Магнитно-резонансная томография (МРТ) выполняется с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) - одного из новейших достижений медицинской науки в области диагностики. Основное условие для создания этого технического шедевра - современнейшие компьютеры и компьютерные программы.

Этот метод от обычной компьютерной томографии отличается способом получения изображения. Вместо обычных рентгеновских лучей используется сильное магнитное поле. Во время этого обследования больной не подвергается радиоактивному рентгеновскому облучению, не возникают побочные реакции, характерные для облучения.

Как проводится МРТ?

Основные необходимые приборы для выполнения этого метода - большая магнитная цилиндрическая труба и компьютер. Для получения изображения используется особенное свойство атомов излучать электромагнитные волны под воздействием сильных магнитных импульсов. В зависимости от плотности ткани, поток электромагнитных волн будет различным, и на компьютере будет получено их изображение. Пациента помещают в «магнитную трубу» и кратковременно активизируют магнитное поле. Специальное устройство регистрирует электромагнитные волны, идущие от тела обследуемого, компьютер эти волны превращает в изображение. Если необходимо получить несколько изображений срезов, то измерения должны быть повторены. Ряд срезов компьютер может превратить в трехмерное пластическое изображение.

Что можно диагностировать с помощью МРТ?

Метод МРТ является одним из наиболее точных в диагностике. При его применении обнаруживают изменения белого вещества мозга, выполняют специальные исследования кровеносных сосудов, исследование циркуляции мозговой жидкости, а с помощью новейшей техники - исследование энергетического обмена мозга и обмена веществ в мозге. Обычная компьютерная томография незаменима при диагностике травм, кровяного давления, переломов костей. С помощью ЯМР лучше всего исследовать ткани, в которых много жидкости. Его можно использовать при изучении внутренних органов - сердца и почек.

Опасна ли МРТ?

До сих пор нет данных, что эти обследования вредны для человека. Однако магнитное поле при обследовании пациентов, в теле которых находятся металлические протезы и имплантаты, может вызвать у них проблемы. В этих случаях применение МРТ запрещено. При работе с этим аппаратом в одежде не должно быть никаких металлических предметов.

Единственная проблема магнитно-резонансной томографии - дороговизна. Это обследование выполняется только в случае невозможности диагностирования другими методами. Кроме того, для выполнения этого исследования необходимо больше времени. Несколько ограниченны возможности обследования детей из-за их страха перед закрытыми пространствами (необходимость нахождения в цилиндрической «трубе»).

Этот исследовательский метод постоянно совершенствуется. Магнитно-резонансная томография - информативный, безопасный метод диагностики, позволяющий получить изображения органов в различных плоскостях. На экране компьютера видно трехмерное изображение, что, например, позволяет осмотреть мозг человека со всех сторон и на любой глубине.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – современная неинвазивная методика, позволяющая визуализировать внутренние структуры организма. Основана на эффекте ядерного магнитного резонанса – реакции атомных ядер на воздействие электромагнитными волнами в магнитном поле. Дает возможность получить трехмерное изображение любых тканей человеческого тела. Широко применяется в различных сферах медицины: гастроэнтерологии, пульмонологии, кардиологии, неврологии, отоларингологии, маммологии, гинекологии и т. д. Благодаря высокой информативности, безопасности и приемлемой цене МРТ в Москве занимает ведущие позиции в списке методик, используемых для диагностики заболеваний и патологических состояний различных органов и систем.

История исследования

Датой создания МРТ традиционно считают 1973 год, когда американский физик и радиолог П. Лотербур опубликовал статью, посвященную этой тематике. Однако история МРТ началась намного раньше. В 40-х годах ХХ американцы Ф. Блох и Р. Пурселл независимо друг от друга описали явление ядерно-магнитного резонанса. В начале 50-х оба ученых получили Нобелевскую премию за свои открытия в области физики. В 1960 году советский военный подал заявку на патент, в котором описывался аналог МРТ-аппарата, однако заявка была отклонена «за нереализуемостью».

После публикации статьи Лотербура МРТ начала бурно развиваться. Чуть позже П. Мэнсфилд провел работу по усовершенствованию алгоритмов получения изображения. В 1977 году американский ученый Р. Дамадьян создал первый прибор для МРТ-исследований и провел его испытания. В американских клиниках первые аппараты МРТ появились в 80-х годах прошлого века. К началу 90-х годов в мире насчитывалось уже около 6 тысяч таких приборов.

В настоящее время МРТ является медицинской методикой, без которой невозможно представить современную диагностику болезней органов брюшной полости, суставов, головного мозга, сосудов, позвоночника, спинного мозга, почек, забрюшинного пространства, женских половых органов и других анатомических структур. МРТ позволяет выявлять даже незначительные изменения, характерные для ранних стадий заболеваний, оценивать структуру органов, измерять скорость кровотока, определять активность различных отделов головного мозга, осуществлять точную локализацию патологических очагов и т. п.

Принципы визуализации

В основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса. Ядра химических элементов представляют собой своеобразные магниты, которые быстро вращаются вокруг своей оси. При попадании во внешнее магнитное поле оси вращения ядер определенным образом сдвигаются, ядра начинают вращаться в соответствии с направлением силовых линий этого поля. Это явление называется процессией. При облучении радиоволнами определенной частоты (совпадающей с частотой процессии) ядра поглощают энергию радиоволн.

При прекращении облучения ядра переходят в свое нормальное состояние, поглощенная энергия высвобождается, создавая электромагнитные колебания, регистрируемые при помощи специального прибора. Аппарат МРТ регистрирует энергию, высвобождаемую ядрами атомов водорода. Это позволяет выявлять любые изменения концентрации воды в тканях организма и, таким образом, получать изображения практически любых органов. Определенные ограничения при проведении МРТ возникают при попытке визуализировать ткани с незначительным содержанием воды (кости, бронхоальвеолярные структуры) – в подобных случаях изображения получаются недостаточно информативными.

Виды МРТ

С учетом исследуемой области можно выделить следующие разновидности МРТ:

МРТ головы (головного мозга, гипофиза и околоносовых пазух).
МРТ органов грудной клетки (легких и сердца).
МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства (поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, почек, надпочечников и других органов, расположенных в данной области).
МРТ органов малого таза (мочевыводящих путей, предстательной железы и женских половых органов).
МРТ опорно-двигательного аппарата (позвоночника, костей и суставов).
МРТ мягких тканей , в том числе – молочных желез, мягких тканей шеи (слюнных желез, щитовидной железы, гортани, лимфоузлов и других структур), мышц и жировой клетчатки различных областей человеческого тела.
МРТ сосудов (сосудов головного мозга, сосудов конечностей, мезентериальных сосудов и лимфатической системы).
МРТ всего тела . Обычно используется на этапе диагностического поиска при подозрении на метастатическое поражение различных органов и систем.

МРТ может проводиться как без использования, так и с использованием контрастного вещества. Кроме того, существуют специальные методики, позволяющие оценивать температуру тканей, движение внутриклеточной жидкости, функциональную активность участков головного мозга, отвечающих за речь, движения, зрение, память.

Показания

МРТ в Москве обычно применяют на заключительном этапе диагностики, после проведения рентгенографии и других диагностических исследований первой линии. МРТ используют для уточнения диагноза, дифференциальной диагностики, точной оценки тяжести и распространенности патологических изменений, подготовки плана консервативной терапии, определения необходимости и объема хирургического вмешательства, а также динамического наблюдения в процессе лечения и в отдаленном периоде.

МРТ головы назначают для изучения костей, поверхностных мягких тканей и внутричерепных структур. Методику применяют для выявления патологических изменений головного мозга, гипофиза, внутричерепных сосудов и нервов, ЛОР-органов, околоносовых пазух и мягких тканей головы. МРТ используется в процессе диагностики врожденных аномалий, воспалительных процессов, первичных и вторичных онкологических поражений, травматических повреждений, заболеваний внутреннего уха, патологии глаз и пр. Процедура может проводиться с контрастированием и без контрастирования.

