Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Магнитно-резонансная томография. Физические принципы. Основные методики.



МРТ основана на физическом явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), открытого в 1946 г. американскими физиками Ф. Блохом и Р. Перселлом, за что в 1952 г. они получили Нобелевскую премию. В 1973 г. Пауль Лаутербург впервые использовал ЯМР для получения изображения, а в 1982 г. впервые был представлен магнитнорезонансный томограф на Международном конгрессе радиологов в Париже, с этого времени метод и стали применять в медицине.

ЯМР состоит в том, что если ядра некоторых атомов (водорода, фтора, фосфора и др.) поместить в постоянное магнитное поле и воздействовать на них внешним переменным магнитным полем определён- ной частоты (радиочастоты), то происходит избирательное (резонансное) поглощение ядрами энергии электромагнитного поля, а затем возникнет резонансное выделение энергии в виде радиосигнала. Именно то, что тело человека состоит преимущественно из ядер водорода, и позволило использовать МРТ в медицине.

----

В 1946 г. группы исследователей в Стэндфордском и Гарвардском университетах независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Суть его 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 Феликс Блох и Уильям Э. Перселл в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии. Новый феномен вскоре научились использовать для спектрального анализа биологических структур (ЯМР-спектроскопия). В 1973 г. американский химик Пол Лотербур впервые показал возможность получать изображения с помощью ЯМР-сигналов: он представил изображение двух наполненных водой капиллярных трубочек. Первое послойное изображение человека на основе ЯМР было получено в 1977 г., а продемонстрировано в Париже на Международном конгрессе радиологов в 1982 г. Так родилась ядерно-магнитно-резонансная томография.

В 1986 г. вследствие возникшей у населения после Чернобыльской трагедии «радиофобии» по предложению Американской ассоциации радиологов ядерно- магнитно-резонансная томография была переименована в магнитно-резонансную томографию. В конце 90-х годов в результате бурного прогресса в компьютерных технологиях возникли новые направления использования этого метода в клинической практике: исследование сосудов, изучение перфузии и диффузии органов, построение трехмерной (3D) и четырехмерной (4D) графики, получение изображения всего тела, выполнение прижизненной спектроскопии и др. В связи с этим вместо термина «магнитно-резонансная томография» стали применять новый, более корректный тер мин — «.магнитно-резонансная визуализация» (MRI — Magnetic Resonance Imaging). Однако в России используют более привычный прежний термин — МРТ.

МРТ основана на явлении ядерно-магнитного резонанса атомов водорода. Если на тело, находящееся в постоянном магнитном поле, воздействовать внешним переменным электромагнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в состояния с более высокой энергией. Иными словами, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. После прекращения воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии.Ядра водорода, т. е. протоны, ведут себя как магнитные диполи. Вследствие вращения вокруг протона образуется магнитное поле, которое имеет магнитный момент, или спин. При помещении вращающегося протона в магнитное поле возникает его дополнительное вращение (прецессирование) по круговой конической поверхности наподобие оси вращающегося волчка (рис. 90). Частота прецессии протона (она называется резонансной, или ларморовой, частотой по имени ирландского физика и математика Джозефа Лармора) определяется величиной приложенного магнитного поля. Так, в магнитном поле напряженностью 1 Тл (тесла) резонансная частота протона равна 42,57 МГц. Именно на этой частоте при воздействии электромагнитного поля данной напряженности возникает явление ядерно-магнитного резонанса. В обычном состоянии спины протонов, находящихся в теле пациента, направлены в разные стороны — хаотично (рис. 91, а). При помещении пациента в магнитное поле спины протонов выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. При этом часть из них располагается в северном направлении, другая часть ориентируется в южном. Преобладанием спинов, расположенных в одном направлении, создает магнитный момент М (рис. 91, б). Обычно дополнительное радиочастотное поле действует в виде импульса, который поворачивает протон на 90° или 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии.

Каждый элемент объема исследуемого объекта, т. е. каждый воксель, 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, типы релаксации Т1 и Т2. Т1 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 продолжительности Т1 и Т2, то она зависит от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.). В образовании МР-изображения участвуют также два других фактора — частота и последовательность радиочастотных импульсов. При этом выделяют два параметр: Т, — время отклика на радиочастотный импульс, или спин-эхо, и TR — время повтора радиочастотных импульсов, или инверсия восстановления.

