1. Магнитно-резонансная томография. Лекция Магнитнорезонансная томография

• Название: Лекция Магнитнорезонансная томография
• Дата: 20.11.2019
• Размер: 2.05 Mb.
• Имя файла: 1. Магнитно-резонансная томография.docx
• Тип: Лекция; #96085
• страница: 1 из 12

Лекция 1. Магнитно-резонансная томография
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - метод лучевой диагностики, основанный на получении послойных и объемных изображений тела с помощью ядерного магнитного резонанса.

С 70-х годов, когда принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) впервые стали использовать для исследования человеческого тела, и до сегодняшних дней этот метод медицинской визуализации неузнаваемо изменился и продолжает быстро развиваться. Совершенствуется не только техническое и программное обеспечение, но и методики получения изображений, а также специальные контрастные препараты. Все это позволяет постоянно находить новые сферы применения МРТ. Если сначала область ее использования ограничивалась лишь исследованиями центральной нервной системы, то сейчас ее успешно применяют и в других областях медицины.

Появление МРТ стало возможным после ряда открытий, сделанных учеными-физиками. В 1946 г. двое исследователей из США - Феликс Блох и Эдвард М. Парселл - описали физико-химическое явление, основанное на магнитных свойствах некоторых ядер периодической системы Менделеева и названное «ядерным магнитным резонансом» (ЯМР). В 1952 г. за это открытие оба ученых получили Нобелевскую премию по физике. Известно, что известный советский физик Е. К. Завойский (1907-1976), работавший в Казани и открывший электронный парамагнитный резонанс (1944), в своих экспериментах в 1940-1941 гг. получил также и сигнал ЯМР. Однако из-за несовершенства оборудования и ограничений в финансировании ему не удалось развить это направление, и в дальнейшем он занялся другими областями физики. Вторая мировая война и отсутствие публикаций в западной научной литературе помешали оценить этот период работы Е. К. Завойского, который лишь недавно получил должное признание в мире.

Феномен ЯМР в течение долгого времени использовали физики, химики и биологи. На его основе была создана методика магнитно-резонансной спектроскопии (МРС), позволяющая на основании спектров оценивать in vivo и in vitro наличие и содержание различных веществ в органах и тканях. Однако в те годы исследователям не удавалось локализовать сигнал ЯМР в пространстве, поэтому получить изображение было практически невозможно.

В 1971 г. физик П. Лаутербур из Нью-Йоркского университета (США) предложил методику пространственной локализации MP-сигнала, основанную на использовании слабых градиентных магнитных полей и метода восстановления изображений по обратным проекциям, который уже применяли в КТ. На получение первого изображения ушло 4 ч 45 мин. Через год были получены первые томограммы животных и человека.

Потребовалось 8 лет для появления в клинике первых МР-томографов для исследования всего тела (1980).

После включения ЯМР в число методов лучевой диагностики прилагательное «ядерный» было исключено, чтобы оно не ассоциировалось у населения с ядерным оружием или ядерными электростанциями, с которыми ЯМР не имеет ничего общего. В связи с этим в наши дни в медицинской практике используют термин «магнитно-резонансная томография».

В краткой форме принципы получения изображений при МРТ выглядят следующим образом.

ЯМР - это физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер, находящихся в магнитном поле, поглощать внешнюю энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия радиочастотного импульса. При этом напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного импульса должны строго соответствовать друг другу.

Наиболее интересными для магнитно-резонансной томографии являются ядра 'Н, ¹³С, ^l9F, ²³Na и ³¹Р, которые обладают магнитными свойствами, что отличает их от немагнитных изотопов. Протоны ('Н) наиболее распространены, потому что двумя основными компонентами тканей живых существ являются вода, жир, углеводы и другие биохимические соединения, содержащие водород. Для МРТ используют именно сигнал от ядер водорода (протоны), которые можно представить в виде маленьких элементарных магнитов (диполи), имеющих 2 полюса.

Для каждого протона, который вращается вокруг собственной оси, характерен небольшой магнитный вектор намагниченности. Это обусловлено тем, что вращающиеся заряженные частицы создают локальное магнитное поле. Вращающиеся магнитные моменты ядер называют спинами (рис. 1). Когда атомные ядра, обладающие магнитными свойствами, помещаются во внешнее магнитное поле, они могут поглощать электромагнитные волны определенных частот, зависящих от типа ядер, напряженности магнитного поля, физического и химического окружения ядер. Поглощение и испускание таких радиочастотных (электромагнитные) волн - основные принципы в МРТ и МР-спектроскопии.

В присутствии внешнего магнитного поля поведение ядра можно сравнивать с вращающимся волчком. Под действием магнитного поля вращающееся ядро совершает сложное движение: оно вращается вокруг своей оси, кроме того, сама ось вращения совершает конусообразные круговые движения (прецессирует), отклоняясь от вертикального направления.



