Как работает мрт принцип работы

В 1973 году американский химик Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью под названием «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позднее британский физик Питер Мэнсфилд предложит более совершенную математическую модель получения изображения целого организма, а в 2003 году исследователи получат Нобелевскую премию за открытие метода МРТ в медицине.

Немалый вклад в создание современной магнитно-резонансной томографии внесет и американский ученый Реймонд Дамадьян, отец первого коммерческого аппарата МРТ и автор работы «Обнаружение опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса», опубликованной в 1971 году.

Но справедливости ради стоит отметить, что задолго до западных исследователей, в 1960 году, советский ученый Владислав Иванов уже подробно изложил принципы МРТ, тем не менее авторское свидетельство он получил лишь в 1984 году… Давайте же оставим споры об авторстве, и рассмотрим наконец в общих чертах принцип работы магнитно-резонансного томографа.

В наших организмах очень много атомов водорода, а ядро каждого атома водорода — это один протон, который можно представить в виде маленького магнитика, существующего благодаря наличию у протона ненулевого спина. То что ядро атома водорода (протон) имеет спин, – это значит что оно как бы вращается вокруг своей оси. При этом известно, что у ядра водорода есть положительный электрический заряд, а вращающийся вместе с наружной поверхностью ядра заряд — это подобие маленького витка с током. Получается, что каждое ядро атома водорода — это миниатюрный источник магнитного поля.

Если теперь много ядер атомов водорода (протоны) поместить во внешнее магнитное поле, то они начнут пытаться сориентироваться по этому магнитному полю подобно стрелкам компасов. Однако в процессе такой переориентации ядра начнут прецессировать, (как прецессирует ось гироскопа при попытке его наклонить), потому что магнитный момент каждого ядра оказывается связан с механическим моментом ядра, с наличием у него упомянутого выше спина.

Допустим, ядро водорода поместили во внешнее магнитное поле с индукцией 1 Тл. Частота прецессии в этом случае составит 42,58 МГц (это так называемая ларморовская частота для данного ядра и для данной индукции магнитного поля). И если теперь оказать дополнительное воздействие на это ядро электромагнитной волной с частотой 42,58 МГц, возникнет явление ядерного магнитного резонанса, то есть амплитуда прецессии возрастет, поскольку вектор общей намагниченности ядра станет больше.

И таких ядер, способных прецессировать и попадать в резонанс, в наших телах миллиард миллиардов миллиардов. Но поскольку в режиме обычной повседневной жизни магнитные моменты всех ядер водорода и других веществ в нашем теле друг с другом взаимодействуют, то общий магнитный момент всего тела равен нулю.

Действуя радиоволнами на протоны, получают резонансное усиление колебаний (увеличение амплитуд прецессий) этих протонов, а по окончании внешнего воздействия протоны стремятся вернуться к своем исходным состояниям равновесия, и тогда уже они сами излучают фотоны радиоволн.

Таким образом в аппарате МРТ тело человека (или какое-нибудь другое исследуемое тело или предмет) превращается периодически то в набор радиоприемников, то в набор радиопередатчиков. Исследуя таким образом участок за участком тела, аппарат строит пространственную картину распределения атомов водорода в теле. И чем более высока напряженность магнитного поля томографа — тем больше атомов водорода, связанных с другими атомами, расположенными рядом, можно исследовать (тем выше разрешение магнитно-резонансного томографа).

Современные медицинские томографы в качестве источников внешнего магнитного поля содержат электромагниты на сверхпроводниках, охлаждаемые жидким гелием. В некоторых томографах открытого типа для этой цели используются постоянные неодимовые магниты.

Оптимальная индукция магнитного поля в аппарате МРТ составляет сегодня 1,5 Тл, она позволяет получать довольно качественные снимки многих частей тела. При индукции менее 1 Тл не получится сделать качественный снимок (достаточно высокого разрешения), например малого таза или брюшной полости, однако для получения обычных снимков МРТ головы и суставов подходят и такие слабые поля.

Для правильной пространственной ориентации, в магнитно-резонансном томографе кроме постоянного магнитного поля используются еще и градиентные катушки, создающие дополнительное градиентное возмущение в однородном магнитном поле. В результате наиболее сильный резонансный сигнал локализуется более точно в том или ином срезе. Мощность и параметры действия градиентных катушек — наиболее значимые показатели в МРТ — от них зависит разрешение и быстродействие томографа.

