Магнитно-резонансная томография (МРТ) выполняется с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) - одного из новейших достижений медицинской науки в области диагностики. Основное условие для создания этого технического шедевра - современнейшие компьютеры и компьютерные программы.

Этот метод от обычной компьютерной томографии отличается способом получения изображения. Вместо обычных рентгеновских лучей используется сильное магнитное поле. Во время этого обследования больной не подвергается радиоактивному рентгеновскому облучению, не возникают побочные реакции, характерные для облучения.

Как проводится МРТ?

Основные необходимые приборы для выполнения этого метода - большая магнитная цилиндрическая труба и компьютер. Для получения изображения используется особенное свойство атомов излучать электромагнитные волны под воздействием сильных магнитных импульсов. В зависимости от плотности ткани, поток электромагнитных волн будет различным, и на компьютере будет получено их изображение. Пациента помещают в «магнитную трубу» и кратковременно активизируют магнитное поле. Специальное устройство регистрирует электромагнитные волны, идущие от тела обследуемого, компьютер эти волны превращает в изображение. Если необходимо получить несколько изображений срезов, то измерения должны быть повторены. Ряд срезов компьютер может превратить в трехмерное пластическое изображение.

Что можно диагностировать с помощью МРТ?

Метод МРТ является одним из наиболее точных в диагностике. При его применении обнаруживают изменения белого вещества мозга, выполняют специальные исследования кровеносных сосудов, исследование циркуляции мозговой жидкости, а с помощью новейшей техники - исследование энергетического обмена мозга и обмена веществ в мозге. Обычная компьютерная томография незаменима при диагностике травм, кровяного давления, переломов костей. С помощью ЯМР лучше всего исследовать ткани, в которых много жидкости. Его можно использовать при изучении внутренних органов - сердца и почек.

Опасна ли МРТ?

До сих пор нет данных, что эти обследования вредны для человека. Однако магнитное поле при обследовании пациентов, в теле которых находятся металлические протезы и имплантаты, может вызвать у них проблемы. В этих случаях применение МРТ запрещено. При работе с этим аппаратом в одежде не должно быть никаких металлических предметов.

Единственная проблема магнитно-резонансной томографии - дороговизна. Это обследование выполняется только в случае невозможности диагностирования другими методами. Кроме того, для выполнения этого исследования необходимо больше времени. Несколько ограниченны возможности обследования детей из-за их страха перед закрытыми пространствами (необходимость нахождения в цилиндрической «трубе»).

Этот исследовательский метод постоянно совершенствуется. Магнитно-резонансная томография - информативный, безопасный метод диагностики, позволяющий получить изображения органов в различных плоскостях. На экране компьютера видно трехмерное изображение, что, например, позволяет осмотреть мозг человека со всех сторон и на любой глубине.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – современная неинвазивная методика, позволяющая визуализировать внутренние структуры организма. Основана на эффекте ядерного магнитного резонанса – реакции атомных ядер на воздействие электромагнитными волнами в магнитном поле. Дает возможность получить трехмерное изображение любых тканей человеческого тела. Широко применяется в различных сферах медицины: гастроэнтерологии, пульмонологии, кардиологии, неврологии, отоларингологии, маммологии, гинекологии и т. д. Благодаря высокой информативности, безопасности и приемлемой цене МРТ в Москве занимает ведущие позиции в списке методик, используемых для диагностики заболеваний и патологических состояний различных органов и систем.

История исследования

Датой создания МРТ традиционно считают 1973 год, когда американский физик и радиолог П. Лотербур опубликовал статью, посвященную этой тематике. Однако история МРТ началась намного раньше. В 40-х годах ХХ американцы Ф. Блох и Р. Пурселл независимо друг от друга описали явление ядерно-магнитного резонанса. В начале 50-х оба ученых получили Нобелевскую премию за свои открытия в области физики. В 1960 году советский военный подал заявку на патент, в котором описывался аналог МРТ-аппарата, однако заявка была отклонена «за нереализуемостью».

После публикации статьи Лотербура МРТ начала бурно развиваться. Чуть позже П. Мэнсфилд провел работу по усовершенствованию алгоритмов получения изображения. В 1977 году американский ученый Р. Дамадьян создал первый прибор для МРТ-исследований и провел его испытания. В американских клиниках первые аппараты МРТ появились в 80-х годах прошлого века. К началу 90-х годов в мире насчитывалось уже около 6 тысяч таких приборов.

В настоящее время МРТ является медицинской методикой, без которой невозможно представить современную диагностику болезней органов брюшной полости, суставов, головного мозга, сосудов, позвоночника, спинного мозга, почек, забрюшинного пространства, женских половых органов и других анатомических структур. МРТ позволяет выявлять даже незначительные изменения, характерные для ранних стадий заболеваний, оценивать структуру органов, измерять скорость кровотока, определять активность различных отделов головного мозга, осуществлять точную локализацию патологических очагов и т. п.

