Физические основы магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Явление магнитного резонанса открыто в 1946 г. Ф.Блочем, Е.Пармелем, в 1952 г. они были удостоены Нобелевской премии в 1973 г. П.Раутенбург впервые показал возможность получения изображения с помощью магнитно резонансных радиосигналов, а в 1982р, были выполнены магнитно резонансные томограммы внутренних органов человека.

Принцип метода заключается в изменении положения и вращения протонов, которые являются магнитными диполями под воздействием сильного внешнего магнитного поля. Возникающие электромагнитные импульсы, которые возникают, и наведенная электродвижущая сила регистрируется и обрабатывается компьютером, на ее основе строится визуальное изображение.

Магнитно-резонансный томограф состоит из сверхсильного магнита, радиопреобразователя, приемной радиочастотной катушки, компьютера (ЭВМ) и консоли управления. Сверхпроводимость катушек достигается благодаря системе охлаждения инертными сжиженными газами (азот, гелий) до температуры -269°С (4°К).

Сила магнитного поля определяется в теслах (Т) или гауссах (1 Т = 10.000 гауссов). В клинической диагностике чаще всего используют магнитное поле от 0,1 до 1,5 Т. Магнитно-резонансная томография (МРТ) превышает по своими возможностями рентгеновскую компьютерную томографию. Это обусловлено тем, что КТ основывана на определении лишь электронной плотности, а МРТ - на четырех отдельных компонентах: протонной плотности, двух временах ослабление - Т1 и Т2 и скорости движения жидкости.

Большинство тканей человеческого организма в значительной мере содержат воду, в состав которой входят кислород и водород. Ядра водорода имеют один протон, который является магнитным диполем с южным и северным полюсами. Протон вращается вокруг своей оси, создавая слабый магнитный момент, который получил название спин. Диполи беспорядочно ориентированы в пространстве. Если человека помещают в постоянное магнитное поле магнитно-резонансного томографа, протоны ядер атомов водорода, как маленькие магниты, ориентируются вдоль направления силовых линий магнитного поля. Ось протона описывает фигуру конуса подобно волчку. Это своеобразное вращение называется процессией. Большая часть протонов с низким энергетическим уровенем, основой конуса (процессией) обращена на север, а меньшая часть протонов с более высоким энергетическим уровнем - в противоположную сторону, то есть на юг. На этом основании им дали соответственно названия параллельных и антипараллельных протонов. При этом в организме создается суммарный тканевый магнитный момент - М, который направлен параллельно к силовым линиям магнитного поля (см. рис..2.15 - 1,2,3,4).

Рис.2.15Схема образования тканевого магнитного момента (1,2,3,4) и его отклонение под влиянием внешнего магнитного импульса (5,6,7,8).

Для возбуждения резонанса протонов водорода нужно кроме сильного магнитного поля, создать слабое переменное поле, частота которого будет соответствовать частоте их процессий. Для этого из радиочастотного генератора МРТ импульс подают на катушку, которая окружает исследуемый участок тела. Поступление соответствующего радиочастотного импульса вызывает резонанс протонов. В результате резонанса магнитные моменты всех параллельных протонов начинают вращаться по часовой стрелке. При этом суммарная ось тканевого магнетизма-Mz отклоняется на определенный угол от направления силовых линий магнитного поля. Степень отклонения зависит от силы и времени действия радиочастотного импульса, поэтому последний определяют в градусах угла отклонения Mz от направления силовых линий магнитного поля. Во время паузы между повторными радиочастотными импульсами протоны, а соответственно и ось - Mz, начнут возвращаться к исходному положению, с разной скоростью, посылая МР импульсы разной силы, которые воспринимаются катушкой с наведением в ней электродвижущей силы и индукцией электрического тока (см. рис..2.15. - 5,6,7,8).

Для реконструкции изображения необходимо последовательное поступление определенного количества МР сигналов. С помощью вычисления силы импульсов строится визуальное изображение соответствующей области исследуемого объекта. Внешний вид МРТ см. рис..2.16. Магнитно-резонансные томограммы головного и спинного мозга см. рис..2.17.

Рис..2.16.

МРТ аппарат EXELART with Pianissimo, 1,5 T, Toshiba Corporation, Tokyo.

Рис..2.17.

Магнитно-резонансные томограммы: а) головы (Т1); б) поясничного отдела позвоночника (Т2).

В сложных для диагностики случаях применяют искусственное контрастирование магнетиками, 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 изменению контрастности.

Клиническое действие магнитного резонанса на пациентов и персонал, который занимается исследованием, минимальное, клинические проявления отсутствуют, потому противопоказания к исследованию ограничиваются лишь наличием ферромагнитного объекта в организме, который в случае проведения МРТ подвергается значительному влиянию магнитных сил с индукцией тока и термическим эффектом.