МРТ органов грудной клетки применяют в ходе исследования структуры сердца, легких, трахеи, крупных сосудов и бронхов, плевральной полости, пищевода, вилочковой железы и лимфоузлов средостения. Показанием к МРТ являются поражения миокарда и перикарда, сосудистые расстройства, воспалительные процессы, кисты и опухоли органов грудной клетки и средостения. МРТ может проводиться с использованием или без использования контрастного препарата. Малоинформативна при исследовании альвеолярной ткани.

МРТ брюшной полости и забрюшинного пространства назначают для изучения структуры поджелудочной железы, печени, желчевыводящих путей, кишечника, селезенки, почек, надпочечников, мезентериальных сосудов, лимфоузлов и других структур. Показанием к проведению МРТ являются аномалии развития, воспалительные заболевания, травматические повреждения, желчнокаменная болезнь , мочекаменная болезнь , первичные опухоли, метастатические новообразования, другие заболевания и патологические состояния.

МРТ малого таза применяют при исследовании прямой кишки, мочеточников, мочевого пузыря, лимфоузлов, внутритазовой клетчатки, предстательной железы у мужчин, яичников, матки и маточных труб у женщин. Показанием к проведению исследования являются пороки развития, травматические повреждения, воспалительные заболевания, объемные процессы, камни в мочевом пузыре и мочеточниках. МРТ не предусматривает лучевой нагрузки на организм, поэтому может использоваться для диагностики болезней репродуктивной системы даже в период гестации.

МРТ опорно-двигательного аппарата назначают при изучении костных и хрящевых структур, мышц, связок, суставных капсул и синовиальных оболочек различных анатомических зон, в том числе – суставов, костей, определенного отдела позвоночного столба или всего позвоночника. МРТ позволяет диагностировать широкий спектр аномалий развития, травматических повреждений, дегенеративно-дистрофических заболеваний, а также доброкачественных и злокачественных поражений костей и суставов.

МРТ сосудов применяют при изучении сосудов головного мозга, периферических сосудов, сосудов, участвующих в кровоснабжении внутренних органов, а также лимфатической системы. МРТ показана при пороках развития, травматических повреждениях, острых и хронических нарушениях мозгового кровообращения, аневризмах, лимфедеме , тромбозе и атеросклеротическом поражении сосудов конечностей и внутренних органов.

Противопоказания

В качестве абсолютных противопоказаний к проведению МРТ в Москве рассматривают кардиостимуляторы и другие имплантированные электронные устройства, крупные металлические импланты и аппараты Илизарова. В список относительных противопоказаний к МРТ включают протезы сердечных клапанов, неметаллические импланты среднего уха, кохлеарные импланты, инсулиновые насосы и татуировки с использованием ферромагнитных красителей. Кроме того, относительными противопоказаниями к проведению МРТ являются первый триместр беременности, клаустрофобия , декомпенсированные болезни сердца, общее тяжелое состояние, двигательное возбуждение и неспособность больного выполнять указания врача, обусловленные нарушениями сознания или психическими расстройствами .

МРТ с контрастированием противопоказано при аллергии на контрастное вещество, хронической почечной недостаточности и анемии. МРТ с использованием контрастного вещества не назначают в период гестации. В период лактации пациентку просят заранее сцедить молоко и воздерживаться от кормления в течение 2 дней после проведения исследования (до окончания вывода контраста из организма). Наличие титановых имплантов не является противопоказанием для любых видов МРТ, поскольку титан не обладает ферромагнитными свойствами. Методику также можно использовать при наличии внутриматочной спирали.

Подготовка к МРТ

Большинство исследований не требуют специальной подготовки. В течение нескольких дней до проведения МРТ малого таза следует воздержаться от употребления газообразующих продуктов. Для уменьшения количества газа в кишечнике можно использовать активированный уголь и другие аналогичные препараты. Некоторым пациентам показана клизма или прием слабительных средств (по указанию врача). Незадолго до начала исследования необходимо опорожнить мочевой пузырь.

При проведении любых видов МРТ нужно предоставить врачу результаты других исследований (рентгенографии, УЗИ, КТ, лабораторных анализов). Перед началом МРТ следует снять с себя одежду с металлическими элементами и все металлические предметы: заколки, драгоценности, часы, зубные протезы и пр. При наличии металлических имплантов и вживленных электронных устройств необходимо сообщить специалисту об их виде и расположении.

Методика проведения

Пациента укладывают на специальный стол, задвигающийся в тоннель томографа. При МРТ с контрастированием в вену предварительно вводят контрастное вещество. На протяжении всего исследования больной может контактировать с врачом при помощи микрофона, установленного внутри томографа. При проведении процедуры аппарат МРТ создает незначительный шум. По окончании исследования пациента просят подождать, пока врач изучит полученные данные, поскольку в некоторых случаях для создания более полной картины могут потребоваться дополнительные снимки. Затем специалист готовит заключение и передает его лечащему врачу или выдает на руки больному.

Стоимость магнитно-резонансной томографии в Москве

Цена диагностической процедуры зависит от исследуемой области, необходимости контрастирования и применения специальных дополнительных методик, технических характеристик оборудования и некоторых других факторов. Наиболее существенное влияние на цену магнитно-резонансной томографии в Москве оказывает необходимость введения контраста – при использовании контрастного препарата суммарные расходы пациента могут увеличиваться почти вдвое. Стоимость сканирования также может колебаться в зависимости от организационно-правового статуса клиники (частная или государственная), уровня и репутации медицинского учреждения, квалификации специалиста.

Сегодня уже стало привычным направлять пациента не на рентгенографию, не на электрокардиограмму, а на ЯМР-томографию. Для того чтобы разобраться, что стоит за этими словами, следует начать издалека, а именно с понимания того, что такое магнетизм атомного ядра. Но еще до этого нам надо ввести важные понятия, которые отсутствуют в основном курсе школьной физики.

Магнитный момент

Магнитные свойства маленького плоского контура с током, помещенного в магнитное поле, определяются магнитным моментом этого тока, равным

где I - ток, S - площадь контура, - вектор нормали к контуру, построенный по правилу буравчика (рис. 1).

В частности, энергия контура в магнитном поле с индукцией равна

(ось z направлена вдоль ).

Для поворота контура с изменением проекции вектора от μ z до –μ z надо совершить работу А = 2μ z B.

Атомный электрон, движущийся по орбите вокруг атомного ядра, можно считать эквивалентным круговому току и приписать ему магнитный момент. Наличие такого «орбитального» магнитного момента у электрона проявляется в изменении его энергии при помещении атома в магнитное поле (формула для W ).

При тщательном анализе экспериментальных данных оказалось, что свойства атома во внешнем магнитном поле определяются не только движением электрона вокруг ядра, но и наличием у электрона скрытого «внутреннего вращения», которое назвали спином. Спин есть у всех элементарных частиц (у некоторых спин равен нулю). Интенсивность «вращения» описывается спиновым числом s , которое может быть только целым или полуцелым. Для электрона, протона, нейтрона s = 1/2. «Внутреннее вращение», аналогично орбитальному, приводит к появлению у частицы спинового магнитного момента. Проекция спинового магнитного момента на ось z (направление магнитного поля) принимает значения

μ z = γm s ћ ,

где ћ = h /(2π) - постоянная Планка, m s принимает (2s + 1) значений: –s , –s + 1, ..., s – 1, s , а γ называют гиромагнитным фактором. Сам вектор имеет модуль больше, чем его максимальная проекция: , т. е. во всех стационарных состояниях расположен под углом к оси z и быстро вращается вокруг этой оси: μ z = const, μ x и μ y быстро меняются (рис. 2). Для электрона, протона, нейтрона m s принимает всего два значения: . Для электрона , для протона . Спиновый магнитный момент есть даже у нейтрона, несмотря на то что он в целом электронейтрален. (Это свидетельствует о том, что нейтрон должен иметь внутреннюю структуру. Как и протон, он состоит из заряженных кварков.) Для нейтрона .

