ГЛАВА 1 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Васильев, Валерий Анатольевич.
| В | Основы магнитно-резонансной томографии: учебное пособие для обучающихся по направлениям подготовки специалитета «Лечебное дело», «Педиатрия» / В. А. Васильев ; М-во науки и высшего образования Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования Петрозавод. гос. ун-т. — Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2021. — 36 с. |
ISBN
В учебном пособии изложены возможности, показания и противопоказания к проведению, а также особенности магнитно-резонансных исследований в современной клинической практике. Рассматриваются физические принципы и режимы магнитно-резонансной томографии на примере различных органов и систем, особенности применения контрастных веществ и современные методики исследований.
Издание предназначено для студентов 3-4 курсов высших медицинских образовательных учреждений, врачей-ординаторов.
УДК
ББК
| © Васильев В. А, 2021 | |
| ISBN | © Петрозаводский государственный университет, 2021 |
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ Основы магнитно-резонасной томографии
1.1 История развития метода
1.2. Физические основы магнитно-
резонансной томографии
ГЛАВА 2. Устройство и принцип работы
магнитно-резонансного томографа
2.1. Типы магнитов для
магнитно-резонансной томографии
ГЛАВА 3. Безопасность И Противопоказания
к проведению МРТ
|
|
|
3.1. Безопасность при проведении магнитно-
резонансной томографии
3.2. Противопоказания к проведению магнитно-
резонансной томографии
ГЛАВА 4. ИМПУЛЬСНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
И РЕЖИМЫ МРТ
4.1. Режимы магнитно-резонансной томографии
4.2. Импульсные последовательности
магнитно-резонансной томографии
ГЛАВА 5. КОНТРАСТНЫЕ ВЕЩЕСТВА
ДЛЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
ГЛАВА 6. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ
МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
6.1. Магнитно-резонансная ангиография
6.2. Перфузионная и диффузионная
магнитно-резонансная томография
6.3. Функциональная магнитно-резонансная
томография
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Двадцатый век охарактеризовался появлением многих инновационных методов лучевой диагностики, которые существенно расширили наши возможности исследования человеческого организма. К ним относятся ультразвуковые исследования, радионуклидная визуализация, рентгеновская компьютерная томография и ряд других. Магнитно-резонансная томография (МРТ) занимает среди них особое положение, так как является уникальным методом, основанном на весьма сложных, но в то же время безусловно интересных физических принципах.
|
|
|
Эта методика не только значительно увеличила наши возможности в диагностическом плане, но и позволила получить много новой информации о функционировании головного мозга. Поэтому важной областью применения МРТ являются не только клиническая практика, но и научно-исследовательская работа. Метод обладает рядом важных преимуществ по сравнению с другими способами медицинской визуализации, в частности, он безопасен в плане лучевой нагрузки. При проведении МРТ используется электромагнитное излучение, частота которого лежит в диапазоне радиоволн, и оно является неионизирующим. Немаловажно, что МРТ является неинвазивной технологий, необременительной для пациента и выполнимой практически в любой клинике. Конечно, методика имеет свои недостатки, так как идеального метода медицинской интроскопии не существует, поэтому клиницисту важно понимать его возможности, с одной стороны, и ограничения, с другой.
Что касается областей применения магнитно-резонансных исследований, то они достаточно обширны. Метод широко используется в диагностике патологии центральной нервной системы, сердца и сосудов, поверхностно расположенных органов, таких как суставы, щитовидная и молочная железы и др.
|
|
|
Применение специфических контрастных веществ на основе гадолиния значительно увеличило диагностические возможности методики при исследовании пациентов с онкологическими заболеваниями и рассеянным склерозом. Кроме того, МРТ обладает широким спектром программных технологий, позволяющих улучшить визуализации того или иного типа ткани, того или иного органа и системы.
В последние два десятилетия, в связи с появлением высокопольных томографов и сверхбыстрых импульсных последовательностей, перед магнитно-резонансной томографией открылись новые диагностические перспективы. Это относится, в первую очередь, к исследованию головного мозга, так, появилась возможность оценки скорости диффузионных процессов в головном мозге, локального кровотока, скорости магистрального кровотока по церебральным сосудам, динамики ликвора.
ГЛАВА 1 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАСНОЙ ТОМОГРАФИИ
История развития метода
В 1972 году профессор Пол Лаутербур направил в журнал «Nature» статью, посвящённую новому, предложенному им способу интроскопии тела человека под названием «Зигматография». Эта работа не была сразу принята редакцией журнала и увидела свет только в 1973 году после внесения определенных правок. В этой публикации впервые было продемонстрировано изображение двух трубок с водой, полученное с помощью метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Автор предположил, что подобная технология может использоваться для проведения медицинской томографии и изучения строения тела человек. Однако наряду с Лаутербуром приоритет создания нового метода лучевой диагностики оспаривают целый ряд исследователей, и вполне небезосновательно, так как каждый из них внес определённый вклад в развитие этой технологии.
|
|
|
Первые медицинские аппараты для визуализации, основанные на новых физических принципах, также назывались ЯМР-томографы, однако в последующем слово «ядерный» из названия было убрано, так как оно вызывало нежелательные ассоциации с радиоактивностью и опасностью для организма пациента.