Система для выполнения магнитно-резонансной томографии состоит из сильного магнита, создающего статическое магнитное поле. Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент (рис.92). Стол для пациента имеет автоматическую систему управления движением в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Для радиоволнового возбуждения ядер водорода дополнительно устанавливают радиочастотные катушки, которые одновременно служат для приема сигнала релаксации.Современные радиочастотные катушки являются матричными и многоканальными (до 128 каналов) (рис. 94), что позволяет собирать информацию одновременно с большой поверх­ ности и получать изображение всего тела пациента или, при использовании болюсного контрастирования, всей сосудистой системы. С помощью градиентных магнитов накладывается дополнительное переменное магнитное поле, которое служит для кодирования МР-сигнала, в частности оно задает уровень и толщину выделяемого слоя.

В зависимости от напряженности статического магнитного поля выделяют следующие категории МР-томографов: приборы с ультраслабым полем — ниже 0,1 Тл, низкопольные — от 0,1 до 0,5 Тл, сильнопольные — до 1,5 Тл, сверхсильнопольные — выше 1,5 Тл. В последних моделях МР-томографов (пока еще эеспериментальных) напряженность магнитного поля достигает 13 Тл (!). Аппараты с напряженностью поля ниже 0,5 Тл, как правило, имеют в основе резистивные магниты, эти аппараты небольших размеров, что позволяет разместить их примерно в таком же помещении, как обычный рентгеновский кабинет. Аппараты с напряженностью поля 0,5 Тл и выше создают на основе сверхпроводящих магнитов, работающих в условиях глубокого охлаждения жидким гелием. Добавим, что к размещению высокопольного магнитно-резонансного томографа в лечебном учреждении предъявляются очень строгие требования. Необходимы отдельные помещения, тщательно экранированные от внешних магнитных и радиочастотных полей. Обычно процедурный кабинет, где находится МР-томограф, заключен в металлическую сетчатую клетку (клетка Фарадея), поверх которой нанесен отделочный материал. Доступ в этот кабинет строго ограничен. Медицинский и обслуживающий персонал проходит специальный инструктаж.

Характер изображений, получаемых при магнитно-резонансной томографии, определяется тремя факторами: плотностью протонов, т. е. концентрацией ядер водорода, продолжительностью продольной релаксации — T1 (спин-решетчатая) и поперечной релаксации — Т2 (спин-спиновая). При этом основной вклад в создание изображения вносит анализ продолжительности релаксации, а не плотности протонов. Так, серое и белое вещества головного мозга по концентрации воды различаются всего на 10 %, в то время как по продолжительности релаксации протонов в них — в 1,5 раза. На изображение влияют также параметры Тl и ТR .

Существует несколько способов получения магнитно-резонансных томограмм.

T1 -взвешенное изображение — первый тип стандартной базовой томограммы (рис. 95, а). Она основана на регистрации продолжительности спин-решетчатой релаксации с использованием градиентной эхо-последовательности с короткими ТЕ и TR и служит в основном для дифференциации жировой ткани от жидкости. Непродолжительность повтора при этом виде релаксации позволяет собрать большое количество информации, что обеспечивает качественное построение изображений в форматах 3D и 4D. Различные ткани (серое и белое вещества головного мозга, цереброспинальная жидкость, опухолевая ткань, хрящи, мышцы и т. д.) имеют в своем составе протоны с разной продолжительностью релаксации Т1, от которой зависит величина МР-сигнала: чем короче Т1, тем сильнее МР-сигнал и светлее данная область изображения на дисплее. Жировая ткань на МРТ белая, менее светлое изображение дают головной и спинной мозг, плотные внутренние органы, сосудистые стенки и мышцы.

Воздух, кости, кальцификаты практически не дают МР-сигнала, поэтому их изображения черного цвета. Продолжительность Т1 мозговой ткани также неоднородная: у белого и серого вещества она разная. Продолжительность Т1 опухолевой ткани отличается от таковой нормальной одноименной ткани. Указанные различия в продолжительности релаксации Т1 создают предпосылки для визуализации нормальных и патологически измененных тканей на магнитно-резонансных томограммах.