Видно, что магнитный момент протона и нейтрона на три порядка (–10 3) меньше, чем магнитный момент электрона (их масса примерно в 2000 раз больше). Примерно такой же по порядку величины магнитный момент должен быть у всех остальных атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Магнитные моменты всех ядер измерены с большой точностью. Именно наличие у ядер этих маленьких (в сравнении с атомными) магнитных моментов, значения которых различны для разных ядер, и лежит в основе явления ЯМР - ядерного магнитного резонанса, а также ЯМР-томографии. Мы в основном будем говорить о ядрах водорода - протонах, которые имеют наиболее широкое распространение в природе. Изотопом водорода является дейтерий, чье ядро также обладает магнитным моментом.

Что такое ядерный магнитный резонанс

Рассмотрим ядро атома водорода (протон) во внешнем магнитном поле . Протон может находиться только в двух стационарных квантовых состояниях: в одном из них проекция магнитного момента на направление магнитного поля положительна и равна

А в другом - такая же по модулю, но отрицательная. В первом состоянии энергия ядра в магнитном поле равна –μ z B , во втором + μ z B. Изначально все ядра находятся в первом состоянии, а для перехода во второе состояние ядру надо сообщить энергию

ΔE = 2μ z B .

Нетрудно понять, что заставить ядро изменить направление своего магнитного момента можно, подействовав на него электромагнитным излучением с частотой ω, соответствующей переходу между этими состояниями:

ћ ω = 2μ z B .

Подставляя сюда магнитный момент протона, получим

откуда для B = 1 Тл находим частоту волны: ν ≈ 4·10 7 Гц и соответствующую длину волны: λ = с/ ν ≈ 7 м - типичные частота и длина волны радиовещательного диапазона. Фотоны именно этой длины волны поглощаются ядрами с переворотом магнитных моментов по отношению к направлению поля. При этом их энергия в поле повышается как раз на величину, соответствующую энергии такого кванта.

Отметим, что в экспериментах по ЯМР, т. е. для типичных частот среднего радио-вещательного диапазона, электромагнитные волны используются вовсе не в том виде, к которому мы привыкли при обсуждении распространения света или поглощения и излучения света атомами. В простейшем случае мы имеем дело с катушкой, по которой протекает созданный генератором переменный ток радиочастоты. Образец, содержащий исследуемые ядра, которые мы хотим подвергнуть воздействию электромагнитного поля, помещается на оси катушки. Ось катушки, в свою очередь, направлена перпендикулярно статическому магнитному полю B 0 (последнее создается с помощью электромагнита или сверхпроводящего соленоида). При протекании по катушке переменного тока на ее оси индуцируется переменное магнитное поле B 1 , амплитуда которого выбирается гораздо меньшей величины B 0 (обычно в 10000 раз). Это поле осциллирует с той же частотой, что и ток, т. е. с радиочастотой генератора.

Если частота генератора близка к вычисленной частоте, то происходит интенсивное поглощение ядрами водорода квантов света с переходом ядер в состояние с отрицательной проекцией μ z (поворот ядер). Если же частота генератора отличается от вычисленной, то поглощения квантов не происходит. Именно в связи с резкой (резонансной) зависимостью от частоты переменного магнитного поля интенсивности процесса передачи энергии от этого поля ядрам атомов, сопровождаемое поворотом их магнитных моментов, явление получило название ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Как же можно заметить такие перевороты ядерных моментов по отношению к статическому магнитному полю? Будучи вооруженными современной техникой ЯМР, это оказывается совсем нетрудно: выключив создающий поле B 1 генератор радиочастоты, следует одновременно включить приемник, использующий ту же катушку в качестве антенны. При этом он будет регистрировать радиоволны, излучаемые ядрами по мере их возвращения к первоначальной ориентации вдоль поля B 0 . Этот сигнал индуцируется в той же катушке, посредством которой ранее возбуждались магнитные моменты. Его временная зависимость обрабатывается компьютером и представляется в виде соответствующего спектрального распределения.

Из этого описания вы можете представить, что ЯМР-спектрометр весьма существенно отличается от привычных спектрометров, проводящих измерения в диапазоне видимого света.

До сих пор мы рассматривали упрощенную картину: поведение в магнитном поле изолированного ядра. В то же время понятно, что в твердых телах или жидкостях ядра совсем изолированными не являются. Они могут взаимодействовать между собой, а также и со всеми другими возбуждениями, распределение по энергиям которых определяется температурой и статистическими свойствами системы. Взаимодействия возбуждений различной природы, их происхождение и динамика являются предметом изучения современной физики конденсированного состояния.

Как был открыт ЯМР

Первые сигналы, соответствующие ядерному магнитному резонансу, были получены более шестидесяти лет назад группами Феликса Блоха в Оксфорде и Эдварда Парселла в Гарварде. В те времена экспериментальные трудности были огромны. Все оборудование изготавливалось самими учеными прямо в лабораториях. Вид аппаратов того времени несопоставим с сегодняшними (использующими мощные сверхпроводящие соленоиды) приборами ЯМР, которые можно увидеть в больницах или поликлиниках. Достаточно сказать, что магнит в экспериментах Парселла был создан с использованием утиля, найденного на задворках Бостонской трамвайной компании. При этом он был калиброван настолько плохо, что магнитное поле в действительности имело величину большую, чем требовалось для переворота ядерных моментов при облучении радиоволнами с частотой ν = 30 МГц (частота радиогенератора) .

Парселл со своими молодыми сотрудниками тщетно искали подтверждения того, что явление ядерного магнитного резонанса имело место в его экспериментах. После многих дней бесплодных попыток разочарованный и грустный Парселл решает, что ожидаемое им явление ЯМР не наблюдаемо, и дает указание выключить питающий электромагнит ток. Пока магнитное поле уменьшалось, разочарованные экспериментаторы продолжали глядеть на экран осциллографа, где все это время надеялись увидеть желанные сигналы. В некоторый момент магнитное поле достигло необходимой для резонанса величины, и на экране неожиданно появился соответствующий ЯМР сигнал. Если бы не счастливый случай, возможно прошли бы еще многие годы, прежде чем существование этого замечательного явления было бы подтверждено экспериментально.

С этого момента техника ЯМР стала бурно развиваться. Она получила широкое применение в научных исследованиях в областях физики конденсированного состояния, химии, биологии, метрологии и медицины. Наиболее известным применением стало получение с помощью ЯМР изображения внутренних органов.

Как осуществляется визуализация внутренних органов посредством ЯМР

До сих пор мы неявно предполагали, что, в пренебрежении влиянием слабых электронных токов в катушках, магнитное поле, в которое помещаются ядра, однородно, т. е. имеет одну и ту же величину во всех точках. В 1973 году Пол Латербур предложил проводить ЯМР-исследования, помещая образец в магнитное поле, меняющееся от точки к точке. Понятно, что в этом случае и резонансная частота для исследуемых ядер изменяется от точки к точке, что позволяет судить об их пространственном расположении. А поскольку интенсивность сигнала от определенной области пространства пропорциональна числу атомов водорода в этой области, мы получаем информацию о распределении плотности вещества по пространству. Собственно, в этом и заключается принцип техники ЯМР-исследования. Как видите, принцип прост, хотя для получения реальных изображений внутренних органов на практике следовало получить в распоряжение мощные компьютеры для управления радиочастотными импульсами и еще долго совершенствовать методологию создания необходимых профилей магнитного поля и обработки сигналов ЯМР, получаемых с катушек.

