Физические основы МРТ

Введение

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - один из самых молодых методов лучевой диагностики. Метод основан на феномене ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), который известен с 1946 года, когда F. Bloch и E. Purcell показали, что некоторые ядра, находящиеся в магнитном поле, индуцируют электромагнитный сигнал под воздействием радиочастотных импульсов. В 1952 году за открытие магнитного резонанса им была вручена Нобелевская премия.
Преимуществом МРТ перед компьютерной томографией (КТ) является более высокая разрешающая способность, большая контрастность изображений, возможность получения срезов в различных плоскостях и отсутствие гамма-лучевого воздействия на пациента. МРТ по сравнению с КТ позволяет составить более чёткое представление об объёме и неравномерности распространения опухолей и является незаменимым диагностическим методом в современной медицине.
Однако в первые годы отношение к МРТ было далеко не всегда однозначным. В семидесятых годах несколько сотен демонстраторов собрались перед центральной больницей американского города, возражая против установки магнитного томографа. Их главное требование было установление его на безопасном расстоянии от центра города и любой пригодной для жилья области. Кроме того, отсутствие мер безопасности также вызывало беспокойство демонстраторов.
Сегодня МРТ используется не только в медицине для создания анатомических изображений с пространственным разрешением менее 1 мм, изучения потоков крови, перфузии, диффузии, функций органов, но и в области химии, физики, биологии и связанных с ними дисциплин.
Невозможно представить современный процесс диагностического поиска без использования инструментальных методов исследования. МРТ является незаменимой в онкологии, неврологии и нейрохирургии, пульмонологии и других медицинских специальностях. Высокоточная диагностика позволяет докторам своевременно выявить, локализовать патологические изменения и принять верное решение в их лечении. Актуальность данной темы не вызывает сомнений, так как развитие таких методов исследования как МРТ, дает новые возможности в постановке диагнозов, казалось бы даже в самых трудных клинических ситуациях.
Целью данной работы является изучение физических основ МРТ, основных методик, применяемых при МРТ.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
- изучить явление ядерно-магнитного резонанса;
- изучить устройство современных магнитных томографов и принципы их работы;
- изучить специальные методики, применяемые в МРТ и их физические основы.


1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МРТ

Открытия спиновой природы протона и изучения взаимодействия спина с магнитным полем послужило началом концепции ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Явление магнитного резонанса впервые использовано для изучения химии и структуры твердых тел и жидкостей. Лишь через 40 лет ЯМР стал применяться в медицине. Особо активное развитие МРТ происходило во второй половине ХХ века.
Началом развития МРТ послужило то, что в 1882 Никола Тесла открыл вращающееся магнитное поле. В 1956 международная электро-техническая комиссия в рейхтгаузе (Мюнхен, Германия) ввела единицы «тесла» для измерения магнитной индукции.
В 1922 году Отто Стерн и Уолтер Герлах наблюдали в эксперименте спиновую квантизацию в электронах. Изучая магнитные свойства электрона, они пропустили пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле. Атомы серебра были в состоянии равновесия, т.е. чистый электрический заряд был равен нулю и атомы имели единственный неспаренный электрон на внешней орбите. Логичным было бы получение гладкого распределение пучка атомов серебра вокруг центра, так как магнитный момент атома (из-за неспаренного электрона) должен испытывать чистую силу в неоднородном магнитном поле, и возможны любые ориентации магнитного момента. Но в результате луч расщепился на две составляющие одиноковой интенсивности. Данное явление было объяснено Уленбеком и Годсмитом (1925, 1926 гг.), так как они предположили, что электрон имеет внутренний магнитный момент (спин) с двумя возможными ориентациями; так было введено понятие квантизации спина.
В 1937 профессор Колумбийского университета Изидор Раби исследовал явление ЯМР в молекулярных лучах. Радиочастотная (РЧ) энергия поглощается или испускается атомными ядрами образцов, помещенных в сильное магнитное поле. Для эффективного поглощения радиочастота должна иметь определённое значение и называется частотой резонанса или частотой Лармора. Частота Лармора определяется силой магнитного поля и атомным ядром. В 1944 г. Раби получил Нобелевскую премию по физике.
В 1945 г. две группы американских физиков под руководством Феликса Блоха (Станфорский университет) и Эдварда М. Парселла (Гарвардский университет) наблюдали явление ЯМР в твёрдых телах и впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса, продемонстрировав явление ЯМР в блочных материалах, за что оба в 1952 были удостоены Нобелевской премии физике.
В 1949 Норман Ф. Рамсей сформулировал теорию химического сдвига. Атомные ядра можно идентифицировать по малому изменению резонансной частоты, которое зависит от электронного окружения молекулы, так молекулярная система может быть описана ее спектром поглощения. Таким образом зародилась магнитно-резонансная спектроскопия. Чувствительность эксперимента была низкой: каждая резонансная частота (для каждого вида ядер) возбуждалась отдельно. Чтобы достичь приемлемого соотношения сигнал/ шум, для усреднения требовалось много измерений и эксперименты проходили крайне медленно. В 1989 получил Рамсей Нобелевскую премию по химии.
В период с 1950 по 1970 годы, ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа в спектроскопии. При этом исследуемый образец помещали в однородное магнитное поле, а получаемая информация, в виде ЯМР спектров и времен релаксации спинов, относилась ко всему объему образца, не выявляя его пространственной структуры.
В 1971 г. физик Раймонд Дамадиан (Бруклинский Медицинский Центр, США) показал возможность применения ЯМР для обнаружение опухолей. В опытах на крысах он продемонстрировал, что сигнал водорода от злокачественных тканей сильнее, чем от здоровых. Злокачественные ткани имеют увеличенное время релаксации, время релаксации нормальных тканей также меняется. Используя данные результаты, Дамадиан положил начало применению магнитного резонанса в медицине, включая диагностическое отображение всего тела. Дамидиан с командой 7 лет разрабатывали и создавали первый МРТ для медицинского отображения человеческого тела.
В 1972 г. химик Пол К. Лаутербур (Государственный университет НьюЙорка, США) сформулировал принципы ЯМР отображения, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерного МР-изображения. Сдвиг резонансной частоты, возникающий из наложения градиентов магнитных полей в трех плоскостях (Gx, Gy и Gz.), может использоваться для создания картины двухмерного пространственного распределения протонов. В своем ставшем классическим эксперименте, Лаутербур использовал переменные градиенты магнитного поля для того чтобы зафиксировать и разделить сигналы от двух малых образцов воды, находящихся в пробирках диаметром 1 мм. Таким образом, было получено первое ЯМР изображение (рис.1) Лаутербур предсказал потенциальное использование этого метода для отображения мягкотканых структур и злокачественных опухолей.

