Магнитно-резонансная томография
 Магнитно-резонансный томограф (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Явление ядерно-магнитного резонанса было открыто в 1946 году независимо друг от друга группами исследователей из Стэндфордского и Гарвардского университетов. Суть метода состоит в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать ее в виде радиосигнала. За это открытие Ф. Блоч и Е. Персель в 1952 г. стали лауреатами Нобелевской премии. Первые ЯМР-томограммы внутренних органов человека были продемонстрированы на Международном конгрессе радиологов в Париже в 1982 г.
Магнитно-резонансное исследование опирается на способность ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этим свойством обладают ядра, которые содержат нечетное число нуклонов, в частности H, С, F и P. Эти ядра отличаются ненулевым спином и соответствующим ему магнитным моментом.
Современная магнитно-резонансная томография м свременные МР-томографы предназначены для регистрации сигнала ядер водорода. Т.к. протон находится в постоянном вращении, то вокруг него тоже есть магнитное поле, которое имеет магнитный момент. При помещении, вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Частота прецессирования, или резонансная частота, зависит от силы статического магнитного поля. Расположение прецессирующего протона в магнитном поле может быть двояким: по направлению поля и против него. В последнем случае протон обладает большей энергией, чем в первом. Протон может менять свое положение: из ориентации магнитного момента по полю переходить в ориентацию против поля, т.е. с нижнего энергетического уровня на более высокий.
Дополнительное радиочастотное поле прикладывается в виде импульса в двух вариантах: короткий, поворачивающий протон на 90°, и продолжительный, поворачивающий протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение, т.е. наступает его релаксация, что сопровождается излучением порции энергии. Время релаксации протона строго постоянно. При этом различают два времени релаксации: Т1 - время релаксации после 180° радиочастотного импульса и Т2 - время релаксации после 90° радиочастотного импульса. Как правило, показатель Т1 больше Т2.
С помощью специальных приборов можно зарегистрировать сигналы от релаксирующих протонов, и на их анализе построить представление об исследуемом объекте. Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат 3 параметра: плотность протонов, T1 и Т2. T1 называют спин-решетчатой, или продольной релаксацией, а Т2 - спин-спиновой, или поперечной, релаксацией. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов или, что то же самое, концентрацию элемента в исследуемой среде. Что же касается времени Т1 и Т2 то они зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.).
Большинство современных МР-томографов «настроено» на регистрацию радиосигналов ядер водорода, находящихся в тканевой жидкости или жировой ткани. Поэтому МР-томограмма представляет собой картину пространственного распределения молекул, содержащих атомы водорода. Этого элемента в тканях очень много, а ядра его обладают наибольшим магнитным моментом среди всех атомных ядер, что обусловливает достаточно высокий уровень МР-сигнала.
Система для МРТ (см рис) состоит из магнита, создающего статическое магнитное поле. Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент. Стол для пациента имеет автоматическую систему управления движением в продольном и вертикальном направлении. Для радиоволнового возбуждения ядер водорода и наведения эффекта спина внутри основного магнита устанавливают дополнительно высокочастотную катушку, которая одновременно является и приемником сигнала релаксации. С помощью специальных катушек накладывают дополнительное магнитное поле, которое служит для кодирования МР-сигналов от пациента.
При воздействии радиочастотных импульсов на прецессирующие в магнитном поле протоны происходит их резонансное возбуждение и поглощение энергии. При этом резонансная частота пропорциональна силе приложенного статического поля. После окончания импульса совершается релаксация протонов: они возвращаются в исходное положение, что сопровождается выделением энергии в виде МР-сигнала.
В современных системах МР-томографов для создания постоянного магнитного поля применяют сверхпроводящие магниты - они обеспечивают напряженность магнитного поля до 30 Тл. Однако они требуют глубокого охлаждения - до -269°С, что достигается помещением магнита в камеру с жидким гелием, затем в камеру с жидким азотом, температура которого -196°С, и затем в наружную вакуумную камеру.
Характер МР-изображения определяется тремя факторами: плотностью протонов, временами Т1 и Т2. При этом основной вклад в создание изображения вносит анализ времени релаксации, а не протонной плотности. Так, серое и белое вещество головного мозга отличаются по концентрации воды всего на 10%, в то время как продолжительность релаксации в них протонов разнится в 1,5 раза.
Существует ряд способов получения МР-томограмм. Их различие заключается в порядке и характере генерации радиочастотных импульсов, методах анализа МР-сигналов. Наибольшее распространение имеют два способа: спин-решетчатый и спин-эховый. При спин-решетчатом анализируют главным образом время релаксации T1. Различные ткани имеют в своем составе протоны с разным временем релаксации T1. С продолжительностью T1 связана величина МР-сигнала: чем короче T1, тем сильнее МР-сигнал и тем светлее выглядит данное место изображения на мониторе. Жировая ткань на МР-томограммах - белая, вслед за ней идут головной и спинной мозг, плотные внутренние органы, сосудистые стенки и мышцы. Воздух, кости и кальцификаты практически не дают МР-сигнала и поэтому отображаются черным цветом. T1 опухолевой ткани отличается от T1 одноименной нормальной ткани. Указанные взаимоотношения времени релаксации T1 создают предпосылки для визуализации нормальных и измененных тканей на МР-томограммах.
При другом способе МР-томографии, названном спин-эховым, на пациента направляют серию радиочастотных сигналов, поворачивающих прецессирующие протоны на 90°. Вслед за прекращением импульсов регистрируют ответные МР-сигналы. Однако интенсивность ответного сигнала по-иному связана с продолжительностью Т2: чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения экрана телемонитора. Таким образом, итоговая картина МРТ по способу Т2 противоположна МРТ по способу T1.
При МРТ можно применять искусственное контрастирование тканей. С этой целью используют химические вещества, содержащие ядра с нечетным числом протонов и нейтронов, например соединения фтора, или же парамагнетики, которые изменяют время релаксации воды и тем самым усиливают контрастность изображения на МР-томограммах.
Источники:
- Коновалов А.Н. Корниено В.Н. Пронин И.Н. Магнитно-ядерный резонанс в нейрохирургии Москва 1997г.
- Линденбратен Л.Д., Корнелюк И.П. Медицинская радиология и рентгенология М., 1993 г.
- Anti-Canc Agents Med. Chem., 2007, 291-305.