Принципы визуализации

В основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса. Ядра химических элементов представляют собой своеобразные магниты, которые быстро вращаются вокруг своей оси. При попадании во внешнее магнитное поле оси вращения ядер определенным образом сдвигаются, ядра начинают вращаться в соответствии с направлением силовых линий этого поля. Это явление называется процессией. При облучении радиоволнами определенной частоты (совпадающей с частотой процессии) ядра поглощают энергию радиоволн.

При прекращении облучения ядра переходят в свое нормальное состояние, поглощенная энергия высвобождается, создавая электромагнитные колебания, регистрируемые при помощи специального прибора. Аппарат МРТ регистрирует энергию, высвобождаемую ядрами атомов водорода. Это позволяет выявлять любые изменения концентрации воды в тканях организма и, таким образом, получать изображения практически любых органов. Определенные ограничения при проведении МРТ возникают при попытке визуализировать ткани с незначительным содержанием воды (кости, бронхоальвеолярные структуры) – в подобных случаях изображения получаются недостаточно информативными.

Виды МРТ

С учетом исследуемой области можно выделить следующие разновидности МРТ:

• МРТ головы (головного мозга, гипофиза и околоносовых пазух).
• МРТ органов грудной клетки (легких и сердца).
• МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства (поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, почек, надпочечников и других органов, расположенных в данной области).
• МРТ органов малого таза (мочевыводящих путей, предстательной железы и женских половых органов).
• МРТ опорно-двигательного аппарата (позвоночника, костей и суставов).
• МРТ мягких тканей , в том числе – молочных желез, мягких тканей шеи (слюнных желез, щитовидной железы, гортани, лимфоузлов и других структур), мышц и жировой клетчатки различных областей человеческого тела.
• МРТ сосудов (сосудов головного мозга, сосудов конечностей, мезентериальных сосудов и лимфатической системы).
• МРТ всего тела . Обычно используется на этапе диагностического поиска при подозрении на метастатическое поражение различных органов и систем.

МРТ может проводиться как без использования, так и с использованием контрастного вещества. Кроме того, существуют специальные методики, позволяющие оценивать температуру тканей, движение внутриклеточной жидкости, функциональную активность участков головного мозга, отвечающих за речь, движения, зрение, память.

Показания

МРТ в Москве обычно применяют на заключительном этапе диагностики, после проведения рентгенографии и других диагностических исследований первой линии. МРТ используют для уточнения диагноза, дифференциальной диагностики, точной оценки тяжести и распространенности патологических изменений, подготовки плана консервативной терапии, определения необходимости и объема хирургического вмешательства, а также динамического наблюдения в процессе лечения и в отдаленном периоде.

МРТ головы назначают для изучения костей, поверхностных мягких тканей и внутричерепных структур. Методику применяют для выявления патологических изменений головного мозга, гипофиза, внутричерепных сосудов и нервов, ЛОР-органов, околоносовых пазух и мягких тканей головы. МРТ используется в процессе диагностики врожденных аномалий, воспалительных процессов, первичных и вторичных онкологических поражений, травматических повреждений, заболеваний внутреннего уха, патологии глаз и пр. Процедура может проводиться с контрастированием и без контрастирования.

МРТ органов грудной клетки применяют в ходе исследования структуры сердца, легких, трахеи, крупных сосудов и бронхов, плевральной полости, пищевода, вилочковой железы и лимфоузлов средостения. Показанием к МРТ являются поражения миокарда и перикарда, сосудистые расстройства, воспалительные процессы, кисты и опухоли органов грудной клетки и средостения. МРТ может проводиться с использованием или без использования контрастного препарата. Малоинформативна при исследовании альвеолярной ткани.

МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства назначают для изучения структуры поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, кишечника, селезенки, почек, надпочечников, мезентериальных сосудов, лимфоузлов и других структур. Показанием к проведению МРТ являются аномалии развития, воспалительные заболевания, травматические повреждения, желчнокаменная болезнь , мочекаменная болезнь , первичные опухоли, метастатические новообразования, другие заболевания и патологические состояния.

МРТ малого таза применяют при исследовании прямой кишки, мочеточников, мочевого пузыря, лимфоузлов, внутритазовой клетчатки, предстательной железы у мужчин, яичников, матки и маточных труб у женщин. Показанием к проведению исследования являются пороки развития, травматические повреждения, воспалительные заболевания, объемные процессы, камни в мочевом пузыре и мочеточниках. МРТ не предусматривает лучевой нагрузки на организм, поэтому может использоваться для диагностики болезней репродуктивной системы даже в период гестации.

МРТ опорно-двигательного аппарата назначают при изучении костных и хрящевых структур, мышц, связок, суставных капсул и синовиальных оболочек различных анатомических зон, в том числе – суставов, костей, определенного отдела позвоночного столба или всего позвоночника. МРТ позволяет диагностировать широкий спектр аномалий развития, травматических повреждений, дегенеративно-дистрофических заболеваний, а также доброкачественных и злокачественных поражений костей и суставов.