Рис. 1. Образование магнитного момента (спин) вращающегося протона ('Н). S и N - полюса магнитного поля протона; стрелка и - магнитный момент (спин); полукруглые стрелки - направление вращения атомного ядра.
Во внешнем магнитном поле ядра, обладающие магнитными свойствами подобно протонам, могут находиться либо в стабильном энергетическом состоянии (нижний уровень), либо в возбужденном состоянии (верхний уровень) с более высокой энергией. Разность энергий этих двух состояний настолько мала, что количество ядер на каждом из этих уровней почти идентично. В связи с этим результирующий сигнал ЯМР, зависящий именно от различия населенностей этих двух уровней протонами, будет очень слабым. Чтобы обнаружить эту макроскопическую намагниченность, необходимо отклонить ее вектор от оси постоянного магнитного поля, что достигается с помощью импульса внешнего радиочастотного (электромагнитное) излучения. Радиоволны, являясь квантами энергии, вызывают переход спинов на уровень с более высокой энергией. Частота этих волн должна иметь определенную величину (так называемая ларморовская частота), чтобы под их воздействием вектор намагниченности отклонился от направления внешнего магнитного поля. При возвращении системы к равновесному состоянию излучается поглощенная энергия (MP-сигнал), которая может быть обнаружена, обработана и использована для построения МР-изображений (томограмм).

Чтобы разделить принятый сигнал на частотные компоненты, его нужно обработать с помощью специального математического процесса, называемого преобразованием Фурье.

Для получения сигнала магнитного резонанса используют комбинации радиочастотных импульсов различной длительности и формы. Сочетая разные импульсы, формируют так называемые импульсные последовательности, с помощью которых можно получить изображения. Наиболее распространенными видами импульсных последовательностей являются «спинэхо», «инверсия-восстановление» и «градиентное эхо».

Существуют специальные импульсные последовательности для получения сигнала только от неподвижной (MP-гидрография, МР-миелография, МР-холангиография) либо движущейся жидкости (MP-ангиография).

С целью выбора ориентации и толщины слоя в МРТ используют так называемые градиентные магнитные поля. Радиочастотные импульсы индуцируют MP-сигналы только в том случае, если частота импульсов точно соответствует ларморовской частоте протонов. Данный факт позволяет получать MP-сигналы из выбранного тонкого слоя тканей (среза). Специальные (градиентные) катушки, расположенные внутри главного магнита, создают небольшие дополнительные магнитные поля таким образом, что сила поля линейно возрастает в одном направлении. Передавая радиочастотные импульсы с установленным заранее узким диапазоном частот, можно получать MP-сигналы только от выбранного слоя ткани. Ориентация градиентов магнитного поля и соответственно направление срезов могут быть легко заданы в любом направлении. Получаемые от каждого объемного элемента изображения (воксель) сигналы имеют свой, единственный и распознаваемый, код. Этим кодом являются частота и фаза сигнала. На основании этих данных можно строить двухмерные или трехмерные изображения.

Ткани с большими суммарными магнитными векторами будут индуцировать сильный сигнал и выглядеть на изображении яркими, а ткани с малыми магнитными векторами - индуцируют слабый сигнал и будут выглядеть темными. Величина магнитного вектора в тканях определяется прежде всего плотностью протонов. Анатомические области с малым количеством протонов (например, воздух или компактная кость) индуцируют очень слабый MP-сигнал и всегда представляются на изображении темными. Вода и другие жидкости имеют сильный сигнал и на изображении выглядят яркими различной интенсивности. Мягкие ткани имеют вариабельную интенсивность сигнала на изображении. Это обусловлено тем, что, помимо протонной плотности, характер интенсивности сигнала при МРТ определяется и другими параметрами, например временем спин-решетчатой (продольной) (Т1), и спин-спиновой (поперечной) релаксации (Т2), движением или диффузией исследуемой среды.

Время релаксации тканей - Т1 и Т2, являясь константами, зависит от силы поля и вида тканей, а та играет важную роль в формировании контраста на MP-изображении. В МРТ приняты понятия «Т1-взвешенное изображение», «Т2-взвешенное изображение», «протонно-взвешенное изображение», т. е. изображения, на которых различия между тканями обусловлены преимущественно вкладом одного из этих факторов.

Регулируя параметры импульсных последовательностей, рентгенолаборант может влиять на контрастность изображений, не используя контрастные средства. В связи с этим в MP-томографии существует значительно больше возможностей для изменения контраста на изображениях, чем при рентгенографии, КТ или УЗИ. Конечно, введение специальных контрастных веществ может еще более изменить контрастность между нормальными и патологическими тканями.

Для построения изображений в клинических условиях требуется взаимодействие множества разнообразных процессов. Компонентами, из которых устроен MP-томограф, являются магнит, градиентные катушки, передатчик РЧ-импульсов и РЧ-приемник, источник питания и системы охлаждения, вспомогательные электронные блоки, компьютер для обработки сигналов и построения изображений, устройства для записи и архивирования данных. На рис. 2 приведена принципиальная схема МР-томографа.

Основной частью MP-томографа является специальный магнит, который создает постоянное (статическое) однородное магнитное поле, напряженность которого может различаться в несколько раз в соответствии с назначением оборудования.