Представим себе, что вдоль оси х расположены маленькие заполненные водой сферы (рис. 3). Если магнитное поле не зависит от х, то возникает одиночный сигнал (см. рис. 3, а ). Далее предположим, что посредством дополнительных катушек (по отношению к той, которая создает основное, направленное по оси z, магнитное поле) мы создаем дополнительное, меняющееся вдоль оси х, магнитное поле B 0 , причем его величина возрастает слева направо. При этом понятно, что для сфер с различными координатами сигнал ЯМР теперь будет соответствовать различным частотам и измеряемый спектр будет содержать в себе пять характерных пиков (см. рис. 3, б ). Высота этих пиков будет пропорциональна количеству сфер (т. е. массе воды), имеющих соответствующую координату, и, таким образом, в рассматриваемом случае интенсивности пиков будут относиться как 3:1:3:1:1. Зная величину градиента магнитного поля (т. е. скорость его изменения вдоль оси х ), можно представить измеряемый частотный спектр в виде зависимости плотности атомов водорода от координаты х . При этом можно будет сказать, что там где пики выше, число атомов водорода больше: в нашем примере числа атомов водорода, соответствующих положениям сфер, действительно соотносятся как 3:1:3:1:1.

Расположим теперь в постоянном магнитном поле B 0 некоторую более сложную конфигурацию маленьких заполненных водой сфер и наложим дополнительное магнитное поле, изменяющееся вдоль всех трех осей координат. Измеряя радиочастотные спектры ЯМР и зная величины градиентов магнитного поля вдоль координат, можно создать трехмерную карту распределения сфер (а следовательно, и плотности водорода) в исследуемой конфигурации. Сделать это гораздо сложнее, чем в рассмотренном выше одномерном случае, однако интуитивно понятно, в чем этот процесс заключается.

Техника восстановления образов, сходная с той, которую мы описали, и осуществляется при ЯМР-томографии. Закончив накопление данных, компьютер посредством весьма быстрых алгоритмов начинает «обработку» сигналов и устанавливает связь между интенсивностью измеренных сигналов при определенной частоте и плотностью резонирующих атомов в данной точке тела. В конце этой процедуры компьютер визуализирует на своем экране двумерное (или даже трехмерное) «изображение» определенного органа или части тела пациента.

Поразительные «образы»

Чтобы полностью оценить результаты ЯМР-исследования внутренних органов человека (например, различных сечений головного мозга, которые физик-медик сегодня может получить не дотрагиваясь до черепа!), следует прежде всего понимать, что речь идет о компьютерном воссоздании именно «образов», а не о реальных тенях, возникающих на фоточувствительной пленке при поглощении рентгеновских лучей в процессе получения рентгеновского снимка.

Человеческий глаз является чувствительным датчиком электромагнитного излучения в видимом диапазоне. К счастью или несчастью, излучения, происходящие от внутренних органов, до наших глаз не доходят - мы видим человеческие тела только извне. В то же время, как мы только что обсуждали, в определенных условиях ядра атомов внутренних органов человеческого тела могут излучать электромагнитные волны в диапазоне радиочастот (т. е. частот, гораздо меньших, чем для видимого света), причем частота слегка меняется в зависимости от точки излучения. Глазом его не увидеть, поэтому такое излучение регистрируется с помощью сложной аппаратуры, а затем собирается в единое изображение с помощью специальной компьютерной обработки. И тем не менее, речь идет о совершенно реальном видении внутренней части предмета или человеческого тела.

К такому поразительному успеху человечество пришло благодаря ряду фундаментальных достижений научной мысли: это и квантовая механика с ее теорией магнитного момента, и теория взаимодействия излучения с веществом, и цифровая электроника, и математические алгоритмы преобразования сигналов, и компьютерная техника.

Преимущества ЯМР-томографии по сравнению с другими диагностическими методами многочисленны и значительны. Оператор может легко выбирать, какие сечения тела пациента просканировать, а также может подвергать исследованию одновременно несколько сечений выбранного органа. В частности, выбирая соответствующим образом градиенты магнитного поля, можно получить вертикальные сечения изображения внутренностей нашего черепа. Это может быть центральное сечение или сечения, смещенные вправо или влево. (Такие исследования практически невозможны в рамках рентгеновской радиографии.) Оператор может «сужать» поле наблюдения, визуализируя сигналы ЯМР, происходящие только от одного выбранного органа или только от одной из его частей, увеличивая таким образом разрешение изображения. Важным преимуществом ЯМР-томографии является также и возможность прямого измерения локальной вязкости и направления течения крови, лимфы и других жидкостей внутри человеческого тела. Подбирая необходимое соотношение между соответствующими параметрами, например длительностью и частотой импульсов, для каждой патологии оператор может достигать оптимальных характеристик получаемого изображения, скажем, повышать его контрастность (рис. 4).

Суммируя, можно сказать, что для каждой точки изображения (пикселя), соответствующей крошечному объему исследуемого объекта, оказывается возможным извлечь различную полезную информацию, в некоторых случаях включая и распределение концентрации тех или иных химических элементов в организме. Для повышения чувствительности измерений, т. е. увеличения отношения интенсивности сигнала к шуму, следует накапливать и суммировать большое число сигналов. В этом случае удается получить качественное изображение, адекватно передающее реальность. Именно поэтому времена проведения ЯМР-томографии оказываются довольно большими - пациент должен относительно неподвижно пребывать в камере несколько десятков минут.

В 1977 году английский физик Питер Мэнсфилд придумал такую комбинацию градиентов магнитного поля, которая, не давая особенно хорошего качества изображения, тем не менее позволяет получать его чрезвычайно быстро: для соответствующего построения хватает единственного сигнала (на практике это занимает приблизительно 50 миллисекунд). С помощью такой техники - ее называют планарным эхом - сегодня можно следить за пульсациями сердца в реальном времени: в таком фильме на экране чередуются его сокращения и расширения.

Можно ли было представить себе на заре создания квантовой механики, что через сто лет развитие науки приведет к возможности таких чудес?

Нельзя не отметить, что в 2003 году Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд были удостоены Нобелевской премии в области медицины «за изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

Физические основы МРТ

Для построения любых изображений необходимо измерить и сопоставить интенсивность сигнала в каждой точке будущего изображения ее координатам (т.е. расположению на изображении) или, другими словами, определить распределение интенсивности этого сигнала в двумерном (2D) или трехмерном (3D) пространстве. При проведении магнитно-резонансной томографии (МРТ) изображения срезов организма получают, измеряя распределение сигнала ядер водорода 1 H (протонов). Протоны являются составной частью практически всех молекул организма человека и, прежде всего, молекул воды и жировой ткани. Молекулы воды в организме могут находиться в свободном состоянии (внеклеточная и внутриклеточная вода) и в связанном состоянии (с ионами, углеводами, белками и даже, за счет энтропийных сил, с липидами). В зависимости от того, в каком состоянии находятся молекулы воды, сигналы протонов при одних и тех же условиях измерения будут иметь разные магнитные характеристики, что и определит относительный контраст тканей на МРТ-изображении. Вся сложная система МР-томографа нужна для измерения этого собственного сигнала ядер водорда тканей, что принципиально отличает МРТ от основной массы других методов лучевой диагностики и предопределяет ее уникальное дифференциально-диагностическое значение.

В основе магнитно-резонасной томографии (МРТ) лежит явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ядер водорода. Протоны обладают спином и, соответственно, магнитным моментом, как любые движущиеся заряженные частицы. Наиболее наглядная модель протона - это стрелка компаса, которая также обладает магнитным моментом. Если компас поместить в магнитное поле Земли, то его стрелка начнет колебаться вокруг направления силовых линий этого поля. Тоже самое происходит и с протонами. Когда пациента помещают в однородное магнитное поле МР-томографа (в клинической практике его напряженность не должна превышать 3,0 Тл), то ядра водорода тканей организма взаимодействуют с магнитным полем прибора. В результате магнитные моменты или спины протонов ориентируются под определенным углом к направлению силовых линий магнитного поля (см. рис. 2.1.1-Б), подобно тому, как это происходит в магнитном поле Земли со стрелкой компаса, и начинают вращаться (прецессировать ) с частотой, которая, как и угол отклонения спинов от направления силовых линий магнитного поля a o , прямопропорциональна напряженности поля B o и называется частотой прецессии ,частотой Лармора или резонансной частотой (таблица 2.1.1). В результате весь образец намагничивается, то есть возникает суммарная намагниченность образца параллельная оси, направленной вдоль силовых линий магнитного поля (обычно ее обозначают как ось Z ), которую называют продольной намагниченностью .