МРТ сосудов применяют при изучении сосудов головного мозга, периферических сосудов, сосудов, участвующих в кровоснабжении внутренних органов, а также лимфатической системы. МРТ показана при пороках развития, травматических повреждениях, острых и хронических нарушениях мозгового кровообращения, аневризмах, лимфедеме , тромбозе и атеросклеротическом поражении сосудов конечностей и внутренних органов.

Противопоказания

В качестве абсолютных противопоказаний к проведению МРТ в Москве рассматривают кардиостимуляторы и другие имплантированные электронные устройства, крупные металлические импланты и аппараты Илизарова. В список относительных противопоказаний к МРТ включают протезы сердечных клапанов, неметаллические импланты среднего уха, кохлеарные импланты, инсулиновые насосы и татуировки с использованием ферромагнитных красителей. Кроме того, относительными противопоказаниями к проведению МРТ являются первый триместр беременности, клаустрофобия , декомпенсированные болезни сердца, общее тяжелое состояние, двигательное возбуждение и неспособность больного выполнять указания врача, обусловленные нарушениями сознания или психическими расстройствами .

МРТ с контрастированием противопоказано при аллергии на контрастное вещество, хронической почечной недостаточности и анемии. МРТ с использованием контрастного вещества не назначают в период гестации. В период лактации пациентку просят заранее сцедить молоко и воздерживаться от кормления в течение 2 дней после проведения исследования (до окончания вывода контраста из организма). Наличие титановых имплантов не является противопоказанием для любых видов МРТ, поскольку титан не обладает ферромагнитными свойствами. Методику также можно использовать при наличии внутриматочной спирали.

Подготовка к МРТ

Большинство исследований не требуют специальной подготовки. В течение нескольких дней до проведения МРТ малого таза следует воздержаться от употребления газообразующих продуктов. Для уменьшения количества газа в кишечнике можно использовать активированный уголь и другие аналогичные препараты. Некоторым пациентам показана клизма или прием слабительных средств (по указанию врача). Незадолго до начала исследования необходимо опорожнить мочевой пузырь.

При проведении любых видов МРТ нужно предоставить врачу результаты других исследований (рентгенографии, УЗИ, КТ, лабораторных анализов). Перед началом МРТ следует снять с себя одежду с металлическими элементами и все металлические предметы: заколки, драгоценности, часы, зубные протезы и пр. При наличии металлических имплантов и вживленных электронных устройств необходимо сообщить специалисту об их виде и расположении.

Методика проведения

Пациента укладывают на специальный стол, задвигающийся в тоннель томографа. При МРТ с контрастированием в вену предварительно вводят контрастное вещество. На протяжении всего исследования больной может контактировать с врачом при помощи микрофона, установленного внутри томографа. При проведении процедуры аппарат МРТ создает незначительный шум. По окончании исследования пациента просят подождать, пока врач изучит полученные данные, поскольку в некоторых случаях для создания более полной картины могут потребоваться дополнительные снимки. Затем специалист готовит заключение и передает его лечащему врачу или выдает на руки больному.

Стоимость магнитно-резонансной томографии в Москве

Цена диагностической процедуры зависит от исследуемой области, необходимости контрастирования и применения специальных дополнительных методик, технических характеристик оборудования и некоторых других факторов. Наиболее существенное влияние на цену магнитно-резонансной томографии в Москве оказывает необходимость введения контраста – при использовании контрастного препарата суммарные расходы пациента могут увеличиваться почти вдвое. Стоимость сканирования также может колебаться в зависимости от организационно-правового статуса клиники (частная или государственная), уровня и репутации медицинского учреждения, квалификации специалиста.

МРТ получила начало, как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМР-сигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения. Метод зарекомендовал себя как исключительно информативный, и являясь относительно молодым постоянно развивается, открывая новые возможности.

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является методом отображения, который используется, главным образом, в медицинских установках, для получения высококачественных изображений органов человеческого тела. В основе метода лежат принципы ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, который используется ученными для получения сведений о химических и физических свойствах молекул. Но не смотря на свое основание, метод распространился под названием магнитно-резонансной томографии - МРТ, а не ядерно-магнитной резонансной томографии - ЯМРТ, и причиной тому послужили негативные ассоциации со словом "ядерный", возникшие в связи с трагической аварией на Чернобыльской АЭС в 1986 году. В то время термин ЯМР-томография был заменён на МРТ, так в новом термине исчезло указание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему вполне безболезненно влиться в повседневную медицинскую практику. Но несмотря на это изначальное название - ЯМРТ, также имеет место.

История развития МРТ

В 1946 году Феликс Блох из Стенфордского университета и Эдвард Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса. В 1952 году оба они были удостоены Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». В период с 1950 по 1970 годы, ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа. В 1972 году прошел клинические испытания первый компьютерный томограф (КТ) , основанный на рентгеновском излучении. Эта дата стала важной вехой в истории МРТ, так как показала, что медицинские учреждения были готовы тратить большие суммы денег на оборудование для визуализации.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год, когда профессор химии и радиологии из Нью-Йоркского университета Стони Брук - Пол Лотербур, опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса» в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ). Позже доктор Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. Оба они были удостоены Нобелевской премии за 2003 год в области физиологии и медицины за решающий вклад в изобретение и развитие метода магнитной резонансной томографии.