Т2-взвешенное изображение — второй тип стандартной базовой томограммы (рис. 95, б). Оно основано на спин-спиновой релаксации с использованием спин-эховой последовательности с длинными ТЕ и TR. Интенсивность ответного сигнала зависит от продолжительности Т2: чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения экрана. Т2- взвешенное изображение, так же как и Т1-взвешенное, служит для разграничения жировой ткани и воды, но на томограммах этого типа изображение жировой ткани темное, а воды — светлое. Данный вид томогра­ фии особенно эффективен в диагностике отека головного мозга. Как вариант существует изображение Т2* (T2star — звезда), предназначенное для визуализации венозного кровотока.

Магнитно-взвешенное изображение является программным развитием предыдущих изображений. Оно предназначено для выявления мелких, в основном сосудистых, реже опухолевых образований в головном мозге (рис. 95, в). Метод был разработан компанией «Siemens» в 2003 г.Магнитно-резонансная томография высокого разрешения дает возможность с помощью специальных программ получить изображение мелких деталей (рис. 96).

Спин-взвешенное изображение отражает плотность протонов. Его получают при регистрации электромагнитного отклика с коротким ТЕ и длинным TR; используют редко, только как дополнение к Т1- и Т2- взвешенным изображениям.

Быстро развивается метод получения диффузионно-взвешенных магнитно-резонансных изображений. Он позволяет регистрировать характер броуновского движения молекул воды во внеклеточном, внутриклеточном и внутрисосудистом пространствах и измерять коэффициент диффузии — КД (ADC — Apparent Diffusion Coefficient).

Диффузионная магнитно-резонансная томография отражает диффузию молекул воды в биологических тканях. Она основана на анализе перехода тока жидкости из изотропного (линейный) в анизотропный (вихревой) и позволяет количественно оценить движение воды через мембрану клеток. Диффузионную магнитно-резонансную томографию часто используют для диагностики инсульта на ранних фазах его развития (уже через 5—10 мин после его начала). Методика исследования проста, введения контрастных веществ не требуется.

Перфузионная магнитно-резонансная томография позволяет оценить состояние капиллярного кровотока. Она исключительно информативна при определении нарушения мозгового кровотока (рис. 97).

Функциональная магнитно-резонансная томография основана на регистрации насыщения гемоглобина крови кислородом. При активизации функции нервных клеток увеличивается поглощение ими кислорода, что находит отображение на МРТ.

Цветовое картирование функциональных МРТ позволяет получить изображение функциональных зон головного мозга, например двигательной или речевой (рис. 98).

Магнитно-резонансную трактографию используют для визуализации проводящих путей головного мозга в протоколе изображения в формате 2D (рис. 99) и нервных пучков в протоколе изображения в формате 3D (рис. 100).

Магнитно-резонансная ангиография дает возможность получать изображение кровеносного русла головного мозга (рис. 101), шеи, брюшной полости и конечностей. МР-кардиография (рис. 102) имеет исключительно высокую ценность в кардиологии и часто является «золотым стандартом» диагностики.

С помощью специальных алгоритмов и подбора радиочастотных импульсов современные высокопольные магнитно-резонансные томографы позволяют получать двухмерное и трехмерное (объемное) изображения сердца и сосудистого русла. Крупные сосуды и их разветвления среднего калибра удается достаточно четко визуализировать на магнитно-резонансных томограммах без дополнительного введения контрастного вещества. Разработаны ультравысокоскоростные МР-томографы, позволяющие наблюдать движение сердца и крови в его полостях и сосудах и получать матрицы повышенной разрешающей способности для визуализации очень тонких слоев. Существенную помощь в диагностике ряда заболеваний оказывает магнитно-резонансное исследование, выполняемое в режиме реального времени.

Для улучшения визуализации сосудов и тканей при магнитно-резонансной томографии можно применять искусственное контрастирование. С этой целью используют парамагнетики на основе элемента гадолиния (Gd) — гадовист, магневист, которые изменяют продолжительность релаксации воды и тем самым усиливают контрастность изображения на МРТ.

На магнитно-резонансных томограммах лучше, чем на рентгеновских компьютерных томограммах, отображаются мягкие ткани: мышцы, хрящи, жировые прослойки. Использование магнитно-резонансных томографов с многоканальными радиочастотными катушками и широкопольными градиентными магнитами позволяет получать изображение всего тела (рис. 103).