Таблица 2.1.1. Частота прецессии ядер водорода 1 Н при различных напряженностях магнитного поля МРТ-систем.

Если, затем в зазор магнита подать радиочастотный импульс E 0 с частотой w , равной частоте Лармора (часто обозначаемой как резонансная частота w o ), то прецессирующие ядра водорода смогут поглотить энергию этого радиочастотного импульса, в результате чего угол отклонения a их магнитных моментов от направления силовых линий магнитного поля МР-томографа изменится, так как за счет этой поглощенной дополнительной энергии ядра приобретут способность противостоять воздействию магнитного поля прибора. В зависимости от длительности действия возбуждающего радиочастотного импульса угол отклонения спинов по отношению к первоначальному направлению Da может составлять, например, 90 о или 180 о: Такие радиочастотные импульсы назвают, соответственно, 90–градусными или 180-градусными. При этом суммарный вектор продольной намагниченности образца (по оси Z , направленной вдоль силовых линий магнитного поля) изменится (чаще – уменьшится) на величину, которая зависит от длительности действия радиочастотного импульса. Так как исходно (до помещения в магнитное поле томографа) магнитные моменты ядер водорода были направлены хаотически – в разные стороны (рис.2.1.1-А), то и после их попадания в магнитное поле (рис.2.1.1 АÒБ), спины хотя и вращаются по конусу, ориентированному по направлению силовых линий магнитного поля, но их прецессия осуществляется асинхронно (или некогерентно ), то есть с разной фазой f прецессии (рис.2.1.1-Б). В результате, в каждый момент времени для любого спина направленного в одну из сторон, имеется другой аналогичный спин с обратным (противоположным) направлением. Таким образом, суммарный вектор намагниченности образца в плоскости перпендикулярной оси Z , направленной вдоль силовых линий магнитного поля, обычно обозначаемой как плоскость XY , равен нулю (рис.2.1.1-Б).

Рисунок 2.1.1. Общая схема получения сигнала ядерного магнитного резонанса в виде спада свободной индукции (пояснения в тексте).

На следующем этапе образец с помощью передающей катушки облучают радиочастотным полем E 0 , частота которого (ее еще называют резонансной частотой МРТ-системы ) (рис.2.1.1 БÒВ) обычно составляет несколько дестятков мегагерц (табл. 2.1.1).

За счет действия радиочастотного импульса вращение всех спинов синхронизируется (становятся когерентными ), то есть их фаза f становится одинаковой f=f 0 , и в плоскости XY возникает суммарный сигнал магнитных моментов ядер водорода или поперечная суммарная намагниченность образца (рис.2.1.1-В). Если в просвете магнита размещена приемная радиочастотная катушка (радиоантена), способная измерить радиосигнал в этой плоскости, то вращение суммарного вектора намагниченности образца в плоскости XY вызовет возникновение в приемной катушке переменного тока, который и может быть зафиксирован. Измерение электрических колебаний после выключения возбуждающего радиочастотного имупльса таким приемным контуром фактически означает измерение сигнала ЯМР протонов тканей организма. Сам сигнал магнитного резонанса ядер водорода (его еще называют сигналом свободной индукции или ССИ (рис. 2.1.1-В) имеет затухающий характер, который отражает возвращение спиновой системы к исходному (до подачи возбуждающего радиочастотного импульса) состоянию, то есть происходит ЯМР-релаксация (рис.2.1.1 ВÒБ) магнитноактивных ядер: за счет рассеивания накопленной энергии в окружение спинов, называемое решеткой , к исходному значению возвращается угол отклонения спинов (спин-решеточная релаксация ) и нарушается взаимная синхронизация вращения спинов, то есть взаимоотношение между отдельными спинами (спин-спиновая релаксация ). Указанные процессы количественно характеризуются временами спин-решеточной Т 1 или спин-спиновой Т 2 релаксации , а точнее скоростями спин-решеточной W 1 или спин-спиновой W 2 релаксации . Времена релаксации в тканях зависят от температуры, подвижности ядер водорода (в жидкостях они длиннее, чем в мягких тканях) и от наличия парамагнитных или ферромагнитных релаксационных центров (чем больше концентрация таких парамагнитных или ферромагнитных веществ, тем короче вермена релаксации ядер водорода). Время спин-спиновой релаксации Т 2 кроме того зависит еще и от микрокружения протонов (рН, йонной силы раствора и т.д.), что делает эту характеристику протонов тканей более чувствительнойк развитию патологического процесса, чем время Т 1 . Отметим, что времена релаксации тканей организма человека зависят и от возраста. При миелинизации головного мозга человека в течение первого года жизни соотношение времен релаксации серого и белого вещества мозга меняется на обратное, которое и сохраняется затем в течение всей жизни (рис. 2.1.2): времена релаксации белого вещества головного мозга новорожденного больше, чем у серого, а уже в возрасте старше 1 года белое вещество головного мозга релаксирует быстрее.

Рисунок 2.1.2. Времена релаксации белого и серого вещества головного мозга в течение жизни человека уменьшаются. Обратить внимание стоит на «перекрест» уровней времен релаксации в первый год жизни.

Сами времена релаксации с возрастом уменьшаются, при этом содержание воды в головном мозге уменьшается с 93-95% сразу после рождения до 82-84% к концу второго года жизни.

Итак, резонансная частота всех ядер водорода объекта w o почти одинакова и прямопропорциональна величение напряженности магнитного поля B o . Если в этих условихя по одной из осей создать магнитное поле, напряженность которого будет линейно меняться вдоль этой оси, то частота прецессии протонов w будет линейно связана с их расположением (координатой) по выбранной оси. То есть будет осуществлено частотное пространственное кодирование положения точек по одной из осей (рис. 2.1.3). Такое линейное изменение магнитного поля создают наложением дополнительного градиентного магнитного поля G или, другими словами, включением градиента магнитного поля в определенном направлении.

Для того чтобы узнать резонансную частоту протонов w измеренный переменный ССИ (ЯМР-сигнал) обрабатывают, используя преобразование Фурье (Fourier Transformation или FT ). Фурье-преобразование позволяет выяснить конкретный вклад ядер с различными резонансными частотами в формировании полученного при измерении ЯМР-сигнала. В результате такой обработки вместо зависимости измеренной амплитуды затухающего ЯМР-сигнала от времени получается распределение вкладов (количества) магнитных ядер от их резонансной частоты. Такое распределение называется спектром ЯМР . Амплитуда пика (точнее площадь под кривой спектральной линии) прямопропорциональна концентрации ядер с данной частотой прецессии, а положение пика на спектре однозначно определяется частотой этой прецессии. Сами времена релаксации с возрастом уменьшаются, при этом содержание воды в головном мозге уменьшается с 93-95% сразу после рождения до 82-84% к концу второго года жизни.

Рисунок 2.1.3. Включение градиента магнитного поля G в направлении «голова-ноги» приводит к тому, что частота протонов каждого слоя (среза) по этому направлению отличается друг от друга на величину Dw пропорциональную величине изменения магнитного поля DG . Резонансная частота w o остается прежней только в одном слое. В результате, по резонансной частоте протонов слоя можно точно определить его расположение по направлению изменения напряженности магнитного поля, то есть его координату по этой оси.

