Ядерно-магнитная томография - принципы и методы лучевой диагностики

Видео: Магнитно-резонансная томография

Метод ядерно-магнитной томографии
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - самая молодая из радиологических методик. Магнитно-резонансные томографы могут создать изображения сечений любой части тела. Ионизирующее излучение не используется, а воздух или кости не являются помехой при визуализации.
Основными компонентами МР-томографа являются сильный магнит, радиопередатчик, приемная радиочастотная катушка и, конечно, компьютер. Внутренняя часть магнита часто сделана в форме туннеля, достаточно большого для размещения внутри него взрослого человека. Большинство магнитов имеют магнитное поле, ориентированное параллельно длиной оси тела пациента.
Магнитное поле магнита обозначается как Во и изображается вектором, т.е. стрелкой, ориентация которой показывает направление магнитного поля с севера на юг, а длина - силу магнитного поля. Для однозначного определения позиции внутри магнита и ее сопоставления с изображением, используется трехкоординатная система с осями х, у и z. Направление z - это всегда направление магнитного поля Во и, когда это поле параллельно продольной оси пациента, перпендикулярная к z, горизонтальная ось обозначается х, а вертикальная - у. Сила магнитного поля измеряется в Iослах (Тл) или гауссах, 1 -тесла=10(4) гауссов. Для клинической МР- томографии используются поля силой от 0,02 до 2 тесла. Большинство МР- систем используют силу поля от 0,1 до 1,5 тесла.
Магнитно-резонансная томография использует тот факт, что ядра водорода, часто в данном контексте именуемые протонами, являются очень маленькими магнитными дипломами с северным и южным полюсами. Магнитный момент одного протона часто обозначается знаком н. Когда пациента помешают внутрь сильного магнитного поля МР-томографа, маленькие протонные магниты тела разворачиваются в направлении
внешнего поля (Во) (подобно компасной стрелке, ориентирующейся на магнитное поле Земли). Помимо этого, магнитные оси каждого протона начинают вращаться вокруг направления внешнего магнитного поля. Это специфическое вращательное движение называют процессией, а его частоту - резонансной частотой, или частотой Лармора (по имени французского физика Лармора). Частота Лармора ( Wo) пропорциональна силе внешнею магнитного поля (Во):
Wo = уВо
Это уравнение называют уравнением Лармора, где у-константа, называемая гиромагнетическим коэффициентом. Данное соотношение Wo к Во индивидуально для каждого типа магнитных атомных ядер, для ядер водорода оно равно 42,58 МГ/ц/тесла.
В результате в тканях пациента создается суммарный магнитный момент: ткани намагничиваются, и их магнетизм (М) ориентируется точно параллельно внешнему магнитному полю Во. Первоначально в магнетизме тканей нет прецессионного движения. Хотя все протоны по отдельности процессируют, все они развернуты в направлении Во и не создают никаких магнитных компонент в плоскости х-у.
Любое магнитное поле может индуцировать в катушке электрический ток, но предпосылкой для этого является изменение силы поля. Для индуцирования полем (М) тока в катушке необходимы радиоволны.
Радиоволны - это электромагнитные волны, содержащие электрическое и магнитное поля. При пропускании через тело пациента вдоль оси у коротких электромагнитных радиочастотных импульсов магнитное поле радиоволн заставляет магнитные моменты всех протонов вращаться по часовой стрелке вокруг этой оси. Для того чтобы это произошло, необходимо, чтобы частота радиоволн была равна ламморонской частоте протонов. Это явление называют магнитным резонансом. Под резонансом понимают синхронные колебания, и в данном контексте это означает, что для изменения ориентации магнитных моментов протонов магнитные поля протонов и радиоволн должны резонировать, т.е. иметь одинаковую частоту.
Когда избыток параллельных протонов отклоняется от направления Во, М должен последовать за ним. Протоны продолжат процессировать вокруг оси z (их заставляет это делать магнитное поле Во), и М тоже начинает, соответственно, процессировать вокруг оси z. Сила и продолжительность радиочастотных импульсов определяют угол наклона в градусах оси вращения М относительно направления Во, поэтому импульс обозначают соответствующим образом. Результатом 90-градусного импульса будет вращение М (за короткий интервал времени) в плоскости х-у, перпендикулярно направлению Во.
Приемную катушку размещают снаружи исследуемой анатомической области с отверстием, ориентированным в направлении пациента, перпендикулярно Во. Когда М вращается в плоскости х-у. он индуцирует в катушке электрический ток, и этот ток называют МР-сигналом. Эти (или подобные) сигналы используются для реконструкции изображений МР- срезов. Проходящее через катушку переменное магнитное поле будет  индуцировать электрический ток- если катушку подсоединить к лампочке, то она будет светиться. Тот же принцип применим и к МР-визуализации: ткани с большими магнитными векторами (М) 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.
Для реконструкции изображения необходимо несколько МР- сигналов- таким образом, должно быть передано несколько радиочастотных импульсов. В промежутке между передачей импульсов протоны подвергаются двум различным процессам релаксации - TI и Т2. Релаксация - это последствие постепенного исчезновения намагниченности в плоскости х-у (Мху). Эта потеря магнетизма в плоскости х-у называется Т2- релаксацией, и Т2 определяется как время, в течение которого Мху теряет % oт своего первоначального максимального значения. Обычное значение для паренхиматозных тканей - примерно 50 мс. Величина Т2 сильно зависит от физических и химических свойств тканей. Жидкости и подобные жидкостям ткани обычно имеют длительное время Т2 (Мху и МР- сигнал исчезают медленно), а твердые ткани и вещества - короткое время Т2 (Мху и МР-сигнал исчезают быстро).
TI-релаксация - более медленный, по сравнению с Т2-релаксацией процесс, заключающийся в постепенном выстраивании отдельных протонов вдоль направления Во. Т1 определяется как время, в течение которого Mz восстановится до 63% от своего первоначального максимального значения.
Чем короче время Т1, тем быстрее идет восстановление Mz. Обычное значение Т1 для паренхиматозных тканей - примерно 500 мс. Величина Т1 в значительной мере зависит от размера молекул и их мобильности.
Интервал времени между радиочастотными импульсами называют временем повторения (ТР). Увеличивая ТР. можно достичь альтернативной контрастности изображения.
Визуализируемый слой ткани можно представить состоящим из нескольких одинаковых элементов объема - вокселов. Каждый воксел на окончательном двухмерном изображении соответствует плоскостному элементу, пиксел). Яркость (уровень серой шкалы) пиксела определяется амплитудой сигнала, индуцируемого магнетизмом соответствующего воксела.
Для определения яркости каждого пиксела МР-компьютеру необходимо дифференцировать сигналы отдельных вокселов. Для этого следует присвоить сигналу каждого воксела свой, единственный и распознаваемый код. Этим кодом являются частота и фаза сигнала воксела, определяемые частотой и фазой вращающегося магнитного вектора воксела (Мху).
Для извлечения содержащихся в комбинированном МР-сигнале различных частот и фаз используется сложный математический анализ, называемый двухмерным преобразованием Фурье. Данный метод зависит от информации, содержащейся в многочисленных повторяющихся сигналах, поступающих от одного и того же слоя ткани.