В 1975 году Ричард Эрнст предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования, метод, который используется в МРТ в настоящее время. В 1980 году Эдельштейн с сотрудниками, используя этот метод, продемонстрировали отображение человеческого тела. Для получения одного изображения требовалось приблизительно 5 минут. К 1986 году время отображения было снижено до 5 секунд без какой-либо значимой потери качества. В том же году был создан ЯМР-микроскоп, который позволял добиваться разрешения 10 mм на образцах размером в 1 см. В 1988 году Думоулин усовершенствовал МРТ-ангиографию, которая делала возможным отображение текущей крови без применения контрастирующих агентов. В 1989 году был представлен метод планарной томографии, который позволял захватывать изображения с видеочастотами (30 мс). Многие клиницисты считали, что этот метод найдет применение в динамической МР-томографии суставов, но вместо этого, он был использован для отображения участков мозга, ответственных за мыслительную и двигательную деятельность. В 1991 году Ричард Эрнст был удостоен Нобелевской премии по химии за достижения в области импульсных ЯМР и МРТ. В 1994 году исследователи Нью-Йоркского государственного университета в Стоуни Брок и Принстонского университета продемонстрировали отображение гиперполяризированного газа 129Xe для исследования процессов дыхания. 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.

Первые томографы для исследования тела человека появились в клиниках в 1980-1981 годах, а сегодня томография стала целой областью медицины. Магнитно-резонансный томограф (МРТ) – один из наиболее эффективных современных инструментов диагностики, позволяющий визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным неинвазивного исследования функции 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). По мнению многих ученых, именно появление КТ и МРТ послужило стимулом для невиданного прогресса современной медицины в последние годы.

Физические основы МРТ

Для построения любых изображений необходимо измерить и сопоставить интенсивность сигнала в каждой точке будущего изображения ее координатам (т.е. расположению на изображении) или, другими словами, определить распределение интенсивности этого сигнала в двумерном (2D) или трехмерном (3D) пространстве. При проведении магнитно-резонансной томографии (МРТ) изображения срезов организма получают, измеряя распределение сигнала ядер водорода 1 H (протонов). Протоны являются составной частью практически всех молекул организма человека и, прежде всего, молекул воды и жировой ткани. Молекулы воды в организме могут находиться в свободном состоянии (внеклеточная и внутриклеточная вода) и в связанном состоянии (с ионами, углеводами, белками и даже, за счет энтропийных сил, с липидами). В зависимости от того, в каком состоянии находятся молекулы воды, сигналы протонов при одних и тех же условиях измерения будут иметь разные магнитные характеристики, что и определит относительный контраст тканей на МРТ-изображении. Вся сложная система МР-томографа нужна для измерения этого собственного сигнала ядер водорда тканей, что принципиально отличает МРТ от основной массы других методов лучевой диагностики и предопределяет ее уникальное дифференциально-диагностическое значение.

В основе магнитно-резонасной томографии (МРТ) лежит явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ядер водорода. Протоны обладают спином и, соответственно, магнитным моментом, как любые движущиеся заряженные частицы. Наиболее наглядная модель протона - это стрелка компаса, которая также обладает магнитным моментом. Если компас поместить в магнитное поле Земли, то его стрелка начнет колебаться вокруг направления силовых линий этого поля. Тоже самое происходит и с протонами. Когда пациента помещают в однородное магнитное поле МР-томографа (в клинической практике его напряженность не должна превышать 3,0 Тл), то ядра водорода тканей организма взаимодействуют с магнитным полем прибора. В результате магнитные моменты или спины протонов ориентируются под определенным углом к направлению силовых линий магнитного поля (см. рис. 2.1.1-Б), подобно тому, как это происходит в магнитном поле Земли со стрелкой компаса, и начинают вращаться (прецессировать ) с частотой, которая, как и угол отклонения спинов от направления силовых линий магнитного поля a o , прямопропорциональна напряженности поля B o и называется частотой прецессии ,частотой Лармора или резонансной частотой (таблица 2.1.1). В результате весь образец намагничивается, то есть возникает суммарная намагниченность образца параллельная оси, направленной вдоль силовых линий магнитного поля (обычно ее обозначают как ось Z ), которую называют продольной намагниченностью .

Таблица 2.1.1. Частота прецессии ядер водорода 1 Н при различных напряженностях магнитного поля МРТ-систем.