Рисунок 1. Первое ЯМР-изображение
В 1975 г. Ричард Эрнст (Швейцария) предложил использовать в МРТ фазовое и частотное кодирование и Фурье преобразования, метод, который используется в МРТ в настоящее время. В 1991 году за достижения в области импульсной МРТ Эрнст был удостоен Нобелевской премии по химии.
В 1976 Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (ЭПО), самую общую быструю ЯМР методику

. Однако только в 1987 г. усовершенствования оборудования сделало возможным получение EPI изображений в клинической практике примерно за 30 мс, что позволило создавать кино-изображения сердечного цикла в реальном времени. Сейчас существуют более быстрые методы отображения, но они имеют ограниченное применение из-за низкого соотношения сигнал/шум. В 2003 г. Мэнсфилд получил Нобелевскую премию в области медицины за достижения в области ЯМР томографии.
3 июля 1977, спустя почти 5 часов после начала первого ЯМР теста, было получено первое изображение среза человеческого тела на первом прототипе ЯМР сканера.
В период c 1980-х по наши дни продолжалось развитие ЯМР методов и оборудования. В 1993 был создан функциональный МРТ (фМРТ), позволяющий создавать карту функций различных областей мозга. Развитие фМРТ открыло новое применение ЭПО метода в картографии областей мозга, ответственных за мышление и контроль движения. В 1994 исследователи в Государственном университете Нью-Йорка показали отображение гиперполяризованного 129Xe газа для исследований дыхания.


2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МРТ

2.1 Основы метода МРТ

МРТ основана на явлении ядерно-магнитного резонанса. Если тело, находящееся в постоянном магнитном поле, облучить внешним переменным магнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иными словами, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. При прекращении воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии (рис.2).

