ЕНМРИЗ ДЗ. Реферат по дисциплине Естественно научные методы решения инновационных задач Магнитно резонансная томография (мрт)
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) факультет "Инженерный бизнес и менеджмент"  Кафедра "Менеджмент” (ИБМ-4) Реферат по дисциплине «Естественно - научные методы решения инновационных задач » «Магнитно – резонансная томография (МРТ)» Студент: Банкина Елизавета Андреевна Группа: ИБМ4-51 Преподаватель: Ивлиев Павел Алексеевич Москва, 2018 г. Содержание 1 История создания инновации 3 3 Физические основы МРТ 4 3 Исследование МР томографии и устройство МР томографа 7 4 Стоимость аппарата 11 5. Выводы 13 1 История создания инновацииГодом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. В СССР способ и устройство для ЯМР-томографии предложил в 1960 г. В. А. Иванов Некоторое время существовал термин ЯМР-томография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии. В новом термине исчезло упоминание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему достаточно безболезненно войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также имеет хождение. За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера. Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным неинвазивно (без вмешательства) исследовать функцию органов — измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ). 3 Физические основы МРТМагнитно-резонансная томография (МРТ) – метод получения изображения внутренних структур тела человека при помощи магнитно-резонансного томографа. Метод позволяет оценивать как анатомические, так и функциональные особенности строения. Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное в пространстве (в идеальном случае) магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность. В ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород 1Н, 2Н, углерод 13С, азот 14N, фтор 19F, натрий 23Na, фосфор 31Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях. Под воздействием сильного магнитного поля спины протонов ядер водорода изменяют свое положение и располагаются вдоль оси магнитного поля (рисунок 2.1). Воздействие магнитного поля и радиочастотного излучения на протоны не постоянно, с заданными силой, частотой и временем, а протоны после воздействия на них радиочастотного сигнала вновь возвращаются в исходное положение – так называемое «время релаксации» (T1и T2).  Рисунок 2.1 – Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поля Воздействие магнитного поля и радиочастотного импульса на протоны ядер водорода заставляет их вращаться относительно новых осей в течение очень короткого периода времени, что сопровождается выделением и поглощением энергии, формированием своего магнитного поля. Регистрация этих энергетических изменений и является основой МРТ-изображения. Способность подобного смещения зависит от гидрофильности тканей, их химического состава и структуры. Нормальные клетки органов и тканей, не пораженных болезненным процессом, имеют один уровень сигнала. «Больные» клетки – это всегда другой, измененный сигнал в той или иной степени. На изображении измененные патологическим процессом участки тканей и органов выглядят иначе, чем здоровые. Это и есть основа медицинского диагностического изображения. Главная задача данной аппаратуры заключается в получении максимально информативного изображения быстро и качественно, а также безопасно для пациента. Чтобы добиться уменьшения времени реконструкции изображения нужно увеличивать индукцию главного магнита. Это объясняется возможностью применения при большой индукции «быстрых» последовательностей, например, последовательности «градиентное эхо» и малоугловых. Также при индукции свыше 1,5 Тл появляется возможность кроме ядер водорода (протонов) включить в сбор данных об организме тяжелые ядра натрия и фосфора, которые несут очень важную информацию о метаболизме. При более низкой индукции магнитный резонанс ядер этих атомов невозможен. Установлено, что если индукция будет равна 0,12 Тл, то частота ЯМР для протонов составит 5 МГц. Эти частоты лежат в диапазоне коротких радиоволн, которые считаются безвредными. И только в очень сильных магнитных полях (до 3 Тл) частота ЯМР может быть достаточно большой – 120 МГц. Это нужно учитывать при разработке современных МРТ. Для примера рассмотрим таблицу 2.2, по которой можно проследить: какая нужна напряженность магнитного поля для построения изображения некоторых тканей головного и спинного мозга. Таблица 2.2 – Значения индукции магнитного поля