Рисунок 2.1.4. При измерении ЯМР-сигнала трех одинаковых объектов, по-разному расположенных на оси X , в отсутствии градиента магнитного поля (А ) получаем однородный ЯМР-сигнал, который после Фурье-преобразования, даст одну спектральную линию (пик) большой апмлитуды (резонансная частота одна и та же у всех трех образцов). В присутствии градиента магнитного поля (Б ) каждый из образцов будет иметь свой пик (свою частоту) на спектре в соотвествии с их расположением вдоль оси X. А мплитуда каждого из пиков будет в три раза меньше, чем амплитуда большого пика на спектре до включения градиента.

Фактически пространственное частотное кодирование позволяет получить одну из «проекций» будущего изображения объекта, а точнее распределение ЯМР-сигнала по одной из осей трехмерного пространства за счет формирования ЯМР-спектра. Так, если разместить в постоянном магнитном поле три одинаковых пробирки с водой в ряд по оси X (рис. 2.1.4 - А), то на ЯМР-спектре будет получен один пик, содержащий ЯМР-сигналы всех трех пробирок, так как их резонансная частота будет одинакова. При создании линейного изменения магнитного поля по этой оси на ЯМР-спектре будут получены три пика, взаимное расположение которых будет однозначно отражать расположение пробирок по оси X (рис. 2.1.4 - Б). Таким образом, ЯМР-спектр будт представлять собой «проекцию» расположения пробирок по оси X .

Меняя направление градиента магнитного поля по всему трехмерному пространству можно получить целую серию таких «проекций» (рис.2.1.5), по которым (как в рентгеновской компьютерной томографии) можно восстановить изображение объектов (метод обратных проекций). Однако такая процедура потребует очень большого времени, так как в каждой из трех плоскостей необходимо будет получить множество проекций: надо пройти от 0 о до 180 о с шагом порядка 1-2 о, который, вообще говоря, будет зависить от заданного разрешения.

Рисунок 2.1.5. Получение ЯМР-спектров по двум осям X и Y (А) позволяет определить расположение объектов на плоскости XY . Многократное повторение этой процедуры по всем направлениям (Б) даст возможность определить форму исходных объектов.

В то же время включение градиента магнитного поля влияет не только на резонансную частоту ядер w , но и на их фазу f . За счет этого эффекта в присутствии градиента магнитного поля расфазировка спинов происходит гораздо быстрее, то есть спин-спиновая релаксация ускоряется. В то же время скорость изменения фазы спинов напрямую зависит от величины магнитного поля в данной точке, а это значит, что конкретная фаза спинов по направлению действия градиента магнитного поля зависит от их расположения в пространстве (рис.2.1.6).

Рисунок 2.1.6. В отсутствии градиента магнитного поля изменения фазы (А) незначительны. При постоянной продолжительности действия градиента магнитного поля, меняя его полярность (Б) или амплитуду (В), можно управлять величиной фазового угла.

В результате действия этого фазокодирующего градиента фазовый угол спинов содержит информацию о координатах ядер в пространстве по направлению его действия, а сама процедура может быть использована для фазового пространственного кодирования .

Таким образом, с помощью частотного и/или фазового пространственного кодирования можно однозначно сопоставить амплитуду ЯМР сигнала той или иной точки с ее координатами в пространстве.

Однако, измерение ССИ в условиях градиентных магнитных полей имеет определенные технические трудности, так как этот сигнал очень слабый и относительно быстро затухает (из-за ускоренной спин-спиновой релаксации). Для того, чтобы его измерить в этих условиях приходится повторно формировать этот сигнал при наличии градиетнов магнитных полей. Существуют два способа формирования такого сигнала: с помощью получения спинового эхо или формируя градиентное эхо.

Спиновое эхо формируется за счет включения через некоторое время t после подачи первого возбуждающего радиочастотного 90 о -импульса дополнительного 180 о -импульса, который «разворачивает» релаксирующие спины на 180 о, и они оказываются зеркально отраженными по отношению к плоскости XY (в эту плоскость спины поворачиваются после подачи 90 о -импульса), где через время t спины снова соберутся, формируя сигнал спинового эхо . При этом все влияние на релаксацию неоднородности магнитного поля нивелируется. Наиболее удачной аналогией поведения спинов может служить пример с бегунами (рис.2.1.7), которые после старта (возбуждающий 90 о -импульс) бегут с разной скоростью(скорость спин-спиновой релаксации и действие неоднородности поля).

Рисунок 2.1.7. Получение спинового эхо: все участники (спины) стартуют одновременно (после 90 о -импульса) и удаляются друг от дурга за счет разной скорости бега (спин-спиновой релаксации и неоднородности магнитного поля). «Собирающий» 180 о -импульс зеркально отражает участников забега относительно линии старта, и более быстрые бегуны догонят более медленных только на линии старта.

Однако после «зеркального отражения» («собирающий» 180 о -импульс) по отношению к линии старта (плоскость XY ) те из бегунов, которые были быстрее и убежали дальше, оказываются дальше от линии старта и догоняют более медленных. Учитывая, что все факторы, влиявшие на бег спортсменов при их старте, продолжают действовать в том же направлении и после «отражения», их действие на скорость бега нивелируется, и бегуны достигают линии старта одновременно.

Градиентное эхо получают резко меняя полярность градиента магнитного поля, в результате чего меняется на противоположное направление релаксации спинов, при этом быстро релаксирующие (из-за спин-спиновой релаксации и действия градиента и неоднородности магнитного поля) спины оказываются дальше от исходного положения, к которому из-за изменения направления стремятся спины. При этом воздействие градиентов и недонородности магнитного поля не только не нивелируется, но и дополнительно ускоряет поперченную релаксацию ядер. В уже приведенной аналогии с бегунами (рис. 2.1.8) после старта (возбуждающий радиочастоный импульс) расстояние между участниками забега увеличивается за счет разной скорости (скорость спин-спиновой релаксации и действие неоднородности магнитного поля).

Рисунок 2.1.8. Получение градиентного эхо: все участники (спины) стартуют одновременно (возбуждающий радиочастотный импульс) и удаляются друг от дурга за счет разной скорости бега (спин-спиновой релаксации и неоднородности магнитного поля). После разворота бегунов на месте (переключение знака градиента) более быстрые бегуны оказываются дальше от линии старта, чем медленные. В результате быстрые спортсмены догонят более медленных только на линии старта.

В некоторый момент (переключение полярности градиента) бегуны разворачиваются на месте и бегут обратно к линии старта, при этом более быстрые спортсмены оказываются позади более медленных и вынуждены их догонять. В этом случае «мешающие» бегу факторы действуют в разных направлениях и не нивелируются: например, если ветер до разворота дул в спину, то при беге в обратную сторону будет дуть в лицо. Благодаря изменению направления релаксации возбуждающий радиочастотный импульс при формировании градиентного эхо может быть меньше 90 о, что является необходимым условием при использовании спинового эхо. Радиочастотные импульсы и импульснный градиент магнитного поля включаются в определенном порядке, получившем название импульсной последовательности (ИП ). Время от одного возбуждающего радиочастотного импульса до другого (то есть от одного пакета импульсов до начала другого) называют временем повторения (Repetition Time или TR ). Время от начала релаксации спинов до максимального значения эхо-сигнала называют временем эхо (Echo Time или TE). При сравнении импульсных последовательностей спиновой эхо и градиентное эхо (рис. 2.1.9) обращает внимание, что за счет более быстрой релаксации градиентное эхо позволяет использовать более короткие времена TR и TE .

Рисунок 2.1.9. После подачи возбуждающего 90 о -импульса сигнал спинного эхо формируется через время TE за счет включения 180 о радиочастотного импульса (А ). При градиентном эхо источником формирования эхо-сигнала является изменение полярности градиента (Б ).

Независимо от выбранного способа получения эхо-сигнала для формирования полноценного изображения при магнитно-резонансной томографии (МРТ) необходимо получить информацию о распределении ЯМР-сигнала, который будет представлять собой тот или иной эхо-сигнал, в каждой точке трехмерного пространства. При 2D МРТ сначала возбуждают один срез (см. рис. 2.1.10), за счет подачи селективного возбуждающего радиочастотного импульса в присутствии срезвыбирающего градиента магнитного поля. Чем больше величина градиента магнитного поля, тем тоньше будет толщина среза и меньше соотношение сигнал/шум. Увеличение количества срезов увеличит и время исследования.

