Магнитно ядерный резонанс в медицине. Ядерно-магнитный резонанс

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.

Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) – нерентгенологический метод исследования внутренних органов и тканей человека. Здесь не используются Х-лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей.

Как проводится исследование

Технология МРТ достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электро-магнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Молекулы в организме при этом разворачиваются согласно направлению магнитного поля. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического процесса в разных плоскостях.

Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20-30 минут).

Метод был назван магнитно-резонансной томографией , а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. 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 особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Преимущества магнитно-резонансной томографии

В настоящее время о вреде магнитного поля ничего не известно. Однако большинство ученых считают, что в условиях, когда нет данных о его полной безопасности, подобным исследованиям не следует подвергать беременных женщин. По этим причинам, а также в связи с высокой стоимостью и малой доступностью оборудования компьютерная и ЯМР томографии назначаются по строгим показаниях в случаях спорного диагноза или безрезультатности других методов исследований. МРТ не может также проводиться у тех людей, в организме которых находятся различные металлические конструкции – искусственные суставы, водители ритма сердца, дефибрилляторы, ортопедические конструкции, удерживающие кости и т.п.

Как и другие методы исследования, компьютерную и магнитно-резонансную томографию назначает только врач. Далеко не во всех медицинских учреждениях проводятся эти исследования, поэтому при необходимости постарайтесь обратиться в диагностический центр.

МРТ – магнитно-резонансная томография – это современный, безопасный (без ионизирующего излучения) и надёжный метод лучевой диагностики . МРТ является уникальным и практически не имеющим аналогов исследованием для диагностики заболеваний центральной нервной системы, позвоночника, мышечно – суставной системы и ряда внутренних органов.

Специальной подготовки к исследованию не требуется, за исключением обследования органов малого таза, когда требуется наполненный мочевой пузырь. Во время исследования пациент в горизонтальном положении помещается в узкий тоннель (трубу) с сильным магнитный полем приблизительно на 15 – 20 минут, в зависимости от вида исследования. Пациент должен сохранять полную неподвижность исследуемой анатомической области. Процедура МРТ безболезненна, однако сопровождается сильным шумом. Для уменьшения дискомфорта вам будут предложены наушники.

Так же возможен психологический дискомфорт из-за нахождения в замкнутом пространстве. Сопровождающие лица могут находиться в помещении МРТ (магнитно-резонансной томографии) с пациентом при условии отсутствия у них противопоказаний к нахождению в магнитном поле и после подписания информационного согласия на каждое лицо, находящегося в области магнитного излучения.

Магнитно-резонансная томография - МРТ - до и после.

Перед проведением МРТ исследования необходимо заполнить анкету, которая позволяет выявить наличие противопоказаний к процедуре. Противопоказаниями к проведению МРТ исследования являются: наличие у пациента кардиостимуляторов (водителей ритма сердца), слуховых аппаратов и имплантов неустановленного происхождения; неадекватное поведение больного (психомоторное возбуждение, паническая атака), состояние алкогольного или наркотического опьянения, клаустрофобия (боязнь и выраженный дискомфорт при нахождении в замкнутых пространствах), невозможность сохранять неподвижность в течение всего исследования (например, вследствие сильной боли или неадекватного поведения), необходимость постоянного мониторинга жизненно-важных показателей (ЭКГ, артериальное давление, частота дыхания) и проведения постоянных реанимационных мероприятий (например, искусственного дыхания).

При наличии в анамнезе хирургических операций и инородных тел (имплантов) необходим сертификат на вживлённый материал или справка от лечащего врача, выполнявшего оперативное вмешательство (вживление) о безопасности проведения МРТ исследования с данным материалом. Информация для пациентов женского пола: менструация, наличие внутриматочной спирали, а так же кормление грудью не являются противопоказаниями для исследования. Беременность рассматривается как относительное противопоказание, в связи, с чем требуется заключение врача-гинеколога о возможности проведения МРТ исследования. Окончательное решение об отказе пациенту от проведения МРТ исследования принимает непосредственно перед исследованием дежурный врач-рентгенолог МРТ.

В связи с наличием сильного магнитного поля в помещение МРТ запрещается провоз каталок для лежачих пациентов, кресел-каталок, вспомогательных устройств, для передвижения (костыли, трости, рамки), содержащих металлические компоненты. Личные вещи, украшения и ценности, одежда, содержащая металл и электромагнитные устройства не допускаются в комнату МРТ сканирования и могут быть оставлены в сейфе в помещении управления МРТ.
Магнитно-резонансная томография безвредна!

Пациенту необходимо знать, что магнито-резонансная томография, как исследование, обладает определёнными диагностическими пределами, а так же возможной ограниченной чувствительностью и специфичностью в диагностике патологических процессов. В связи с этим, а так же при наличии сомнений в целесообразности проведения исследования рекомендуется проконсультироваться с лечащим врачом или врачом МРТ. Решение о проведении МРТ исследования и выборе анатомической области исследования принимает сам пациент на основании направления от лечащего врача или по собственной инициативе. Перед проведением МРТ исследования пациент самостоятельно указывает анатомическую область исследования в письменной форме, тем самым, подтверждая необходимость исследования данной области. После проведения МРТ исследования претензии не принимаются, и оплата за МРТ исследование не возвращается.

В ряде случаев возникает диагностическая необходимость проведения МРТ исследования с внутривенным контрастным усилением. Данные исследования проводятся только по направлению лечащего врача или врача МРТ. Введение контрастного препарата содержит минимальный риск побочных реакций. Пациенту будет предложено заполнить дополнительную анкету – лист информационного согласия на внутривенное введение контрастного препарата. Противопоказаниями к проведению внутреннего контрастного усиления является беременность, кормление грудью, ранее выявленная повышенная чувствительность к препаратам данной группы, а так же почечная недостаточность.

Для повышения диагностической эффективности МРТ исследований пациентам рекомендуется приносить с собой данные предыдущих МРТ исследований, других методов лучевой, лабораторной или функциональной диагностики, а так же амбулаторные карты или направления от лечащих врачей с указанием области и цели исследования.
Наш центр оснащен магнитно-резонансным томографом Magnetom Harmony компании Siemens

В нашем центре проводятся МРТ исследования головного мозга (головы), позвоночника, суставов и всего тела. В нашей клинике установлен Магнитно-резонансный томограф на основе использования сверхпроводящего магнита с напряженностью поля 1.0 Тл.

Кроткий дизайн магнита (всего 160 см, включая кожух) и передне-фронтальный доступ к пациенту для обеспечения комфорта пациента, значительно снижая проблему клаустрофобии.

Набор высокопроизводительных градиентов (20 мТл/м со скоростью нарастания 50 Тл/м/сек, 30 мТл/м при 75 Тл/м/сек и 30 мТл/м при 125 Тл/м/сек по каждой из x, y, z осей), циркулярно-поляризованная технология мультиэлементных радиочастотных катушек, объединенных в единый виртуальный массив для их панорамного использования, и новейшие уникальные импульсные последовательности в их клинически ориентированной вариации (TrueFisp, VIBE, HASTE, EPI, PSIF-Diffusion и пр.) для проведения всевозможных рутинных и скоростных обследований как на задержке дыхания, так и без нее (нейро: голова и отделы позвоночника, ортопедия, абдоминальные, ангиографические и кардиологические обследования), но и протонную спектроскопию, функциональные исследования головного мозга и пр.

Сканер с технологией Maestro Class , позволяющей обеспечить интеллектуальность и экспертность МРТ (магнитно-резонансная томография) обследований (Inline обработка и коррекци я смещений в процессе сбора данных 1D, 2D, 3D PACE) и увеличить дополнительно скорость сбора данных с использованием iPAT технологии до 2-3-х раз. Как следствие, Maestro Сlass расширяет возможности существующих приложений и открывает новые.

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.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из современных методов лучевой диагностики, позволяющим неинвазивно получать изображения внутренних структур тела человека.

Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом "ядерный" в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул.

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.

Преимущества МРТ

Важнейшим преимуществом МРТ по сравнению с другими методами лучевой диагностики является :
отсутствие ионизирующего излучения и как следствие эффектов канцеро- и мутагенеза, с риском возникновения которых сопряжено (хотя и в очень незначительной степени) воздействие рентгеновского излучения.
МРТ позволяет проводить исследование в любых плоскостях с учетом анатомических особенностей тела пациента, а при необходимости – получать трехмерные изображения для точной оценки взаиморасположения различных структур.
МРТ обладает высокой мягкотканной контрастностью и позволяет выявлять и характеризовать патологические процессы, развивающиеся в различных органах и тканях тела человека.
МРТ является единственным методом неинвазивной диагностики, обладающим высокой чувствительностью и специфичностью при выявлении отека и инфильтрации костной ткани.
развитие МР-спектроскопии и диффузионной МРТ, а также создание новых органотропных контрастных препаратов является основой развития “молекулярной визуализации” и позволяет проводить гистохимические исследовании in vivo.
МРТ лучше визуализирует некоторые структуры головного и спинного мозга, а также другие нервные структуры, в связи с этим она чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований нервной системы, а также в онкологии, когда необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса

Физические основы МРТ

В основе МРТ лежит феномен ядерно-магнитного резонанса , открытый в 1946г. физиками Ф.Блохом и Э.Перселлом (Нобелевская премия по физике, 1952г.). Суть этого феномена состоит в способности ядер некоторых элементов, находящихся под воздействием статического магнитного поля, принимать энергию радиочастотного импульса. В 1973г. американский ученый П.Лотербур предложил дополнить феномен ядерно-магнитного резонанса наложением градиентных магнитных полей для пространственной локализации сигнала. С помощью протокола реконструкции изображений, использовавшегося в то время при проведении компьютерной томографии (КТ), ему удалось получить первую МР-томограмму. В последующие годы МРТ претерпела целый ряд качественных преобразований, став в настоящее время наиболее сложной и многообразной методикой лучевой диагностики. Принцип МРТ позволяет получать сигнал от любых ядер в теле человека, но наибольшей клинической значимостью обладает оценка распределения протонов, входящих в состав биоорганических соединений, что определяет высокую мягкотканную контрастность метода, т.е. обследовать внутренние органы.

Теоретически любые атомы, содержащие нечетное число протонов и/или нейтронов, обладают магнитными свойствами. Находясь в магнитном поле, они ориентируются вдоль его линий. В случае приложения внешнего переменного электромагнитного поля, атомы фактически являющиеся диполями, выстраиваются по новым линиям электромагнитного поля. При перестройки вдоль новых силовых линий ядра генерируют электромагнитный сигнал, который можно зарегистрировать приемной катушкой.

В фазу исчезновения магнитного поля, ядра-диполи возвращаются в первоначальное положение, при этом скорость возвращения в первоначальное положение определяется двумя временными константами, Т1 и Т2:
Т1 – это продольное (спин-решетковое) время, отражающее скорость потери энергии возбужденными ядрами
Т2 – это поперечное релаксационное время, зависящее от скорости, с которой возбужденные ядра обмениваются энергией друг с другом

Получаемый от тканей сигнал зависит от числа протонов (протоновой плотности) и значений Т1 и Т2. Применяемые при МРТ пульсовые последовательности предназначены для лучшего использования различий тканей по Т1 и Т2 с целью создания максимального контраста между тканями в норме и патологии.

МРТ позволяет получать большое количество типов изображений, используя пульсовые последовательности с различными временными характеристиками электромагнитных импульсов.

Пульсовые интервалы строят таким образом, чтобы сильнее подчеркивать различия в Т1 и Т2. Наиболее часто используют последовательности «инверсия восстановления» (IR) и «спиновое эхо» (SE) , которые зависят от протонной плотности.

Основным техническим параметром, определяющим диагностические возможности МРТ , является напряженность магнитного поля , измеряемая в Т (тесла). Высокопольные томографы (от 1 до 3 Т) позволяют проводить наиболее широкий спектр исследований всех областей тела человека, включающий функциональные исследования, ангиографию, быструю томографию. Томографы этого уровня являются высокотехнологичными комплексами, требующими постоянного технического контроля и крупных финансовых затрат .

Напротив, низкопольные томографы обычно являются экономичными, компактными и менее требовательными с технической и эксплуатационной точек зрения. Однако возможности визуализации мелких структур на низкопольных томографах ограничены более низким пространственным разрешением, а спектр обследуемых анатомических областей преимущественно ограничен головным и спинным мозгом, крупными суставами.

Обследование одной анатомической области методом МРТ включает выполнение нескольких так называемых импульсных последовательностей. Различные импульсные последовательности позволяют получить специфические характеристики тканей человека, оценить относительное содержание жидкости, жира, белковых структур или парамагнитных элементов (железо, медь, марганец и др.).
Стандартные протоколы МРТ включают в себя Т1-взвешенные изображения (чувствительные к наличию жира или крови) и Т2-взвешенные изображения (чувствительные к отеку и инфильтрации) в двух-трех плоскостях.

Структуры, практически не содержащие протонов (кортикальная кость, кальцификаты, фиброзно-хрящевая ткань), а также артериальный кровоток имеют низкую интенсивность сигнала и на Т1-, и на Т2-взвешенных изображениях.

Время проведения исследования обычно составляет от 20 до 40 мин в зависимости от анатомической области и клинической ситуации.

Точность диагностики и характеризации гиперваскулярных процессов (опухоли, воспаление, сосудистые мальформации) может быть существенно повышена при использовании внутривенного контрастного усиления . Многие патологические процессы (например, мелкие опухоли головного мозга) часто не выявляются без внутривенного контрастирования.

Основой для создания МР-контрастных препаратов стал редкоземельный металл гадолиний (препарат – магневист ). В чистом виде данный металл обладает высокой токсичностью, однако в форме хелата становится практически безопасным (в том числе отсутствует нефротоксичность). Побочные реакции возникают крайне редко (менее 1% случаев) и обычно имеют легкую степень выраженности (тошнота, головная боль, жжение в месте инъекции, парестезии, головокружение, сыпь). При почечной недостаточности частота побочных эффектов не увеличивается.
Введение МР-контрастных препаратов при беременности не рекомендуется, так как неизвестна скорость клиренса из амниотической жидкости.

Разработаны и другие классы контрастных агнетов для МРТ, в том числе – органспецифические и внутрисосудистые .

Ограничения и недостатки МРТ

Большая продолжительность исследования (от 20 до 40 мин)
обязательным условием получения качественных изображений является спокойное и неподвижное состояние пациента, что определяет необходимость седации у беспокойных пациентов или применения анальгетиков у пациентов с выраженным болевым синдромом
необходимость пребывания пациента в неудобном, нефизиологичном положении при некоторых специальных укладках (например, при исследовании плечевого сустава у крупных пациентов)
боязнь замкнутого пространства (клаустрофобия) может быть непреодолимым препятствием для проведения обследования
технические ограничения, связанные с нагрузкой на стол томографа, при обследовании пациентов с избыточной массой тела (обычно более 130 кг).
ограничением к проведению исследования может оказаться окружность талии, несовместимая с диаметром туннеля томографа (за исключением проведения обследования на томографах открытого типа с низкой напряженностью магнитного поля)
невозможность достоверного выявления кальцинатов, оценки минеральной структуры костной ткани (плоские кости, кортикальная пластинка)
не позволяет детально характеризовать паренхиму легких (в этой области она уступает возможностям КТ)
в значительно в большей степени, чем при КТ, возникают артефакты от движения (качество томограмм может быть резко снижено из-за артефактов от движения пациента - дыхания, сердцебиения, пульсации сосудов, непроизвольных движений) и металлических объектов (фиксированных внутри тела или в предметах одежды), а также от неправильной настройки томографа
существенно ограничивается распространение и внедрение данной методики исследования из-за высокой стоимостью самого оборудования (томографа, РЧ-катушек, программного обеспечения, рабочих станций и т.д.) и его технического обслуживания

Основными противопоказаниями к МРТ (магнитно-резонансной томографии) являются:

абсолютные :
наличие искусственных водителей ритма
наличие больших металлических имплантантов, осколков
наличие металлических скобок, зажимов на кровеносных сосудах
искусственные сердечные клапаны
искусственные суставы
вес больного свыше 160 кг

!!! Наличие металлических зубов, золотых нитей, и другого шовного и скрепляющего материала противопоказанием к МРТ – исследованию не является, хотя снижают качество изображения.

относительные :
клаусторофобия – боязнь замкнутого пространства
эпилепсия, шизофрения
беременность (первый триместр)
крайне тяжелое состояние больного
невозможность для пациента сохранять неподвижность во время обследования

Особой подготовки к проведению МРТ-исследования в большинстве случае не требуется , но при исследовании сердца и его сосудов волосы на груди должны быть выбриты. При исследовани органов малого таза (мочевой пузырь, простата) нужно приходить с наполненным мочевым пузырем.Исследования органов брюшной полости проводятся натощак.

!!! В помещение МР-томографа не должны вноситься никакие металлические объекты, так как они могут быть притянуты магнитным полем с большой скоростью, нанести травму пациенту или медицинскому персоналу и надолго вывести из строя томограф.

Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о "ядерном" происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода (1 H), углерода (13 C), натрия (23 Na) и фосфора (31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.

При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.

Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.

Для водорода, γ = 42.58 MГц/Тл.
Частица может подвергаться переходу между двумя энергетическими состояниями, поглощая фотон. Частица на нижнем энергетическом уровне поглощает фотон и оказывается на верхнем энергетическом уровне. Энергия данного фотона должна точно соответствовать разнице между этими двумя состояниями. Энергия протона, Е, связана с его частотой, ν, через постоянную Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).

В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией

Когда энергия фотона соответствует разнице между двумя состояниями спина, происходит поглощение энергии. Напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу (резонанс). В ЯМР экспериментах частота фотона соответствует радиочастотному (РЧ) диапазону. В клинической МРТ, для отображения водорода, ν как правило находится между 15 и 80 MГц.
При комнатной температуре количество протонов со спинами на нижнем энергетическом уровне незначительно превосходит их количество на верхнем уровне. Сигнал в ЯМР-спектроскопии пропорционален разности в заселенностях уровней. Число избыточных протонов пропорционально B 0 . Эта разница в поле 0.5 Tл, составляет всего лишь 3 протона на миллион, в поле 1.5 Tл – 9 протонов на миллион. Однако общее количество избыточных протонов в 0.02 мл воды в поле 1.5 Tл – 6.02·10 15 . Чем больше напряженность магнитного поля, тем лучше изображение.

В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B 0 и называется равновесной намагниченностью M 0 . В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности M Z равна M 0 . Еще M Z называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (M X или M Y) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.

T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. Временная константа, описывающая, как M Z возвращается к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T 1 ).

M Z = M 0 (1 - e -t/T 1 )

T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.

T2 Релаксация
T1 релаксация описывает процессы, происходящие в Z направлении, в то время как T2 релаксация описывает процессы в плоскости X-Y.
Сразу после воздействия РЧ импульсом суммарный вектор намагниченности (теперь называемый поперечной намагниченностью) начинает вращаться в плоскости X-Y вокруг оси Z . Все векторы имеют одно и то же направление, потому что они находятся в фазе. Однако они не сохраняют это состояние. Вектор суммарной намагниченности начинает сдвигаться по фазе (расфазировываться) из-за того, что каждый спиновый пакет испытывает магнитное поле, немного отличающееся от магнитного поля, испытываемого другими пакетами, и вращается со своей собственной частотой Лармора. Сначала количество дефазированных векторов будет небольшим, но быстро увеличивающимся до момента, когда фазовая когерентность исчезнет: не будет ни одного вектора, совпадающего по направлению с другим. Суммарная намагниченность в плоскости XY стремится к нулю, и затем продольная намагниченность возрастает до тех пор пока M 0 не будет вдоль Z.

Рис. 9. Спад магнитной индукции

Временная константа, описывающая поведение поперечной намагниченности, M XY , называется спин-спиновым временем релаксации, T 2 . T2 релаксация называется спин-спиновой релаксацией, потому что она описывает взаимодействия между протонами в их непосредственной среде (молекулах). T2 релаксация – затухающий процесс, означающий высокую фазовую когерентность в начале процесса, но быстро уменьшающуюся до полного исчезновения когерентности в конце. Cигнал в начале сильный, но быстро ослабевает за счет T2 релаксации. Сигнал называется спадом магнитной индукции (FID - Free Induction Decay) (рис. 9).

M XY =M XYo e -t/T 2

T 2 всегда меньше чем T 1 .
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T 1 и T 2 для различных тканей.

Таблица 1

Ткани	T 1 (мс), 1.5 T	T 2 (мс)
МОЗГ
Серое вещество	921	101
Белое вещество	787	92
Опухоли	1073	121
Отек	1090	113
ГРУДЬ
Фиброзная ткань	868	49
Жировая ткань	259	84
Опухоли	976	80
Карцинома	923	94
ПЕЧЕНЬ
Нормальная ткань	493	43
Опухоли	905	84
Цирроз печени	438	45
МЫШЦА
Нормальная ткань	868	47
Опухоли	1083	87
Карцинома	1046	82
Отек	1488	67

Устройство магнитно-резонансного томографа

Рис. 10. Схема МРТ

Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.

Постоянный магнит
МРТ сканеры используют мощные магниты. От величины напряженности поля зависит качество и скорость получения изображения. В современных МР-томографах используются либо постоянные, либо сверхпроводящие магниты. Постоянные магниты дёшевы и просты в эксплуатации, но не позволяют создавать магнитные поля с напряженностью большей 0.7 Тл. Большинство магнитно-резонансных томографов это модели со сверхпроводящими магнитами (0.5 – 1.5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3.0 Тл) очень дороги в эксплуатации. На МР-томографах с полем ниже 1 Тл нельзя качественно сделать томографию внутренних органов, так как мощность таких аппаратов слишком низкая, чтобы получать снимки высокого разрешения. На томографах с напряженностью магнитного поля < 1 Тл можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов.

Рис. 11.

Градиентные катушки
Внутри магнита расположены градиентные катушки. Градиентные катушки позволяют создавать дополнительные магнитные поля, накладывающиеся на основное магнитное поле B 0 . Имеются 3 набора катушек. Каждый набор может создавать магнитное поле в определенном направлении: Z, X или Y. Например, когда ток поступает в Z градиент, в Z направлении (вдоль длинной оси тела)создается однородное линейное изменение поля. В центре магнита поле имеет напряженность B 0 , а резонансная частота равняется ν 0 , но на расстоянии ΔZ поле меняется на величину ΔB, а соответственно меняется и резонансная частота (рис. 11). За счет добавления к общему однородному магнитному полю градиентного магнитного возмущения, обеспечивается локализация ЯМР-сигнала. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. От мощности и скорости действия катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность томографа.

РЧ катушки
РЧ катушки создают поле B 1 , которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. Они также регистрируют поперечную намагниченность, в то время как она прецессирует в плоскости XY. РЧ катушки бывают трех основных категорий: передающие и принимающие, только принимающие, только передающие. РЧ катушки служат излучателями полей B 1 и приемниками РЧ энергии от исследуемого объекта.

Кодирование сигнала

Когда пациент находится в однородном магнитном поле B 0 , все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B 0 . Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.

Срез-кодирующий градиент
При включенном Z-градиенте, в этом направлении генерируется дополнительное магнитное поле G Z , накладывающееся на B 0 . Более сильное поле означает более высокую Ларморову частоту. Вдоль всего наклона градиента поле B различно и, следовательно, протоны вращаются с разными частотами. Теперь, если сгенерировать РЧ импульс с частотой ν + Δν, прореагируют только протоны в тонком срезе, потому что они - единственные, вращающиеся с этой же самой частотой. Ответный сигнал будет только от протонов из этого среза. Таким образом локализуется источник сигнала по оси Z. Протоны в этом срезе вращаются с одной частотой и имеют одинаковую фазу. В срезе находится огромное количество протонов, и неизвестна локализация источников по осям X и Y. Поэтому для точного определения непосредственного источника сигнала требуется дальнейшее кодирование.

Рис. 12.

Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент G Y . В течение этого времени в направлении по оси Y создается дополнительное магнитное поле градиента. В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться. Когда градиент G Y выключен, протоны в срезе будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это называется кодированием фазы.

Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования левого-правого направления включается третий градиент G X . Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.

Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.

G Z градиент выбирает аксиальный срез.
G Y градиент создает строки с разными фазами.
G X градиент формирует столбцы с разными частотами.

За один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы (рис. 12). Количество протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд.

Импульсные последовательности

На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который "переворачивает" суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.

Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность, обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0 РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности спин-эхо.

Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо

Сначала включается срезо-селективный градиент (1) (G SS ). Одновременно c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss (4) снова включается во время 180º перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro), в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE (Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.

Контраст изображения

При ЯМР сканировании одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1 >> T2. Контраст изображения сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.

T1 контраст

Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE = 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения, поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс жир практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса релаксации Т1. Изображение "взвешено по T1" потому, что контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.

T2 контраст

Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение "взвешено по T2". На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.

Контраст протонной плотности

Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и яркое изображение.

Рис. 17.

Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов. Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2 релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD. Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.

Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная на T1, серая на PD и яркая на T2.

Рис. 19. Магниторезонансный томограф

МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.