Рассмотрим некоторые подострые опасности при проведении МРТ. В экспериментах было установлено, что с порога напряженности в 4 Тл у лиц наблюдалась некоторая задержка нервной проводимости, теоретически было предсказано, что с уровня в 6 Тл растет кровяное давление. У людей, помещенных в однородное постоянное магнитное поле, был отмечен рост амплитуды ЭКГ в зависимости от величины поля. Этот рост становился заметным при 0.3 Тл; при 2.0 Тл амплитуда возрастала в среднем на 400%. Полагают, что изменения ЭКГ не могут быть ассоциированы с каким-либо биологическим риском. Основным результатом взаимодействия РЧ полей с тканями является нагрев последних. Но пока даже в сильных магнитных полях не было достигнуто локального увеличения температуры более, чем на 1 градус.Несмотря на то, что пока не было выявлено никаких чрезмерно опасных воздействий на живой объект МР исследования, необходимо и дальше проводить исследования в этой области, и предельно аккуратно подходить к повышению напряжённости поля в современных томографах. 3 Исследование МР томографии и устройство МР томографа Рис. 3.1 – МР томограф Прежде всего пациента помещают внутрь большого магнита, где имеется довольно сильное постоянное (статическое) магнитное поле, ориентированное в большинстве аппаратов вдоль тела пациента. Под воздействием этого поля ядра атомов водорода в теле пациента, которые представляют собой маленькие магнитики, каждый со своим слабым магнитным полем, ориентируются определенным образом относительно сильного поля магнита. Добавляя слабое переменное магнитное поле к статическому магнитному полю, выбирают область, изображение к. надо получить. Затем пациента облучают радиоволнами, причем частоту радиоволн подстраивают таким образом, чтобы протоны в теле пациента могли поглотить часть энергии радиоволн и изменить ориентацию своих магнитных полей относительно направления статического магнитного поля. Сразу же после прекращения облучения пациента радиоволнами протоны станут возвращаться в свои первоначальные состояния, излучая полученную энергию, и это переизлучение будет вызывать появление электрического тока в приемных катушках томографа. Зарегистрированные токи являются МР сигналами, к. преобразуются компьютером и используются для построения (реконструкции) МРТ. Примеры снимков представлены на рисунке 3.2 и 3.3.  Рис. 3.2 – ЛСМА (инсульт)  Рис. 3.3 – Тазобедренные суставы (норма) Соответственно этапам исследования основными компонентами любого МР томографа являются:
 Рисунок 3.4 – структурная схема МРТ Всякое М поле характеризуется индукцией М поля, которую обозначают В. Единицей измерения является 1 Тл (тесла). В МРТ в зависимости от величины постоянного магнитного поля различают несколько типов томографов:
Таблица 3.5 – Технические характеристики МР-томографов
Проведем сравнительную характеристику рассмотренных видов магнитов. Она представлена в таблице 3.6. Таблица 3.6 – Преимущества и недостатки магнитов МРТ
В современных МРТ системах используются в основном постоянные и сверхпроводящие магниты. Это объясняется тем, что у них достаточно малое энергопотребление и они не требуют дорогостоящей, а также энергоемкой системы охлаждения. Напряженность поля постоянного магнита ограничена, но с развитием новых технологий, таких как, например, Tim-технология (Total imaging matrix), которая представляет собой революционное развитие радиочастотного тракта, РЧ-катушек и алгоритмов реконструкции с использованием методов параллельной визуализации, получаемые изображения ни в чём не уступают изображениям со сверхпроводящего МРТ. Также неоспоримым плюсом является то, что постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ – так называемая интервенционная МРТ. 4 Стоимость аппаратаСуммарная стоимость техники для проведения магнитно-резонансной томографии весьма солидна, и заметно увеличивается из-за необходимости дополнительных растрат. Современная больница имеет для такого рода диагностики отдельную комнату со всем вспомогательным оборудованием и особым режимом функционирования. Да и сам томограф – это очень сложный интегрированный набор нескольких высокотехнологических разнородных узлов. Что представляет собой этот комплекс? Многие