История создания МРТ весьма интересна и обширна, поэтому будет изложена достаточно кратко, в виде основных вех. В 1882 известный венгерский ученый Никола Тесла сделал фундаментальное открытие вращающегося магнитного поля. В 1956 международная электротехническая комиссия объявила о введении единицы «тесла» для измерения магнитной индукции. Напряженность магнитов, используемых в МРТ, измеряют именно в Тесла, и от этой величины зависят некоторые их важные характеристики, которые оказывают влияние, например, на области применения томографов.
В 1922 году ученые Отто Стерн и Уолтер Герлах провели эксперимент, в результате которого было открыто явление так называемой спиновой квантизации в электронах. Их целью было изучения магнитных свойств электрона, для этого они пропускали пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле. В итоге на выходе было получено два пучка, результаты эксперимента были позже объяснены учеными Уленбеком и Годсмитом в 1925 и 1926 гг. Согласно их теории, электрон имеет внутренний магнитный момент, или спин с двумя возможными значениями. Как выяснилось, подобные спины имеют и протоны, входящие в состав ядра атомов.
Следующее важное открытие было совершено в 1937 профессором Изидором Раби, который занимался исследованиями явления, получившего название ЯМР, в молекулярных лучах. Он обнаружил, что радиочастотный сигнал (радиосигнал) поглощается или испускается атомными ядрами образцов, которые помещались в сильное магнитное поле. Причем для эффективного поглощения частота этих сигналов должна быть вполне определенный, она называется частотой резонанса или частотой Лармора. Эта частота зависит от силы магнитного поля и свойств атомного ядра.
Важнейшее открытие было совершено в 1945 г. двумя группами исследователей независимо друг от друга. Одной из них руководил американский физик Феликс Блох из Станфорского университета, второй Эдвард М. Парселл из Гарвардского университета. Они впервые наблюдали явление ЯМР в твёрдых телах, а также получили и зарегистрировали сигналы, возникающие при ядерном магнитном резонансе.
В 1949 ученый Норман Ф. Рамсей выдвинул теорию химического сдвига, согласно которой атомные ядра можно идентифицировать по малому изменению резонансной частоты, зависящему от электронного окружения молекулы. Это открытие стало основой для создания метода магнитно-резонансной спектроскопии.
В 1971 г. физик Раймонд Дамадиан из США показал возможность применения ЯМР феномена для обнаружения опухолей в биологических объектах. В результате опытов на крысах было установлено, что сигнал водорода от тканей опухоли сильнее, чем от здоровых. Это послужило основой для создания метода магнитно-резонансной томографии. На создание первого, работающего с телом человека магнитно-резонансного сканера у Дамидиана ушло 7 лет. 3 июля 1977, было получено первое изображение среза человеческого тела на прототипе МР сканера. При этом на построение изображения потребовалось около 5 часов.
Итак, что же из себя представляет явление ядерного магнитного резонанса с физической точки зрения?
1.2. Физические основы
Магнитно-резонасной
томографии
Физические основы явления ЯМР, если разбираться в них досконально, весьма сложны, и требуют от изучающего предмет определенных знаний фундаментальной физики. Поэтому они будут рассмотрены упрощенно и приближенно к реальности.
Атом любого химического элемента состоит из ядра и электронов, в состав ядра входят протоны и нейтроны. С точки зрения явления ЯМР нас интересуют именно протоны, так как они являются заряженными частицами и имеют собственное магнитное поле (магнитный момент спинов).
Способностью к явлению магнитного резонанса обладают ядра не всех, а только некоторых атомов, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами, например, являются 1Н, 2Н, 13С, 14N,19F, 23Na, 31Р (водород, углерод, азот, фтор, натрий, фосфор). Чаще всего для проведения магнитно-резонансной томографии используются протоны водорода по двум причинам: они обладают высокой чувствительности к ЯМР сигналу и содержатся в большом количестве в биологических тканях.
Итак, протоны водорода обладают спином и, соответственно, магнитным моментом, как и любые другие движущиеся заряженные частицы, например, электроны. Наиболее часто используемая модель для аналогии - стрелка компаса, известно, что если компас поместить в магнитное поле Земли, то его стрелка начнет вращаться вокруг направления линий магнитного поля Земли.