Что такое МРТ (магнитно-резонансная томография)? МРТ (магнитно-резонансная томография) это способ исследования тканей и органов, основанный на резонансном поглощении или излучении электромагнитной энергии.

Что такое МР томограф? Это специальный аппарат, позволяющий проводить магнитно-резонансную томографию и получать послойное объемное изображение исследуемого органа на специальном снимке – томограмме.

Это Интересно! Аппарат МРТ способен проводить диагностику любого органа в теле человека, не требуя от пациента изменять положение тела.

История создания МРТ томографа и развития МРТ диагностики

Впервые явление магнитного резонанса было описано в 1946 году двумя учеными из Штатов независимо друг от друга Феликсоном Блохом и Ричардом Турселлом.

В 1973 году профессором Полом Лотербургом была опубликована статья посвященная тематике изображений, полученных с помощью магнитного резонанса. Именно он обозначил разницу изображений онкологических образований от нормальных тканей.

В 1980 году был получен первый снимок органов человека, выполненный с помощью МРТ диагностики.

В 1988 году Думоумину удалось с помощью МРТ получить изображение сосудов без применения контрастного вещества.

Устройство МР томографа

Рис.№1. Устройство аппарата МРТ

Аппарат МРТ представляет собой:

• Тоннельную трубу с выдвигаемым столом для исследуемого;
• Радиочастотные (принимающие и передающие) и градиентные катушки;
• Магнит;
• Компьютер.

Магнит создает статическое электромагнитное поле с высоким уровнем напряжения. Это поле ориентировано условно пациенту.

Градиентные катушки создают в центре магнита поле с переменным током.

Радиочастотные катушки распределяются на передающие и принимающие. Передающие создают возбуждение участков в организме исследуемого, а принимающие регистрируют ответ этих участков.

Компьютер контролирует работу радиочастотных и градиентных катушек, а так же занимается регистрацией полученных сигналов и их обработкой. Сохраняет сигналы в своей памяти для построения МР томограммы.

Принцип работы МР томографа

Рисунок №2. Схематическое изображение принципов работы МР томографа.

Пациента укладывают на выдвигаемый стол и помещают внутрь устройства.

В результате действия статического поля внутри магнита в организме исследуемого ядра водородных атомов начинают ориентироваться относительно статического электромагнитного поля с высоким напряжением.

Далее следует облучение исследуемого пациента радиоволнами. Частота радиоволн подбирается с тем условием, чтобы в теле человека частицы с положительным зарядом были способны поглощать некоторый уровень энергии радиоволн и изменять направленность электромагнитных полей относительно статического магнитного поля. После этого протоны начинают обратную трансформацию в первоначальное состояние, при этом они способны излучать энергию. Именно эта энергия обуславливает возникновение электрического тока в принимающих катушках аппарата МРТ.

Электрический ток преобразовывается компьютером в магнитно-резонансный сигнал и на его основе происходит построение изображения исследуемых органов, т.е. томограммы.

Характеристика томограммы зависит от плотности протонов, времени продольной релаксации (сплин-решетчатой) и времени поперечной релаксации (спин-спиновой).

Время релаксации оказывает основное влияние.

В зависимости от порядка и характеристики генерируемых импульсов различают два варианта получения МР изображения. А именно:

• Спин-решетчатый. Продольная релаксация (Т1) – основной анализируемый объект. Построение изображения основано на различии времени релаксации разных тканей. От тканей с коротким временем релаксации идет наиболее сильный сигнал. Изображение в этом случае будет светлым. И наоборот, ткани, обладающие длинным временем релаксации, на снимке будут выглядеть темнее;
• Спин-спиновой вариант. Связан с построением изображения на основе получения сигнала от тканей о времени поперечной релаксации (Т2). Здесь способ противоположный спин-решетчатому. Маленькое время поперечной релаксации обуславливает получение слабого сигнала и соответственно, темную картинку на полученном изображении.

Рисунок № 3. МРТ исследование головного мозга.

Показания и противопоказания к применению данного вида исследования

Исследования с помощью метода магнитного резонанса абсолютно безболезненно и безвредно.

На сегодняшний день метод МРТ является наиболее информативной диагностической процедурой.