Рисунок 2.1.10. В результате включения селективного возбуждающего радиочастотного импульса с частотой w о в присутствии градиента магнитного поля G о в направлении «голова-ноги» протоны только одного среза будут формировать ЯМР-сигнал, так как только для этого среза имеется точное соответствие условиям магнитного резонанса – только его частота равна w о. Для измерения сигнала соседнего среза необходимо повторить процедуру, изменив величину градиента магнитного поля.

Рисунок 2.1.11. Для получения полноценного двумерного МРТ изображения используется подача трех импульсных градиентных магнитного поля в трех взаимно перпендикулярных направлениях:

А. Для возбуждения протонов выбранного среза совместно с возбуждающим 90 о радиочастотным импульсом с частотой w о включается импульсный срезвыбирающий градиент, создающий условия для ЯМР на частоте w о только в одном из срезов (отмечено стрелками). Затем, подавая в перепендикулярном друг другу направлении импульсные фазокодирующий и частотнокодирующий градиенты магнитного поля, измеряют ЯМР-сигнал каждой точки этого среза отдельно. Для этого измерения с помощью 180 о радиочастотного импульса и нового импульса срезвыбирающего градиента формируют сигнал спинового эхо, фиксация величины которого происходит в присутствии импульсного частотнокодирующего градиента магнитного поля.

Б. Двумерное распределение точек среза получают за счет одновременного включения в перепендикулярном друг другу направлениях фазокодирующего и частотнокодирующего градиентов магнитного поля, в результате чего каждая точка этого среза получает свой фазовый угол и частоту, однозначно определющих ее располжение в срезе.

После выбора среза в перпендикулярной плоскости подаются фазокодирующий (или подготавливакющий ) и частотнокодирующий (или считывающий ) градиенты (рис. 2.1.11-А), которые позволяют однозначно связать (закодировать) измеренные эхо-сигналы с их распределением в выбранном срезе. В результате действия фазокодирующего градиента протоны в выбранном срезе расположенные в разных строках или слоях имеют различный фазовый угол, а за счет частотнокодирующего градиента в перпендикулярном направлении (по длине этого «фазово-однородной» строчки) частота протонов линейно меняется в соответствии с величиной градиента (рис.2.1.11-Б). Для получения информации о всех строках среза необходимо повторять всю процедуру в зависимости от выбранной матрицы копления в направлении действия фазокодирующего градиента магнитного поля (например, при матрице МР-томограммы размерностью 256х256 точек или пиксел необходимо проведение 256 циклов для каждого среза), что существенно удлиняет время исследования. Но при этом, чем больше фазокодирующих циклов приходится проводить, тем выше будет отношение сигнал/шум.

Размерность матрицы копления по направлению частотнокодирующего градиента прямо не влияет на время исследования, но при ее увеличении уменьшается отношение сигнал/шум, что требует большего числа коплений, а значит и больешго времени. Вся полученная информация после двумерного преобразования Фурье представляется в виде ряда (в соответствии с выбранным количеством срезов) 2D томограмм. Кроме того, время копления очевидно зависит и от числа срезов, так как для получения изображений всех срезов процедуру следует повторить в соответствии с этим числом.

Отрасль медицинской диагностики имеет в своем арсенале уже достаточно методов, позволяющих определить заболевание, поразившее тот или иной орган. МРТ (магнитно-резонансная томография) – обследование, прочно занявшее лидирующую позицию благодаря своим особенностям. Что такое МРТ и почему методика стала востребована в последние несколько десятилетий практически по всему цивилизованному миру, можно узнать при ознакомлении с принципом работы аппаратуры, применяемой для осуществления процедуры.

Немного истории

1973 год, в котором Пол Лотербур – профессор химии опубликовал свою статью о создании изображения на основе магнитного резонанса в научном журнале Nature, всеми единогласно принят за время основания метода. Немного позднее Питер Мэнсфилд – британский физик, усовершенствовал математические составляющие создания изображения. За вклад в создание магнитно-резонансной томографии оба ученых получили Нобелевскую премию в 2003 году.

Весомый прорыв в развитие метода произошел при изобретении МРТ-сканера американским ученым и врачом Реймондом Дамадьяном, одним из первых исследователей возможностей МРТ. По многочисленным сведениям, ученый является создателем и самого метода, так как еще 1971 году им была опубликована идея об обнаружении рака при помощи МРТ. Также имеется информация о подаче заявки в Комитет изобретений и открытий от советского изобретателя Иванова В.А. по данной теме, подробно описанной уже в 2000 году.

На чем базируется диагностика

Принцип действия МРТ основывается на возможности изучать ткани человеческого организма, исходя из их насыщенности водородом и магнитных свойств. Ядро водорода имеет один протон, содержащий спин (магнитный момент), который под действием магнитного и градиентных (дополнительных) полей, подаваемых на резонансной для него частоте, меняет ориентацию в пространстве.

По параметрам протонов, его магнитных моментов и их векторов, существующих только в двух фазах, а также привязке протона к спинам, можно сделать вывод, в какой тканевой субстанции расположен атом водорода. Воздействие на участок тела электромагнитным полем определенной частоты приводит к смене у части протонов магнитного момента на противоположный, а затем к возврату в исходную позицию.

Программа сбора данных МР томографа регистрирует выброс энергии, возникающей при релаксации возбужденных частиц – протонов. С момента создания метод получил название ЯМРТ (ядерно магнитно-резонансная томография), и назывался так вплоть до аварии на Чернобыльской АС. После было решено убрать из названия первое слово, чтобы не вызывать опасения у проходящих сканирование МРТ.

Особенности работы томографа

Аппарат для МРТ, что это такое, и каковы особенности его устройства? Первые приборы, с помощью которых осуществлялась процедура МРТ, создавали магнитное поле с индукцией 0,005 Тл (Тесла) и качество снимков было низким. Томографы нашего времени оснащены мощными источниками, создающими сильное электромагнитное поле. К ним относятся электромагниты с индукцией до 1–3 Тл, иногда до 9,4 Тл, работающие в жидком гелии, и постоянные магниты до 0,7 Тл, имеющие высокую мощность (неодимовые).

Постоянные вызывают в тканях более слабую магнитно-резонансную реакцию, чем электромагнитные, поэтому область использования первых весьма ограничена. Но при этом постоянные магниты дают возможность провести МРТ обследование при положении стоя, в движении и обеспечивать врачебный доступ к проходящему процедуру при выполнении как диагностических действий, так и лечебных. Такой контроль, позволяет делать МРТ, так называемый метод интервенционной магнитно-резонансной томографии.

Принцип строения томографа

Качество изображений, полученных на МРТ аппарате 3, и, к примеру, 1, 5 Тл, как правило, не отличается. Четкость снимков зависит от настроек оборудования. Но результаты обследования на томографах с индукцией 0,35 Тл будут намного ниже качеством, чем на аппаратах 1,5 Тл. Оборудование, генерирующее поле менее 1 Тл, не позволит получить информативные снимки внутренних органов (брюшной полости и малого таза).

На таких томографах проводится только лишь диагностика головы, позвоночника, суставов, когда описание МРТ не требует изображений высокой точности.

Почему в большинстве случаев выбирается МРТ?

МРТ диагностика и КТ (компьютерная томография) – два метода, основанные на получении послойных изображений органов. Томография в переводе с греческого – сечение. Но при этом методики имеют и различия – КТ выполняет снимки при использовании рентгеновских лучей, что подвергает организм человека лучевой нагрузке, иногда даже довольно большой. Несмотря на небольшую разницу в стоимости процедур, зачастую проводится МРТ, потому что КТ лучше визуализирует только костные ткани.