Когда пациента помещают в магнитное поле МР-томографа, то ядра водорода (протоны) тканей организма взаимодействуют с его магнитным полем. В результате магнитные моменты или спины 1Н ориентируются под определенным углом к линиям магнитного поля аппарата, так же, как это делает стрелка компаса. Надо сказать, что при проведении МР-томографии используются достаточно мощные магниты, создающие магнитное поле высокой напряженности (но не выше 3 Тесла). При этом спины начинают вращаться (в физике для этого явления используется термин прецессия) с определенной, так называемой резонансной частотой (частотой Лармора).
В итоге этих процессов часть тела пациента, подвергшаяся воздействию магнитного поля томографа, становится намагниченной. Как говорят физики, возникает суммарная продольная намагниченность части тела обследуемого. Продольная, так как направление магнитных моментов протонов (то есть спинов) совпадает с линиями магнитного поля магнита томографа. Если следующим этапом на тело пациента подать мощный радиочастотный импульс, то произойдет поворот магнитных моментов протонов на определенный угол. Для этого радиочастотный импульс должен иметь частоту, равную частоте Лармора для данного атома.
При этом протоны поглощают часть энергии поданного импульса, то есть переходят на более высокий энергетический уровень. Поворот спинов может произойти на 90 или 180 градусов от исходного положения, в зависимости от времени воздействия радиочастотного сигнала. Прецессия спинов при этом становится неоднородной, или асинхронной, для того, чтобы ее синхронизировать, подается дополнительный радиочастотный импульс.
При этом возникает так называемая поперечная намагниченность тела пациента, вектор которой вращается. Радиоантенна, или приемная катушка томографа, размещенная внутри магнита, способна зафиксировать переменный ток, возникающий при этом явлении. Его измерение и является фиксацией ЯМР сигнала от тканей организма.
Таким образом, после синхронизации и поворота магнитных моментов спинов протонов на определенный угол частота их прецессии практически одинакова во всех направлениях (фаза синхронизации). Если по одной из осей создать дополнительное магнитное поле, напряженность которого будет линейно меняться вдоль этой оси, то частота прецессии протонов (ларморовская частота) будет связана с их расположением (или координатой) линейным образом. Таким образом осуществляется частотное пространственное кодирование положения точек по одной из осей. Линейное изменение магнитного поля создают наложением (включением) дополнительного градиентного магнитного поля (градиента).
После отключения радиочастотного импульса сигнал ядерного магнитного резонанса сохраняется некоторое время и носит затухающий характер. Спины протонов возвращаются в исходное состояние, это явление называется ЯМР-релаксацией. Возвращается в исходное значение угол отклонения магнитных моментов спинов, это называется спин-решетчатой релаксаций. Происходит рассинхронизация вращения магнитных моментов спинов, это называется спин-спиновой релаксацией. Каждый из этих процессов характеризуется временным параметром, который зависит от многих показателей, причем для разных типов тканей он различен.
Существуют два способа получения ЯМР сигнала – в зависимости от угла воздействия градиента магнитного поля томографа. Так, магнитное поле томографа может развернуть магнитные моменты спинов на 180 градусов, предварительно упорядоченные и повернутые на 90 градусов первым РЧ-импульсом, в этом случае мы получаем сигнал, называемый спиновое эхо. Или оно может резко поменять ориентацию магнитных моментов спинов без предварительного РЧ-импульса, в этом случае направление меняется на противоположное, и говорят о градиентном эхо. Время от одного возбуждающего радиочастотного импульса до другого (то есть от одного пакета импульсов до начала другого) называют временем повторения.
Теперь рассмотрим устройство и принцип работы магнитно-резонансного томографа, чтобы понять, какие его элементы обеспечивают эти интересные физические явления.
ГЛАВА 2.
Устройство и принцип работы
магнитно-резонансного томографа
В состав томографа для проведения МРТ входят следующие основные элементы: мощный магнит, передающая системы, принимающий блок, система компьютерной обработки данных, подвижный стол-транспортёр для пациента, генератор высокого напряжения и система охлаждения. Дополнительными элементами, необходимыми для проведения исследования являются так называемые градиентные катушки и экранировка от электромагнитных волн (сетка Фарадея).
Какую функцию выполняет магнит? Как понятно из разбора физических принципов ЯМР, для работы аппарата требуется достаточно мощное, однородное по величине и стабильное по напряжённости магнитное поле. В МРТ приборах используются разные типы магнитов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Система передачи и приема радиочастотного сигнала состоит из так называемых радиочастотных катушек ((РЧ-катушек). РЧ катушки можно разделить на три типа: 1) и передающие и принимающие катушки, 2) только принимающие катушки и 3) только передающие катушки. Для посылки радиочастотного импульса используется импульсный генератор радиочастотных волн, для их регистрации – приемник, состоящий из предусилителя (блок предварительного усиления сигнала в датчике МРТ) и основного усилителя с последующим детектированием.