Если, затем в зазор магнита подать радиочастотный импульс E 0 с частотой w , равной частоте Лармора (часто обозначаемой как резонансная частота w o ), то прецессирующие ядра водорода смогут поглотить энергию этого радиочастотного импульса, в результате чего угол отклонения a их магнитных моментов от направления силовых линий магнитного поля МР-томографа изменится, так как за счет этой поглощенной дополнительной энергии ядра приобретут способность противостоять воздействию магнитного поля прибора. В зависимости от длительности действия возбуждающего радиочастотного импульса угол отклонения спинов по отношению к первоначальному направлению Da может составлять, например, 90 о или 180 о: Такие радиочастотные импульсы назвают, соответственно, 90–градусными или 180-градусными. При этом суммарный вектор продольной намагниченности образца (по оси Z , направленной вдоль силовых линий магнитного поля) изменится (чаще – уменьшится) на величину, которая зависит от длительности действия радиочастотного импульса. Так как исходно (до помещения в магнитное поле томографа) магнитные моменты ядер водорода были направлены хаотически – в разные стороны (рис.2.1.1-А), то и после их попадания в магнитное поле (рис.2.1.1 АÒБ), спины хотя и вращаются по конусу, ориентированному по направлению силовых линий магнитного поля, но их прецессия осуществляется асинхронно (или некогерентно ), то есть с разной фазой f прецессии (рис.2.1.1-Б). В результате, в каждый момент времени для любого спина направленного в одну из сторон, имеется другой аналогичный спин с обратным (противоположным) направлением. Таким образом, суммарный вектор намагниченности образца в плоскости перпендикулярной оси Z , направленной вдоль силовых линий магнитного поля, обычно обозначаемой как плоскость XY , равен нулю (рис.2.1.1-Б).

Рисунок 2.1.1. Общая схема получения сигнала ядерного магнитного резонанса в виде спада свободной индукции (пояснения в тексте).

На следующем этапе образец с помощью передающей катушки облучают радиочастотным полем E 0 , частота которого (ее еще называют резонансной частотой МРТ-системы ) (рис.2.1.1 БÒВ) обычно составляет несколько дестятков мегагерц (табл. 2.1.1).

За счет действия радиочастотного импульса вращение всех спинов синхронизируется (становятся когерентными ), то есть их фаза f становится одинаковой f=f 0 , и в плоскости XY возникает суммарный сигнал магнитных моментов ядер водорода или поперечная суммарная намагниченность образца (рис.2.1.1-В). Если в просвете магнита размещена приемная радиочастотная катушка (радиоантена), способная измерить радиосигнал в этой плоскости, то вращение суммарного вектора намагниченности образца в плоскости XY вызовет возникновение в приемной катушке переменного тока, который и может быть зафиксирован. Измерение электрических колебаний после выключения возбуждающего радиочастотного имупльса таким приемным контуром фактически означает измерение сигнала ЯМР протонов тканей организма. Сам сигнал магнитного резонанса ядер водорода (его еще называют сигналом свободной индукции или ССИ (рис. 2.1.1-В) имеет затухающий характер, который отражает возвращение спиновой системы к исходному (до подачи возбуждающего радиочастотного импульса) состоянию, то есть происходит ЯМР-релаксация (рис.2.1.1 ВÒБ) магнитноактивных ядер: за счет рассеивания накопленной энергии в окружение спинов, называемое решеткой , к исходному значению возвращается угол отклонения спинов (спин-решеточная релаксация ) и нарушается взаимная синхронизация вращения спинов, то есть взаимоотношение между отдельными спинами (спин-спиновая релаксация ). Указанные процессы количественно характеризуются временами спин-решеточной Т 1 или спин-спиновой Т 2 релаксации , а точнее скоростями спин-решеточной W 1 или спин-спиновой W 2 релаксации . Времена релаксации в тканях зависят от температуры, подвижности ядер водорода (в жидкостях они длиннее, чем в мягких тканях) и от наличия парамагнитных или ферромагнитных релаксационных центров (чем больше концентрация таких парамагнитных или ферромагнитных веществ, тем короче вермена релаксации ядер водорода). Время спин-спиновой релаксации Т 2 кроме того зависит еще и от микрокружения протонов (рН, йонной силы раствора и т.д.), что делает эту характеристику протонов тканей более чувствительнойк развитию патологического процесса, чем время Т 1 . Отметим, что времена релаксации тканей организма человека зависят и от возраста. При миелинизации головного мозга человека в течение первого года жизни соотношение времен релаксации серого и белого вещества мозга меняется на обратное, которое и сохраняется затем в течение всей жизни (рис. 2.1.2): времена релаксации белого вещества головного мозга новорожденного больше, чем у серого, а уже в возрасте старше 1 года белое вещество головного мозга релаксирует быстрее.

Рисунок 2.1.2. Времена релаксации белого и серого вещества головного мозга в течение жизни человека уменьшаются. Обратить внимание стоит на «перекрест» уровней времен релаксации в первый год жизни.

Сами времена релаксации с возрастом уменьшаются, при этом содержание воды в головном мозге уменьшается с 93-95% сразу после рождения до 82-84% к концу второго года жизни.

Итак, резонансная частота всех ядер водорода объекта w o почти одинакова и прямопропорциональна величение напряженности магнитного поля B o . Если в этих условихя по одной из осей создать магнитное поле, напряженность которого будет линейно меняться вдоль этой оси, то частота прецессии протонов w будет линейно связана с их расположением (координатой) по выбранной оси. То есть будет осуществлено частотное пространственное кодирование положения точек по одной из осей (рис. 2.1.3). Такое линейное изменение магнитного поля создают наложением дополнительного градиентного магнитного поля G или, другими словами, включением градиента магнитного поля в определенном направлении.