Магнитно-резонансная томография применяется для исследований:

• Различных патологий головного мозга (объемные образования, травматические повреждения костей черепа и мозговых оболочек, заболевания сосудистого русла);
• Спинного мозга (позволяет обнаруживать рассеянный склероз, воспалительные процессы, кисты и опухоли);
• Позвоночника (грыжи, патологии суставных сочленений, объемные образования, травмы, пороки развития, патологические изменения сосудов);
• Суставов и окружающих мягких тканей (артриты, травмы, патологии мышечной ткани, связочно-сухожильного аппарата);
• Молочных желёз (доброкачественные и злокачественные новообразования, воспалительные заболевания);
• Органов брюшной полости (опухоли гепатобиллиарной системы, цирроз печени, кисты, патологии со стороны поджелудочной железы, травматические повреждения, воспалительные и объемные образования тонкого и толстого кишечника);
• Почек и надпочечников (позволяет диагностировать камни, объемные образования, аномалии т пороки развития);
• Тазовых органов (пороки развития репродуктивной системы, кистозные изменения, объемные образования, воспалительные заболевания);
• Сердечно-сосудистой системы (аневризмы, тромбы, воспалительные заболевания, рубцовые изменения в стенках миокарда, участки плохого кровоснабжения сердечной мышцы);
• Органов грудной клетки (опухоли легких, легочную тромбоэмболию, болезни легких и плевры, опухоли и заболевания средостения).

Противопоказано проведение МРТ диагностики в следующих случаях:

• Если у пациента имеются кардиостимулятор или какие-либо металлические протезы, импланты;
• Если исследуемый страдает клаустрофобией;
• Противопоказано исследование в первый триместр беременности;
• А так же относительным противопоказанием являются заболевания сердечно-сосудистой системы, печени и почек в стадии обострения.

Важно! Наличие железных предметов на теле или металлических стимуляторов, протезов в теле человека может спровоцировать удар током или привести к разрыву внутренних органов. Это связано с тем, что в устройстве МРТ аппарата имеется достаточно мощный магнит. Он притягивает к себе все металлические предметы не зависимо от того, где он находится.

Благодаря своей высокой информативности, а также отсутствию неблагоприятного влияния на организм человека метод магнитно-резонансной томографии получил широкое распространение. Именно эта диагностическая процедура позволяет получить объемные и полные сведения о состоянии органов, мягких тканей, костей и сосудов в организме человека.

Магнитно-резонансная томография. Важнейшее значение в современной лучевой диагностике приобрела магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ дает ценную диагностическую информацию о физических и химических параметрах, позволяющих судить о природе и морфологическом строении исследуемых органов и тканей. К тому же изображение можно получать в любой плоскости. Основными компонентами МР-томографа являются силовой магнит, радиопередатчик, приемная радиочастотная катушка и компьютер. Большинство магнитов имеют магнитное поле, параллельное длинной оси тела человека. Сила магнитного поля измеряется в теслах (Тл). Для клинической МРТ используются поля силой 0,02 -3 Тл.

Когда пациента помещают в сильное магнитное поле, все маленькие протонные магниты тела (ядра водорода) разворачиваются в направлении внешнего поля (подобно компасной стрелке, ориентирующейся на магнитное поле Земли). Помимо этого, магнитные оси каждого протона начинают вращаться (прецессировать) вокруг направления внешнего магнитного поля. При пропускании через тело пациента радиоволн, имеющих равную частоту с частотой вращения протонов (Ларморовская частота), магнитное поле радиоволн заставляет магнитные моменты всех протонов вращаться по часовой стрелке. Это явление называют магнитным резонансом.

Под резонансом понимают синхронные колебания, и для изменения ориентации магнитных протонов магнитные поля протонов и радиоволн должны резонировать, т.е. иметь одинаковую частоту.

В тканях пациента создается суммарный магнитный момент: ткани намагничиваются, и их магнетизм ориентируется точно параллельно внешнему магнитному полю. Магнетизм пропорционален числу протонов в единице объема ткани. Огромное число протонов (ядер водорода), содержащихся в большинстве тканей, обусловливает тот факт, что магнитный момент достаточно велик для того, чтобы индуцировать электрический ток в расположенной вне пациента принимающей катушке. Этот индуцированный электрический ток «МР-сигнал» используется для реконструкции изображения.

В промежутке между передачей импульсов протоны подвергаются двум различным процессам релаксации Т1 и Т2. Релаксация – это последствие постепенного исчезновения намагниченности, вызванного небольшими различиями в силе местных магнитных полей. Т2 релаксация – потеря магнетизма. Т1 релаксация – время восстановления магнетизма. Чем короче Т1, тем быстрее восстанавливается магнетизм.

Таблица 1 – Зависимость МР-сигнала от исследуемой ткани