уже видели когда-нибудь МРТ аппарат – фото этого устройства можно без труда найти в Интернете. Главный инструмент представлен большой катушкой, генерирующей магнитное поле. Пациент погружается в центр катушки при помощи специального передвижного столика. К томографу прилагается вычислительный модуль, а также отдельный пульт управления, расположенный, как правило, в отдельном боксе. а сегодняшний день редко где используется оборудование, имеющее ценовой уровень, схожий с МРТ. Стоимость аппарата даже в чистом виде, без дополнительных расходов, достигает внушительных цифр. Самый дешевый магнитный томограф обойдется больнице в сумму до миллиона долларов и более. Вариация цен достаточно широкая в зависимости от качества прибора, надежности фирмы-изготовителя, стоимости дополнительных модулей. Большее значение имеет главный класс прибора – количество единиц магнитного поля, выдаваемого катушкой томографа. Аппарат МРТ, цена которого не превышает пятисот тысяч долларов, скорее всего, является низкопольным, и не годится к профессиональному обследованию сверхсложных структур типа головного мозга. У подобных устройств магнитное поле имеет напряженность всего в 0,1-0,8 Тесла. Высокопольные томографы отличаются напряженностью в 1 Тесла и выше. Большинство нынешних диагностических центров оборудовано именно средним классом томографов. Существуют еще и сверх высокопольные томографы, но они используются только в научных исследованиях и обладают напряженностью порядка 3 Тесла. Пациентов часто останавливает ценовая политика такой услуги. Однако необходимо ясно понимать, что зачастую процедура магнитной томограммы бывает жизненно необходимой, и ее обязательно нужно делать вне зависимости от того, сколько стоит. Аппарат МРТ, цена которого нередко кажется очень высокой, бережно изучит ваш организм, поспособствует выявлению трудноуловимой патологии и скорейшему выздоровлению. 5. ВыводыМРТ проводят путем послойного изучения определенной анатомической области органа. Выделение исследуемого слоя на МРТ достигается в том случае, когда радиочастотные импульсы преобразователя совпадают с резонансной частотой протонов и индуцируют МР – сигнал. Для этого с помощью градиентных катушек создают дополнительное слабое магнитное поле, по направлению соответствующего изучаемого слоя. Под действием градиентного поля сила основного магнитного поля на этом уровне возрастает линейно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В этом слое пропорционально усиления возрастает и резонансная частота протонов. Сужая диапазон частот градиентного поля, можно уменьшить толщину исследуемого слоя. Для получения визуального изображения требуется определить силу импульсов в каждой конкретной точке исследуемого слоя. Для этого его рассматривают как сумму отдельных объемов (вокселей). После предоставления 90о и градиентного импульсов каждый воксель имеет вектор намагничивания. Сила сигнала от каждого вокселя и его ориентация в пространстве определяются в цифровых величинах с помощью компьютера. Проекция вокселя на плоскость получила название пикселя. Сила сигнала отображается на экране монитора в серой или цветной шкале видимого спектра. Чем меньше вычислительные объемы, тем точнее изображение объекта. Контрастность изображения зависит от разницы между силой импульсов с рядом расположенных участков исследуемого слоя. На естественный контраст, кроме протонной плотности, релаксационного времени (Т1 и Т2) влияет также скорость циркуляции крови. Если кровь вытекла из сосудов имеет высокий яркий сигнал, то циркулирующая кровь не генерирует МР – сигналов и выглядит темной по сравнению со стенками сосудов. В сложных для диагностики случаях используют искусственное контрастирование магнетиках, в состав которых входит парамагнитный ион из металла гадолиния. Эти контрастные вещества вводят внутривенно. Они накапливаются в очагах воспаления и опухолях. Эти вещества благодаря магнитным свойствам способствуют сокращению периода релаксации (Т1 или Т2) протонов и приводят к изменению контрастности. Клиническое действие магнитного резонанса на пациентов и медперсонал минимальна, поэтому противопоказаний к этому исследованию нет. Но в случае наличия ферромагнитных объектов в организме (кардиостимуляторы, клипсы на сосудах мозга) это исследование опасно термическим эффектом и поэтому противопоказано. |