Для того чтобы узнать резонансную частоту протонов w измеренный переменный ССИ (ЯМР-сигнал) обрабатывают, используя преобразование Фурье (Fourier Transformation или FT ). Фурье-преобразование позволяет выяснить конкретный вклад ядер с различными резонансными частотами в формировании полученного при измерении ЯМР-сигнала. В результате такой обработки вместо зависимости измеренной амплитуды затухающего ЯМР-сигнала от времени получается распределение вкладов (количества) магнитных ядер от их резонансной частоты. Такое распределение называется спектром ЯМР . Амплитуда пика (точнее площадь под кривой спектральной линии) прямопропорциональна концентрации ядер с данной частотой прецессии, а положение пика на спектре однозначно определяется частотой этой прецессии. Сами времена релаксации с возрастом уменьшаются, при этом содержание воды в головном мозге уменьшается с 93-95% сразу после рождения до 82-84% к концу второго года жизни.

Рисунок 2.1.3. Включение градиента магнитного поля G в направлении «голова-ноги» приводит к тому, что частота протонов каждого слоя (среза) по этому направлению отличается друг от друга на величину Dw пропорциональную величине изменения магнитного поля DG . Резонансная частота w o остается прежней только в одном слое. В результате, по резонансной частоте протонов слоя можно точно определить его расположение по направлению изменения напряженности магнитного поля, то есть его координату по этой оси.

Рисунок 2.1.4. При измерении ЯМР-сигнала трех одинаковых объектов, по-разному расположенных на оси X , в отсутствии градиента магнитного поля (А ) получаем однородный ЯМР-сигнал, который после Фурье-преобразования, даст одну спектральную линию (пик) большой апмлитуды (резонансная частота одна и та же у всех трех образцов). В присутствии градиента магнитного поля (Б ) каждый из образцов будет иметь свой пик (свою частоту) на спектре в соотвествии с их расположением вдоль оси X. А мплитуда каждого из пиков будет в три раза меньше, чем амплитуда большого пика на спектре до включения градиента.

Фактически пространственное частотное кодирование позволяет получить одну из «проекций» будущего изображения объекта, а точнее распределение ЯМР-сигнала по одной из осей трехмерного пространства за счет формирования ЯМР-спектра. Так, если разместить в постоянном магнитном поле три одинаковых пробирки с водой в ряд по оси X (рис. 2.1.4 - А), то на ЯМР-спектре будет получен один пик, содержащий ЯМР-сигналы всех трех пробирок, так как их резонансная частота будет одинакова. При создании линейного изменения магнитного поля по этой оси на ЯМР-спектре будут получены три пика, взаимное расположение которых будет однозначно отражать расположение пробирок по оси X (рис. 2.1.4 - Б). Таким образом, ЯМР-спектр будт представлять собой «проекцию» расположения пробирок по оси X .

Меняя направление градиента магнитного поля по всему трехмерному пространству можно получить целую серию таких «проекций» (рис.2.1.5), по которым (как в рентгеновской компьютерной томографии) можно восстановить изображение объектов (метод обратных проекций). Однако такая процедура потребует очень большого времени, так как в каждой из трех плоскостей необходимо будет получить множество проекций: надо пройти от 0 о до 180 о с шагом порядка 1-2 о, который, вообще говоря, будет зависить от заданного разрешения.

Рисунок 2.1.5. Получение ЯМР-спектров по двум осям X и Y (А) позволяет определить расположение объектов на плоскости XY . Многократное повторение этой процедуры по всем направлениям (Б) даст возможность определить форму исходных объектов.

В то же время включение градиента магнитного поля влияет не только на резонансную частоту ядер w , но и на их фазу f . За счет этого эффекта в присутствии градиента магнитного поля расфазировка спинов происходит гораздо быстрее, то есть спин-спиновая релаксация ускоряется. В то же время скорость изменения фазы спинов напрямую зависит от величины магнитного поля в данной точке, а это значит, что конкретная фаза спинов по направлению действия градиента магнитного поля зависит от их расположения в пространстве (рис.2.1.6).

Рисунок 2.1.6. В отсутствии градиента магнитного поля изменения фазы (А) незначительны. При постоянной продолжительности действия градиента магнитного поля, меняя его полярность (Б) или амплитуду (В), можно управлять величиной фазового угла.

В результате действия этого фазокодирующего градиента фазовый угол спинов содержит информацию о координатах ядер в пространстве по направлению его действия, а сама процедура может быть использована для фазового пространственного кодирования .

Таким образом, с помощью частотного и/или фазового пространственного кодирования можно однозначно сопоставить амплитуду ЯМР сигнала той или иной точки с ее координатами в пространстве.