А в остальных случаях выбирается первая процедура, так как показывает МРТ все мягкие и хрящевые структуры, сосудистые и нервные образования разных размеров. Исследование выявляет множество патологических процессов самого разнообразного характера. К тому же процедуру, такую как МРТ можно назначать беременным и кормящим женщинам, детям, не боясь о возможном вреде их здоровью или внутриутробному развитию плода. Исследование имеет определенные противопоказания, но многие из них не являются абсолютными и при выполнении определенных условий его можно провести.

Когда необходима диагностика при использовании магнитного поля?

Показания к МРТ полностью основываются на ее диагностических особенностях, а именно на количестве молекул водорода в тканях. Так, практически во всех мягких и хрящевых образованиях, благодаря процедуре можно диагностировать следующие разновидности патологических процессов:

К тому же, после того как делают МРТ, становится доступно отследить изменения в сосудистых руслах кровеносной системы, а также лимфатической и ее узлах. Диагностика позвоночника данным методом позволяет воссоздать полное (трехмерное) изображение всех образующих его структур, и провести анализ деятельности опорно-двигательной, нервной и системы кровообращения.

МРТ головного мозга позволяет получить 3D модель органа

Эта особенность диагностики иногда заставляет пациентов, получивших назначение на процедуру задаться вопросом, зачем делают МРТ позвоночника, если костные ткани при обследовании визуализируются недостаточно хорошо? Рекомендация к прохождению обоснована, тем, что патологии позвоночника часто приводят к возникновению заболеваний окружающих тканей, например, тот же остеохондроз, вызывающий ущемление нервов.

В каких случаях нельзя проводить процедуру?

Даже учитывая, что МРТ – исследование безвредное и не инвазивное, все же есть причины, препятствующие его выполнению. Самая главная, которая и является абсолютным противопоказанием к процедуре – это наличие в теле металлических предметов. Причина, напрямую связанная с принципом проведения процедуры.

Поэтому, если у пациента присутствуют кардиостимулятор (водитель сердечного ритма), зубные и ушные несъемные металлические имплантаты, протезы клапанов сердца, ферромагнитные осколки, металлические пластины в костях, аппарат Елизарова, то на вопрос, можно ли делать МРТ, ответ однозначно отрицательный. Исключение только изготовленные имплантаты из титана, так как он не является ферромагнетиком и не отреагирует на воздействие магнитного поля.

Особую опасность предоставляют электромагнитные колебания для людей с кардиостимулятором, так как могут вывести его из строя, поставив жизнь пациента под угрозу. Относительных противопоказаний выделяется гораздо больше, но почти каждое из них можно обойти и провести процедуру при каких-либо способствующих обстоятельствах.

Так, к относительным препятствиям для проведения обследования причисляются:

клаустрофобия, психические и физиологические расстройства, проявляющиеся повышенной возбудимостью и невозможностью выдержать процедуру в спокойном состоянии;
общее тяжелое состояние пациента – необходимость постоянного контроля его основных жизненных показателей – дыхания, ритмов сердца, пульса, АД;
аллергическая реакция на контрастный препарат (в случае необходимости провести );
беременность первого триместра (врачи опасаются назначать процедуру на этом сроке, так идет закладка основных органов плода);
сердечная, дыхательная и почечная недостаточность в стадии декомпенсации;
ожирение 2–3 степени при массе свыше 120–150 кг.

Для каждой из вышеперечисленных ситуаций можно подобрать альтернативный вариант либо определиться необходимо ли МРТ настолько, или его можно заменить каким-либо другим обследованием. Можно избавить человека, страдающего клаустрофобией, от неудобств либо попробовать провести процедуру пациенту с большим весом, для чего делают МРТ на открытом томографе.

Аппарат МРТ с открытым контуром

Нужно ли подготавливаться к процедуре?

Диагностика электромагнитным полем не нуждается в подготовительном процессе. Нет необходимости придерживаться определенного режима питания и соблюдать диету. Только при необходимости исследовать органы малого таза нужно прийти на процедуру с наполненным мочевым пузырем – так как диагностирует МРТ данную область при расправленных стенках органа.

Существует еще один момент, который следует учитывать при назначении МРТ с контрастным усилением. Даже при условии, что для контрастирования применяются не вызывающие аллергические реакции препараты на основе солей гадолиния (Омнискан, Гадовист), все равно предварительно нужно провести тест. Нельзя исключать индивидуальную непереносимость каждого конкретного пациента.

Перед тем как идти на процедуру лучше всего будет продумать одежду и выбрать ту, которая не содержит металлических предметов – замков-молний, пуговиц, страз и других украшений. В некоторых частных клиниках предлагают переодеться в медицинскую сорочку, специально предназначенную для подобного рода мероприятий. Не следует приходить на МРТ в белье с люрексом, так как его нить создана с примесью железа.

Непосредственно перед диагностикой нужно снять все украшения, часы, очки, съемные зубные протезы и ушной аппарат.

Немаловажным моментом, который стоит не игнорировать, является посещение кабинета со всеми предыдущими, если таковые имеются, результатами обследований. Это позволит врачу сразу же сравнить новые снимки и сделать вывод об эффективности лечения или о скорости прогрессирования заболевания, либо его ремиссии. Аппараты МРТ создают настолько мощное магнитное поле, что в кабинете диагностики не присутствует никаких металлических предметов – кушеток, костылей, тростей и других личных вещей пациентов – все предметы остаются за дверью комнаты. После чего только пациенту разрешается проходить на диагностику.

Проведение исследования

Итак, полностью подготовленный пациент располагается на аппаратном столе-кушетке и медицинский персонал фиксирует его для обеспечения полной неподвижности, с учетом того, какую область нужно обследовать. Для закрепления тела больного применяются специально предназначенные ремни и валики. Параллельно ему объясняется, что работа томографа сопровождается довольно громким шумом – постукиванием, гулом, что это абсолютно нормально и не должно вызывать опасений.

Специальное крепление для проведения МРТ головы

Для комфорта при проведении процедуры обследуемому предлагаются наушники либо беруши, что поможет избавиться от неприятных шумовых эффектов. Уведомляют о наличии двухсторонней связи между диагностическим кабинетом и комнатой, в которой находится специалист, управляющий процессом. В любой момент, если пациент почувствует нарастание паники либо смены своего состояния в сторону ухудшения, можно сообщить врачу и он прервет сканирование.

Безусловно, будет хорошо, если пациент перед прохождением МРТ почитает отзывы о нем на любых интернет-порталах, оставленные людьми уже прошедшими диагностику. Тогда он сможет подготовиться морально. Если же он знает, что в подобных ситуациях может испугаться, то стоит заранее позвать с собою на процедуру близкого человека. Для этого нужно предварительно узнать, нет ли у сопровождающего лица противопоказаний к нахождению в электромагнитном поле, чтобы не принести ему вред и не создать помехи для проведения процедуры.

Если все условия выполнены, то кушетка томографа, на которой располагается пациент, задвигается в тоннель аппарата и запускается магнитно-резонансное сканирование. Сама процедура может длиться от 20 минут и до часа – это зависит от особенностей исследуемой области. Если же существуют показания МРТ с контрастированием, например, при подозрениях на онкологические процессы, то время диагностики, как правило, увеличивается вдвое.

После диагностирования

По окончании процедуры в большинстве клиник пациенту предлагается подождать 1–2 часа, пока врач расшифрует результаты исследования. После чего полученные данные выдаются на руки прошедшему обследование в виде снимков, а также на цифровых носителях – компактных дисках, которые доступно можно просмотреть в любое удобное время. Никакого дополнительного отдыха от МРТ не требуется – диагностика не влияет на физическое, психическое и эмоциональное состояние пациента. По завершении всех мероприятий, связанных с посещением клиники, он может заниматься своими привычными делами, в том числе и управлять различной техникой.

Магнитно-резонансная томография – МРТ. Магнитно-резонансная томография