Рисунок 2. Принцип магнитно-резонансной томографии.
Магнитно-резонансное исследование основано на способности ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этими свойствами обладают ядра, которые содержат нечетное количество нуклонов и обладают магнитным моментом, в частности Ή, "С. "F и "Р.
Современные МР-томографы «настроены» на ядра водорода, т.е. на протоны. Так как организм человека примерно на 4/5 состоит из воды, около 90% вещества составляет водород - 1Н. Атом водорода является простейшей структурой. В центре есть положительно заряженная частица - протон, а на периферии - значительно меньшая по массе: электрон. Постоянно вращается вокруг ядра (протона) только электрон, но одновременно с этим происходит вращение протона. Следовательно, вокруг него тоже образуется магнитное поле, которое имеет магнитный момент, или спин. При помещении вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона. Прецессией называется движение оси вращения протона, при котором она описывает круговую коническую поверхность наподобие оси вращающегося волчка. Прецессия очень высока - примерно 40 МГц, т. е. за 1 секунду протон делает около 40 млн оборотов. Частота вращения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и называется частотой Лармора. Движение заряженной частицы формирует магнитное поле, вектор которого совпадает с направлением конуса вращения. Таким образом, каждый протон можно представить в виде маленького магнита (спина), который имеет свое собственное магнитное поле и полюсы - северный и южный
Протоны имеют самый высокий магнитный момент и, как отмечалось выше, самую большую концентрацию в организме. Вне сильного магнитного поля эти маленькие магниты (спины) ориентированы хаотично. Попадая под действие сильного магнитного поля, которое составляет основу магнитно-резонансной томографической установки, они выстраиваются вдоль основного магнитного вектора В0. Возникающая при этом продольная намагниченность спинов будет максимальной. Обычно дополнительное радиочастотное поле действует в виде импульса, причем в двух вариантах: более короткого, который поворачивает протон на 90° по отношению к основному магнитному вектору В0, и более продолжительного, поворачивающего протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, под влиянием основного магнитного вектора В0, спины постепенно возвращаются к исходному состоянию, т.е. протон возвращается в исходное положение (наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии.
Каждый элемент объема исследуемого объекта за счет релаксации распределенных в нем протонов возбуждает электрический ток («МР-сигналы») в приемной катушке, находящейся вне объекта. Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат 3 параметра: плотность протонов, время Τ1 и время Т2. Τ1 называют спин-решетчатой, или продольной, релаксацией, а Т2 — спин-спиновой, или поперечной. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов или, что то же самое, концентрацию элемента в исследуемой среде. Что же касается времен Τ1 и Т2, то они зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.).
Время, за которое величина основного вектора намагниченности вернется к 63% первоначального значения, называют временем Т1-релаксации, или спин-решетчатой релаксацией. После подачи радиочастотного импульса все протоны вращаются синхронно (в одной фазе). Затем из-за небольшой неоднородности магнитного поля спины, вращаясь с разной частотой (частотой Лармора), начинают вращаться в разных фазах. Другая частота резонанса позволяет «привязать» тот или иной протон к конкретному месту в исследуемом объекте.
Время релаксации Т2 наступает приблизительно в момент начала расфазировки протонов, которая происходит из-за негомогенности внешнего магнитного поля и наличия локальных магнитных полей внутри исследуемых тканей, т. е. когда спины начинают вращаться в разных фазах. Время, за которое вектор намагниченности уменьшится до 37% первичного значения, называют временем Т2-релаксации, или спин-спиновой релаксацией.
Эти изменения намагниченности считываются многократно для каждой точки исследуемого объекта и в зависимости от начала измерения МР-сиг-нала, характерного для разных импульсных последовательностей, мы получаем Т2-взвешенные, Т1-взвешенные или протон-взвешенные изображения.
В принципе для МРТ можно использовать не только ядра водорода, но и ядра других атомов, способные генерировать МР-сигналы. Однако их концентрация в тканях значительно ниже, вследствие чего чувствительность метода и качество изображения ухудшаются. МРТ позволяет получить изображение любых слоев тела человека.

2.2 Строение магнитно-резонансного (МР) томографа

МР томограф состоит из следующих основных блоков: магнита, создающего статическое магнитное поле, градиентных, шиммирующих и РЧ катушек, охлаждающей системы, систем приема, передачи и обработки данных, системы экранирования (рис.3).

Рисунок 3. Схема основных систем магнитно-резонансного томографа
Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент. Является самой дорогой частью МР томографа, создающей сильное устойчивое магнитное поле. Большинство современных магнитов, выпускаемых различными производителями, являются сверхпроводящими.
Градиентные катушки (ГК) накладывается дополнительное магнитное поле, которое служит для кодирования МР-сигнала от пациента, в частности оно задает уровень и толщину выделяемого слоя. ГК имеют различные размеры и конфигурацию и бывают различных видов: катушка в форме «8»; катушка Голея, создающая градиенты магнитного поля перпендикулярно главному полю; катушка Гельмгоца - пара катушек с током, создающих однородное магнитное поле в центре между ними; катушка Максвелла, создающая градиенты поля по направлению главного магнитного поля; сдвоенная седлообразная катушка, создающая градиент в направлении осей X и Y.
Шиммирующие катушки это катушки с малым током, создающие вспомогательные магнитные поля для компенсации неоднородности главного магнитного поля томографа, вызванной дефектами магнита или присутствием внешних ферромагнитных объектов.
РЧ катушка представляет собой одну или несколько петель проводника, создающих магнитное поле B1 , необходимое для поворота спинов на 90° или 180° во время импульсной последовательности и регистрирующих сигнал поперечной намагниченности от спинов внутри тела