Однако, измерение ССИ в условиях градиентных магнитных полей имеет определенные технические трудности, так как этот сигнал очень слабый и относительно быстро затухает (из-за ускоренной спин-спиновой релаксации). Для того, чтобы его измерить в этих условиях приходится повторно формировать этот сигнал при наличии градиетнов магнитных полей. Существуют два способа формирования такого сигнала: с помощью получения спинового эхо или формируя градиентное эхо.

Спиновое эхо формируется за счет включения через некоторое время t после подачи первого возбуждающего радиочастотного 90 о -импульса дополнительного 180 о -импульса, который «разворачивает» релаксирующие спины на 180 о, и они оказываются зеркально отраженными по отношению к плоскости XY (в эту плоскость спины поворачиваются после подачи 90 о -импульса), где через время t спины снова соберутся, формируя сигнал спинового эхо . При этом все влияние на релаксацию неоднородности магнитного поля нивелируется. Наиболее удачной аналогией поведения спинов может служить пример с бегунами (рис.2.1.7), которые после старта (возбуждающий 90 о -импульс) бегут с разной скоростью(скорость спин-спиновой релаксации и действие неоднородности поля).

Рисунок 2.1.7. Получение спинового эхо: все участники (спины) стартуют одновременно (после 90 о -импульса) и удаляются друг от дурга за счет разной скорости бега (спин-спиновой релаксации и неоднородности магнитного поля). «Собирающий» 180 о -импульс зеркально отражает участников забега относительно линии старта, и более быстрые бегуны догонят более медленных только на линии старта.

Однако после «зеркального отражения» («собирающий» 180 о -импульс) по отношению к линии старта (плоскость XY ) те из бегунов, которые были быстрее и убежали дальше, оказываются дальше от линии старта и догоняют более медленных. Учитывая, что все факторы, влиявшие на бег спортсменов при их старте, продолжают действовать в том же направлении и после «отражения», их действие на скорость бега нивелируется, и бегуны достигают линии старта одновременно.

Градиентное эхо получают резко меняя полярность градиента магнитного поля, в результате чего меняется на противоположное направление релаксации спинов, при этом быстро релаксирующие (из-за спин-спиновой релаксации и действия градиента и неоднородности магнитного поля) спины оказываются дальше от исходного положения, к которому из-за изменения направления стремятся спины. При этом воздействие градиентов и недонородности магнитного поля не только не нивелируется, но и дополнительно ускоряет поперченную релаксацию ядер. В уже приведенной аналогии с бегунами (рис. 2.1.8) после старта (возбуждающий радиочастоный импульс) расстояние между участниками забега увеличивается за счет разной скорости (скорость спин-спиновой релаксации и действие неоднородности магнитного поля).

Рисунок 2.1.8. Получение градиентного эхо: все участники (спины) стартуют одновременно (возбуждающий радиочастотный импульс) и удаляются друг от дурга за счет разной скорости бега (спин-спиновой релаксации и неоднородности магнитного поля). После разворота бегунов на месте (переключение знака градиента) более быстрые бегуны оказываются дальше от линии старта, чем медленные. В результате быстрые спортсмены догонят более медленных только на линии старта.

В некоторый момент (переключение полярности градиента) бегуны разворачиваются на месте и бегут обратно к линии старта, при этом более быстрые спортсмены оказываются позади более медленных и вынуждены их догонять. В этом случае «мешающие» бегу факторы действуют в разных направлениях и не нивелируются: например, если ветер до разворота дул в спину, то при беге в обратную сторону будет дуть в лицо. Благодаря изменению направления релаксации возбуждающий радиочастотный импульс при формировании градиентного эхо может быть меньше 90 о, что является необходимым условием при использовании спинового эхо. Радиочастотные импульсы и импульснный градиент магнитного поля включаются в определенном порядке, получившем название импульсной последовательности (ИП ). Время от одного возбуждающего радиочастотного импульса до другого (то есть от одного пакета импульсов до начала другого) называют временем повторения (Repetition Time или TR ). Время от начала релаксации спинов до максимального значения эхо-сигнала называют временем эхо (Echo Time или TE). При сравнении импульсных последовательностей спиновой эхо и градиентное эхо (рис. 2.1.9) обращает внимание, что за счет более быстрой релаксации градиентное эхо позволяет использовать более короткие времена TR и TE .

Рисунок 2.1.9. После подачи возбуждающего 90 о -импульса сигнал спинного эхо формируется через время TE за счет включения 180 о радиочастотного импульса (А ). При градиентном эхо источником формирования эхо-сигнала является изменение полярности градиента (Б ).

Независимо от выбранного способа получения эхо-сигнала для формирования полноценного изображения при магнитно-резонансной томографии (МРТ) необходимо получить информацию о распределении ЯМР-сигнала, который будет представлять собой тот или иной эхо-сигнал, в каждой точке трехмерного пространства. При 2D МРТ сначала возбуждают один срез (см. рис. 2.1.10), за счет подачи селективного возбуждающего радиочастотного импульса в присутствии срезвыбирающего градиента магнитного поля. Чем больше величина градиента магнитного поля, тем тоньше будет толщина среза и меньше соотношение сигнал/шум. Увеличение количества срезов увеличит и время исследования.