Магнитно-резонансная спектроскопия дает возможность оценить уровень метаболизма в тканях. Метод основан на различной релаксации протонов в исследуемом объеме в зависимости от молекулярной структуры окружающей ткани. При этом возникает возможность определить концентрацию метаболитов (рис. 104) и pH ткани в заранее заданной «зоне интереса». Подобные исследования могут быть выполнены только на аппаратах с напряженностью магнитного поля 3 Тл и выше. Мультимодальные («сплавленные») изображения являются вершиной современной функциональной визуализации. Обычно «склеивают» два изображения — МРТ и ПЭТ (рис. 105). На подобных томограммах удается «привязать» нормальные и патологически функционирующие структуры к анатомическим ориентирам и, кроме того, проникнуть в глубокие тайны метаболического изображения.

Все современные МР-томографы оснащены клиническими и технологическими программными приложениями. Главными из них являются пакеты для исследования мозга (головного и спинного), костно-суставной системы, сердца и сосудов. Имеются технологии по автоматизации настройки аппарата на заранее заданные клинические задачи, технологии «интегрированного панорамного массива», позволяющие исследовать отдельные объемы тела пациента по заданным алгоритмам, и др. Заслуживает внимания недавно разработанная компанией «Siemens» технология in line. Она позволяет уже на первом этапе сбора диагностической информации осуществить ее компьютерную предпроцессорную обработку соответственно задачам исследования и тем самым значительно уменьшить продолжительность и облегчить проведение диагностической процедуры в целом.

На современном уровне развития клинической медицины МРТ применяют практически во всех ее разделах: неврологии, травматологии, терапии, кардиологии, нейрохирургии, педиатрии, онкологии и др. (рис. 106; 107). В зависимости от плоскости получаемого изображения различают коронарные, фронтальные и сагиттальные реконструкции, а также в формате 3D. Перспективным направлением является использование магнитно-резонансной томографии для выполнения интервенционных вмешательств. Для этих целей изготавливают специальный хирургический инструментарий из немагнитных материалов.

Нельзя не отметить появление публикаций об использовании МРТ для исследования трупов в патолого-анатомических отделениях. Подобное посмертное исследование с помощью этого метода (как и с помощью рентгеновской компьютерной томографии) получило название «добродетельная томография».

Важным направлением магнитно-резонансной диагностики является использование ее возможностей в распознавании таких социально значимых заболеваний, как остеоартроз (его выявляют у 8—10 % населения) и цирроз печени (ежегодно в разных странах от него умирают 14—30 человек на 100 000 населения). Новые компьютерные программы сбора информации при магнитно-резонансной томографии позволяют получить так называемое биохимическое (макромолекулярное) МР-изображение. Оно дает возможность визуализировать потерю протеогликина — основного составляющего вещества матрикса хряща (рис. 108) и тем самым диагностировать остеоартроз на самых ранних стадиях развития. С помощью другого метода — магнитно-резонансной эластографии (рис. 109) — можно оценить потерю эластичности печеночной ткани на ранних стадиях развития цирроза печени.

При направлении больного на магнитно-резонансное исследование необходимо учитывать некоторые ограничения в применении этого метода. В частности, абсолютными противопоказаниями к его выполнению является наличие в организме человека кардиостимуляторов, ферромагнитных или электронных имплантатов среднего уха, металлических штифтов (кроме титановых, которые неферромагнитны и поэтому неопасны), аппаратов Илизарова, кровоостанавливающих клипс сосудов головного мозга, металлических осколков в глазнице и глазном яблоке. В настоящее время многие металлические устройства, имплантируемые в тело пациента (стенты, кава-фильтры), маркированы как «МР- совместимые» или «МР-несовместимые». Выполнение магнитно-резонансной томографии у таких больных может привести к трагическим результатам, даже смер ти. Относительными противопоказаниями являются имплантированные инсулиновые насосы, неферромагнитные имплантаты внутреннего уха, стенты, кровоостанавливающие внемозговые клипсы, протезы клапанов сердца, татуировки из металлосодержащей краски, некоторые экспандеры для молочных желез, а также I триместр беременности. Применительно к имплантированным объектам необходимо иметь точный перечень их конкретных производителей и марок, которые могут оказаться несовместимыми с магнитно-резонансной томографией. Как и в радиационной зоне отделения лучевой диагностики, в отделении магнитно-резонансной томографии на оборудовании должны быть установлены сигнальные знаки совместимости предметов:

-МРТ-несовместимые

-МРТ-условно-совместимые

-МРТ-совместимые

 

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-04-11; Просмотров: 582; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.022 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь