Ткань мозга
|
Индукция магнитного поля В0, Тл
|
Серое вещество Белое вещество Ликвор Жир Кровь
|
0,5-1,0 1,0-1,5 1,0-1,5 0,5-1,0 1,5
|
Рассмотрим некоторые подострые
опасности при проведении МРТ.
В экспериментах было установлено,
что с порога напряженности в 4 Тл у лиц наблюдалась некоторая задержка нервной
проводимости, теоретически было предсказано, что с уровня в 6 Тл растет
кровяное давление. У людей, помещенных в однородное постоянное магнитное поле,
был отмечен рост амплитуды ЭКГ в зависимости от величины поля. Этот рост
становился заметным при 0.3 Тл; при 2.0 Тл амплитуда возрастала в среднем на
400%. Полагают, что изменения ЭКГ не могут быть ассоциированы с каким-либо
биологическим риском. Основным результатом взаимодействия РЧ полей с тканями
является нагрев последних. Но пока даже в сильных магнитных полях не было
достигнуто локального увеличения температуры более, чем на 1 градус. Несмотря
на то, что пока не было выявлено никаких чрезмерно опасных воздействий на живой
объект МР исследования, необходимо и дальше проводить исследования в этой
области, и предельно аккуратно подходить к повышению напряжённости поля в
современных томографах.
. МР-сигнал
Любое магнитное поле может
индуцировать в катушке электрический ток, но предпосылкой для этого является
изменение силы поля. При пропускании через тело пациента вдоль оси y коротких
ЭМ радиочастотных импульсов М поле радиоволн заставляет М моменты всех протонов
вращаться по часовой стрелке вокруг этой оси. Для того чтобы это произошло,
необходимо, чтобы частота радиоволн была равна ларморовской частоте протонов.
Это явление и называют ядерным магнитным резонансом. Под резонансом понимают
синхронные колебания, и в данном контексте это означает, что для изменения
ориентации магнитных моментов протонов М поля протонов и радиоволн должны
резонировать, т.е. иметь одинаковую частоту.
После передачи 90-градусного
импульса вектор намагниченности ткани (М) индуцирует электрический ток
(МР-сигнал) в приемной катушке. Приемная катушка размещается снаружи
исследуемой анатомической области, ориентированном в направлении пациента,
перпендикулярно В0. Когда М вращается в плоскостях х-у, он индуцирует в катушке
Э ток, и этот ток называют МР-сигналом. Эти сигналы используют для
реконструкции изображений МР-срезов.
При этом ткани с большими магнитными
векторами будут индуцировать сильные сигналы и выглядеть на изображении яркими,
а ткани с малыми магнитными векторами - слабые сигналы и будут на изображении
темными.
Контрастность изображения: протонная
плотность, Т1- и Т2-взвешенность. Контраст на МР-изображениях определяется
различиями в магнитных свойствах тканей или, точнее различиями в магнитных
векторах, вращающихся в плоскости х-у и индуцирующих токи в приемной катушке.
Величина магнитного вектора ткани прежде всего определяется плотностью
протонов. Анатомические области с малым количеством протонов, например воздух
всегда индуцируют очень слабый МР-сигнал, и таким образом, всегда
представляются на изображении темными. Вода и другие жидкости, с другой
стороны, должны быть яркими на МР-изображениях как имеющие очень высокую
плотность протонов. Однако это не так. В зависимости от используемого для получения
изображения метода жидкости могут давать как яркие, так и темные изображения.
Причина этого состоит в том, что контрастность изображения определяется не
только плотностью протонов. Определенную роль играют несколько других
параметров; два наиболее важных из них - Т1 и Т2.
Рис. 2 - Периоды релаксации
Между MP-импульсами, поступающими,
протоны проходят два релаксационных времени Т1 и Т2, в основе которых лежит
потеря магнитного напряжения на плоскости х-у (Мху) и восстановления ее по оси
z (Mz).
Максимальный тканевый магнетизм,
ориентирован по оси z (Mz), зависит от плотности протонов, поэтому
относительная сила MP сигналов, определенная непосредственно после подачи 90 °
импульса или после восстановления Mz, дает возможность построить изображение,
взвешенное по протонной плотности. Т1 - релаксация отображает постепенное
восстановление ядерного магнетизма и ориентации индивидуальных протонов
водорода в направлении Во = > (оси z) в исходное положение, что было им присуще
к предоставлению 90 ° импульса. Вследствие этого после выключения 90 ° импульса
тканевый магнитный момент увеличивать ¬ ться вдоль оси z с нарастающим
ускорением от 0 до максимального значения Mz, которое обусловлено протонной
плотностью данной ткани. Т1 определяется как время, в течение которого М
восстанавливает исходное значение на 63%. После того как пройдет 4-5
промежутков времени, равных Т1, Mz полностью восстанавливается. Что короче Т1,
тем быстрее происходит восстановление. Физической основой Т1 - релаксации
является обмен тепловой энергии между молекулами. Т1 - релаксационный время
зависит от размеров молекул и их подвижности. В плотных тканях с большими
неподвижными молекуламы протоны длительное время сохраняют свое положение,
содержат энергию, возникает мало слабых импульсов, поэтому Т1 длинный. В
жидкости происходит быстрее изменение положения протонов и быстрее отдача
тепловой энергии, поэтому Т1 - релаксация в жидкости с малыми молекулами,
быстро движется, короткая и сопровождается значительным количеством
электромагнитных импульсов различной силы. В паренхиматозных тканях Т1 -
релаксация составляет около 500 мс, широко варьируя в зависимости от
особенностей их строения. В жировой ткани со средними по размерам и
подвижностью молекулами Т1 короткий, а количество импульсов наибольшая.
Изображение, контрастность которых построена с учетом разницы Т1 в смежных
тканях, называются Т1 - взвешенных изображений.
Физической основой Т2 - релаксации
является взаимодействие тканевого магнетизма с протонами. Т2 является
показателем постепенного угасания тканевого магнетизма на плоскости х-у (мху)
после исключения 90 ° импульса и определяется как время, в течение которого мху
теряет 63% от своей максимальной напряжения. После того как проходит 4-5
промежутков времени, равных Т2, мху полностью исчезает. Промежуток времени Т2
варьирует в зависимости от физических и химических свойств тканей. Плотные
ткани имеют стабильные внутренние магнитные поля, и поэтому прецессия протонов
в них быстро затухает, а индукция энергии быстро снижается, посылая много
электромагнитных волн различной частоты, поэтому Т2 является кратким. В
жидкостях внутренние магнитные поля нестабильные и быстро становятся равными 0,
в меньшей степени влияя на прецессию протонов. Поэтому частота протонов,
находящихся в процессии в жидкости является большой, электромагнитные импульсы
слабыми, а Т2 релаксация относительно длинной. В паренхиматозных тканях Т2
составляет около 50 мс, т.е. в 10 раз короче, чем ТЕ. Вариации времени Т2
сказываются на величине электромагнитных импульсов (MP). Поэтому изображение,
построенное на их исчислении, называется Т2 - взвешенным изображением. Его
выявлению мешают сигналы надходят от ТЕ, поэтому регистрация Т2 - взвешенного
изображения достигается тем, что вводится интервал времени - эхо время (ТО)
между 90 ° импульсом и измерением индуцированного им MP. Течение эхо времени
мху постепенно снижается вследствие Т2 - релаксации. Путем регистрации
амплитуды MP - сигнала в конце эхо времени определяется разница Т2 в различных
тканях.
3. Исследование МР
томографии и устройство МР
томографа
Рис. 3.1 - МР томограф
Прежде всего пациента помещают
внутрь большого магнита, где имеется довольно сильное постоянное (статическое)
магнитное поле, ориентированное в большинстве аппаратов вдоль тела пациента.
Под воздействием этого поля ядра атомов водорода в теле пациента, которые
представляют собой маленькие магнитики, каждый со своим слабым магнитным полем,
ориентируются определенным образом относительно сильного поля магнита. Добавляя
слабое переменное магнитное поле к статическому магнитному полю, выбирают
область, изображение к. надо получить.
Затем пациента облучают
радиоволнами, причем частоту радиоволн подстраивают таким образом, чтобы
протоны в теле пациента могли поглотить часть энергии радиоволн и изменить
ориентацию своих магнитных полей относительно направления статического
магнитного поля. Сразу же после прекращения облучения пациента радиоволнами
протоны станут возвращаться в свои первоначальные состояния, излучая полученную
энергию, и это переизлучение будет вызывать появление электрического тока в
приемных катушках томографа.
Зарегистрированные токи являются МР
сигналами, к. преобразуются компьютером и используются для построения
(реконструкции) МРТ.
Примеры снимков представлены на
рисунке 3.2 и 3.3.
Рис. 3.2 - ЛСМА (инсульт)
Рис. 3.3 - Тазобедренные суставы
(норма)
Соответственно этапам исследования
основными компонентами любого МР томографа являются:
) магнит, создающий
постоянное (статическое), так называемое внешнее, магнитное поле, в которое
помещают пациента
) градиентные катушки,
создающие слабое переменное магнитное поле в центральной части основного
магнита, называемое градиентным, которое позволяет выбрать область исследования
тела пациента
) радиочастотные катушки -
передающие, используемые для создания возбуждения в теле пациента, и приемные -
для регистрации ответа возбужденных участков
) компьютер, который
управляет работой градиентной и радиочастотной катушек, регистрирует измеренные
сигналы, обрабатывает их, записывает в свою память и использует для
реконструкции МРТ.
Всякое М поле характеризуется
индукцией М поля, которую обозначают В. Единицей измерения является 1 Тл
(тесла).
В МРТ в зависимости от величины
постоянного магнитного поля различают несколько типов томографов:
со сверхслабым полем 0,01 Тл - 0,1
Тл
со слабым полем 0,1 - 0,5 Тл
с средним полем 0,5 - 1.0 Тл
с сильным полем 1.0 - 2,0 Тл
со сверхсильным полем >2,0 Тл
Таблица 3.1 -
Технические характеристики МР-томографов
Технические характеристики
|
Постоянный магнит: «Hitachi AIRIS Mate»
|
Резистивный магнит: «ИМТТОМ»
|
Сверхпроводящий магнит: «MAGNETOM Harmony»
|
Напряженность поля, Тл
|
0,2
|
0,25
|
1,0
|
Частота, МГц
|
8
|
5 - 6
|
80
|
Максимальные градиенты, мТл/м
|
15
|
10
|
30
|
Минимальная толщина среза, мм
|
0,5
|
0,05
|
Матрица сканирования
|
512х512
|
от 126х64 до 512х512
|
256х256
|
Время реконструкции слоя, с
|
около 1
|
30
|
0,4
|
Потребляемая мощность, кВт
|
3
|
около 60
|
-
|
Проведем сравнительную
характеристику рассмотренных видов магнитов. Она представлена в таблице 3.2.
Таблица 3.2 - Преимущества и
недостатки магнитов МРТ
Тип магнита
|
Преимущества
|
Недостатки
|
1
|
2
|
3
|
Постоянный
|
Низкое энергопотребление
|
Ограниченная напряженность поля (< 0.2 Тл)
|
|
Низкие эксплуатационные расходы
|
Очень тяжелый
|
|
Маленькое поле неуверенного приема
|
Нет быстрого охлаждения
|
|
Без криогена
|
Нет аварийного снижения магнитного поля
|
Резистивный
|
Низкая стоимость
|
Высокое энергопотребление
|
|
Легкий вес
|
Ограниченная напряженность поля (< 0.3 Тл)
|
|
Может быть отключен
|
Требуется водяное охлаждение
|
|
|
Большое поле неуверенного приема
|
Сверхпроводящий
|
Высокая напряженность поля
|
Высокая стоимость
|
|
Высокая однородность поля
|
Высокие расходы на криогенное обеспечение
|
|
Низкое энергопотребление
|
Артефакты движения
|
|
Быстрое сканирование
|
Техническая сложность
|
В современных МРТ системах
используются в основном постоянные и сверхпроводящие магниты. Это объясняется
тем, что у них достаточно малое энергопотребление и они не требуют
дорогостоящей, а также энергоемкой системы охлаждения.
Напряженность поля постоянного
магнита ограничена, но с развитием новых технологий, таких как, например,
Tim-технология (Total imaging matrix), которая представляет собой революционное
развитие радиочастотного тракта, РЧ-катушек и алгоритмов реконструкции с
использованием методов параллельной визуализации, получаемые изображения ни в
чём не уступают изображениям со сверхпроводящего МРТ. Также неоспоримым плюсом
является то, что постоянные магниты могут быть так называемой «открытой»
конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении
стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и
проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ - так
называемая интервенционная МРТ.
Выводы
МРТ проводят путем послойного
изучения определенной анатомической области органа. Выделение исследуемого слоя
на МРТ достигается в том случае, когда радиочастотные импульсы преобразователя
совпадают с резонансной частотой протонов и индуцируют МР - сигнал. Для этого с
помощью градиентных катушек создают дополнительное слабое магнитное поле, по
направлению соответствующего изучаемого слоя.
Под действием градиентного поля сила
основного магнитного поля на этом уровне возрастает линейно в двух взаимно
перпендикулярных направлениях. В этом слое пропорционально усиления возрастает
и резонансная частота протонов. Сужая диапазон частот градиентного поля, можно
уменьшить толщину исследуемого слоя. Для получения визуального изображения
требуется определить силу импульсов в каждой конкретной точке исследуемого
слоя. Для этого его рассматривают как сумму отдельных объемов (вокселей). После
предоставления 90о и градиентного импульсов каждый воксель имеет
вектор намагничивания. Сила сигнала от каждого вокселя и его ориентация в
пространстве определяются в цифровых величинах с помощью компьютера.
Проекция вокселя на плоскость
получила название пикселя. Сила сигнала отображается на экране монитора в серой
или цветной шкале видимого спектра. Чем меньше вычислительные объемы, тем
точнее изображение объекта. Контрастность изображения зависит от разницы между
силой импульсов с рядом расположенных участков исследуемого слоя.
На естественный контраст, кроме
протонной плотности, релаксационного времени (Т1 и Т2) влияет также скорость
циркуляции крови. Если кровь вытекла из сосудов имеет высокий яркий сигнал, то
циркулирующая кровь не генерирует МР - сигналов и выглядит темной по сравнению
со стенками сосудов.
В сложных для диагностики случаях
используют искусственное контрастирование магнетиках, 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 сокращению периода релаксации (Т1
или Т2) протонов и приводят к изменению контрастности.
Клиническое действие магнитного
резонанса на пациентов и медперсонал минимальна, поэтому противопоказаний к
этому исследованию нет. Но в случае наличия ферромагнитных объектов в организме
(кардиостимуляторы, клипсы на сосудах мозга) это исследование опасно
термическим эффектом и поэтому противопоказано.
Список источников
магнитный томограф поле резонансный
1. Верещагин Н.В., Борисенко В.В., Власенко А.Г. Мозговое
кровообращение. Современные методы исследования в клинической неврологии М.:
Интер-Весы. 1993. С. 87-143
. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. Основы
магниторезонансной томографии. Учебное пособие. - СПб: СпбГИТМО (ТУ), 1998. - 24
с.
. Коновалов А.Н., Корниенко В.Н., Пронин И.Н. Магнитно-резонансная
томография в нейрохирургии. - М.: Видар, 1997. - 472 с.: ил.
. Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии.
Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 132 с.