Необходимая частота колебаний создается синтезатором частоты, кроме того, можно создавать импульсы различной формы, продолжительности и фазы, которая определяет угол поворота магнитных моментов спинов протонов (0, 90, 180 и 270 градусов). Толщина получаемого при МРТ среза определяется формой радиочастотного импульса, иначе временной зависимостью его амплитуды. Подбор необходимого среза осуществляется соответственно изменением величины градиента и длительности радиочастотного импульса. Обычно при современных МР-исследованиях используются срезы толщиной до 2 мм.
Градиентные катушки (их несколько) создают градиент магнитного поля в определённом направлении, что необходимо для частотного кодирования пространственного расположения точек (по сути элементов магнитно-резонансного изображения). Катушки создают необходимый градиент благодаря тому, что имеют определенную конфигурацию.
Система обработки данных служит для построения ЯМР-изображений и одновременно является консолью управления оператора, проводящего исследования. Система компьютерной обработки используется как непосредственно для построения ЯМР-изображений, так и как консоль управления оператора. Она осуществляет преобразование поступившего сигнала в двоичный код и подвергает его обработке по определенному алгоритму.
Экранирование комнаты, где находится магнит, необходимо для исключения влияния внешних радиосигналов, которые могут создавать помехи в работе аппарата. Дело в том, что рабочие частоты МР-томографов находятся в диапазоне так называемых «промышленных» радиочастотных сигналов.
2.1.Типы магнитов для
магнитно-резонансной томографии
Постоянные магниты выполнены из ферромагнитных сплавов. Ферромагнетики — это вещества, в которых магнитные моменты атомов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, и при воздействии внешнего магнитного поля они приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля, при этом ферромагнитное вещество намагничивается.
Такие магниты имеют большой вес (до 20 тонн), хотя стоимость их относительно других типов магнитов относительно невысока, и их проще монтировать. Магнитное поле, которое они способы создавать, невелико по напряженности – до 0,3 Тесла, большинство магнитов ограничены напряженностью до 0,2 Тесла. Магниты подобного типа используются в томографах так называемого открытого типа, в них можно проводить исследования пациентов с клаустрофобией и выполнять малоинвазивные вмешательства.
Резистивные магниты (или электромагниты) способны создавать гомогенное магнитное поле, однако для этого требуется определенная геометрия системы, при отклонении от которой однородность поля нарушается. Они способны создавать среднее по напряженности магнитное поле величиной до 0,7 Тесла. Они имеют меньший вес, чем постоянные магнит (до 5 тонн). Их важным преимуществом является возможность отключения электромагнита, когда он не работает, для постоянных типов магнита такой возможности нет
Работа сверхпроводящих магнитов основа на физическом явлении сверхпроводимости. Оно заключается в том, что справы некоторых металлов обладают способность терять сопротивление прохождению электрического тока, если их охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю. В конструкции такого магнита присутствуют охлаждающие системы, заполненные жидким азотом и жидким гелием.
К преимуществам магнитов подобного типа относится ничтожный расход электроэнергии и способность создавать очень мощные по напряженности магнитные поля (до 14-17 Тесла и более). Однако стоимость таких магнитов достаточно высока, при работе они создают акустический шум, что может доставлять неприятные ощущения пациенту.
Существуют гибридные магниты (промежуточные между постоянными магнитами и резистивными), но по причине низкого качества получаемого изображения они в МРТ практически не используются.
В клинической практике в настоящее время используются все виды магнитов с напряженность поля от 0,02 Тл до 3 Тл и несколько больше. Однако необходимо отметить, что для исследования пациентов принят верхний порог безопасного по напряженности магнитного поля 3 Тл, при котором не зарегистрировано нежелательных биологических эффектов.
Соответственно используемому типу магнита и напряжённости магнитного поля выделяют 4 типа магнитно-резонансных томографов:
- низкопольные – оборудование самого простого (начального) типа, сила поля менее 0.5 Тл;
- среднепольные – сила поля от 0,5-1 Тл;
- высокопольные – характеризуются великолепной скоростью обследования, хорошей визуализацией, даже если пациент двигался при процедуре. Сила поля – 1-2 Тл;
- сверхвысокопольные – более 2 Тл. Применяются практически исключительно при научных исследованиях.
От величины магнитного поля зависят такие важные характеристики аппарата, как пространственное разрешение и время сканирования. Соответственно, разные типы томографов имеют разные возможности и области их клинического применения.
ГЛАВА 3
Безопасность И Противопоказания
к проведению МРТ
Безопасность исследования для пациента при использовании того или иного диагностического метода является первостепенным фактором, влияющим на его применение в клинической практике. Поэтому при введении в клиническую практику новых методик всегда осуществляется достаточно долгая процедура выявления побочных эффектов.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 233; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!