Рисунок 2.1.10. В результате включения селективного возбуждающего радиочастотного импульса с частотой w о в присутствии градиента магнитного поля G о в направлении «голова-ноги» протоны только одного среза будут формировать ЯМР-сигнал, так как только для этого среза имеется точное соответствие условиям магнитного резонанса – только его частота равна w о. Для измерения сигнала соседнего среза необходимо повторить процедуру, изменив величину градиента магнитного поля.

Рисунок 2.1.11. Для получения полноценного двумерного МРТ изображения используется подача трех импульсных градиентных магнитного поля в трех взаимно перпендикулярных направлениях:

А. Для возбуждения протонов выбранного среза совместно с возбуждающим 90 о радиочастотным импульсом с частотой w о включается импульсный срезвыбирающий градиент, создающий условия для ЯМР на частоте w о только в одном из срезов (отмечено стрелками). Затем, подавая в перепендикулярном друг другу направлении импульсные фазокодирующий и частотнокодирующий градиенты магнитного поля, измеряют ЯМР-сигнал каждой точки этого среза отдельно. Для этого измерения с помощью 180 о радиочастотного импульса и нового импульса срезвыбирающего градиента формируют сигнал спинового эхо, фиксация величины которого происходит в присутствии импульсного частотнокодирующего градиента магнитного поля.

Б. Двумерное распределение точек среза получают за счет одновременного включения в перепендикулярном друг другу направлениях фазокодирующего и частотнокодирующего градиентов магнитного поля, в результате чего каждая точка этого среза получает свой фазовый угол и частоту, однозначно определющих ее располжение в срезе.

После выбора среза в перпендикулярной плоскости подаются фазокодирующий (или подготавливакющий ) и частотнокодирующий (или считывающий ) градиенты (рис. 2.1.11-А), которые позволяют однозначно связать (закодировать) измеренные эхо-сигналы с их распределением в выбранном срезе. В результате действия фазокодирующего градиента протоны в выбранном срезе расположенные в разных строках или слоях имеют различный фазовый угол, а за счет частотнокодирующего градиента в перпендикулярном направлении (по длине этого «фазово-однородной» строчки) частота протонов линейно меняется в соответствии с величиной градиента (рис.2.1.11-Б). Для получения информации о всех строках среза необходимо повторять всю процедуру в зависимости от выбранной матрицы копления в направлении действия фазокодирующего градиента магнитного поля (например, при матрице МР-томограммы размерностью 256х256 точек или пиксел необходимо проведение 256 циклов для каждого среза), что существенно удлиняет время исследования. Но при этом, чем больше фазокодирующих циклов приходится проводить, тем выше будет отношение сигнал/шум.

Размерность матрицы копления по направлению частотнокодирующего градиента прямо не влияет на время исследования, но при ее увеличении уменьшается отношение сигнал/шум, что требует большего числа коплений, а значит и больешго времени. Вся полученная информация после двумерного преобразования Фурье представляется в виде ряда (в соответствии с выбранным количеством срезов) 2D томограмм. Кроме того, время копления очевидно зависит и от числа срезов, так как для получения изображений всех срезов процедуру следует повторить в соответствии с этим числом.

Применение лазеров в медицине.

Лазер применяется медицине в качестве скальпеля, рассекающего ткани без механического контакта. Глубоколежащие ткани не затрагиваются, исключается опасность инфицирования, разрезы бескровны. Диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран примерно в 2 раза. В офтальмологической хирургии – операции без вскрытия глазного яблока и анестезии – в точках фокусирования излучения получают тончайшие перфорационные отверстия.

Используется:

o Пункция лазерным лучом при ишемической болезни сердца

o Для уничтожения камней в почках и желчном пузыре за счет высокой плотности энергии импульсного лазера создается ударная волна, разрушающая камни

o Фоторадиационное воздействие на раковые клетки при онкологии. Воздействие лазера на опухоль приводит к фотохимической реакции с участием гематопорфирина и гибели раковых клеток. Здоровые клетки гематопорфирин не поглощают.

o Эндоскопическое вмешательство – нагревание биоткани за счет поглощения энергии лазерного излучения.

o При заживлении ран и язв.

_______________________________________________________________________________________

13. Электронный парамагнитный резонанс. ЭПР в медицине.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называется электромагнитным резонансом. Медико-биологическое применение ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов и в связи с этим прослеживание изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения. Исп-ся спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих молекул. Проводятся большие исследования биологических объектов методом ЭПР.

ЯМР – это избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное магнитной переориентацией магнитных моментов ядер. ЯМР можно наблюдать при выполнении условия лишь для свободных атомных ядер. В спектральных ЯМР различают 2 типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это наз-т ЯМР высокого разрешения.

Интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца.

ЯМР – интроскопия позволяет различить кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР – интроскопия позволяет различить изображения мягких тканей. ЯМР относят к радиоспектроскопии.