оборудованием и металлическими деталями сразу вызовет в магнитном поле возмущения, которые на томограмме создадут «артефакт». Кроме того, электронный аппарат выйдет из строя, причинив владельцу максимальный ущерб. К такому же результату приведет наличие в теле искусственных суставов, штифтов, скоб или даже осколков металла, оставшихся после ранения. Некоторые химические соединения, входящие в состав красок для татуажа, также обладают ферромагнитными свойствами (в частности, микроскопические частицы способны нагреваться в сильном магнитном поле, что приводит к ожогам глубоких слоев эпидермиса).

Во время обследования от пациента требуется максимальная неподвижность во время достаточно продолжительного времени. Препятствием к проведению МРТ может быть психическая нестабильность, определенные фобии (клаустрофобия, например), которые вызовут у обследуемого шоковое состояние, истерику, непроизвольную подвижность.

Для повышения качества изображения могут применяться контрастные вещества (соединения гадолиния), свойства которых еще не до конца изучены. Например, как они могут подействовать на развитие плода во время первых трех месяцев беременности. Поэтому не рекомендуется проводить обследования беременных женщин, требующие применения контрастных веществ. Кроме того, у людей, имеющих индивидуальную физиологическую непереносимость, эти препараты могут вызвать непредвиденную анафилактическую реакцию.

Совершенствование техники, использующей явление ядерно-магнитного резонанса, дает медикам, химикам и биологам мощный инструмент для исследования текущих процессов в живом организме и поиска патологий на самых ранних стадиях развития.

Статьи по теме