Как работает МРТ - подробное объяснение

Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в сильном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлении, которые могут находиться только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода. Если поместить протон во внешнее магнитное поле (создаваемое томографом), то его магнитный момент будет либо направлен идентично, либо противоположно направлению магнитного поля, причем во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определенной частоты часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время релаксации предварительно возбужденных протонов, т.е. аппарат фиксирует возврат протонов в исходное положение после окончания воздействия электромагнитным излучением.
Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо основного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области, т.е. благодаря градиентам мы можем получить изображение именного того органа, который нам нужен. Сила и скорость действия градиентной системы относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От ее характеристик во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Компоненты МР-томографа.

Необходимое для магнитного резонанса оборудование включает в себя следующие элементы:

· магнит;

· градиентные катушки;

· приемник радиоимпульсов;

· передатчик (генератор) радиоимпульсов;

· фарадеевский экран;

· источник питания, охлаждающая система;

· система обработки данных.

Магнит

Для выполнения магнитного резонанса необходимо однородное, постоянное и стабильное магнитное поле. Величина напряженности поля измеряется в Теслах и является основной характеристикой мощности прибора, т.е. от нее зависит качество и скорость получения изображения. В соответствии с этим МРТ аппараты делятся на основные группы:

· ультранизкие (напряженностью ниже 0,1 Тл)

· низкопольные (0,1-0,5 Тл);

· среднепольные (от 0,5 до 1 Тл);

· высокопольные (от 1 до 2 Тл);

· сверхвысокопольные (напряженностью свыше 2 Тл).

Сам магнит в аппарате может быть постоянным, сверхпроводящим электрическим или резистивным электрическим.

Постоянные магниты выполнены из сплавов с ферромагнитными свойствами. Такие магниты обладают важным преимуществом – не требуют энергии для поддержания магнитного поля, и, следовательно, не требуют охлаждения. Кроме этого, достоинством является то, что по сравнению с двумя другими системами, они имеют небольшое поле рассеяния. Что касается недостатков, к ним можно отнести большой вес системы на основе постоянного магнита, небольшую напряженность создаваемого магнитного поля – 0,2-0,3 Тл, чувствительность к изменениям температуры и более низкую, однако не конкурентноспособную стоимость в сравнении с другими системами.

Сверхпроводящий магнит представляет собой катушку из ниобий-титанового сплава, который теряет сопротивление к электрическому току при охлаждении жидким гелием до температуры -269°С. Таким образом, через такой магнит можно пропускать большие токи, которые создают высокостабильные магнитные поля высокой напряженности. Сверхпроводящие магниты не потребляют электроэнергию, однако расходуют охлаждающую жидкость. Основными преимуществами такой системы являются высокое отношение сигнал/шум, высокие однородность и напряженность поля. Недостатками являются большие эксплуатационные расходы, необходимость экранирования в связи с создаваемыми большими полями рассеяния, высокая стоимость и необходимость охлаждения жидким гелием

Резистивные, или электромагниты, создаются на основе одной или нескольких катушек, через которые проходит большой ток. При условии точного соблюдения определенной геометрии катушек создается гомогенное поле. Электромагниты потребляют большую мощность, поэтому для них необходима мощная система охлаждения. Преимуществами резистивных систем являются отсутствие криогенных жидкостей, выполнение сложных методов получения изображения, возможность выключения поля, к примеру, когда существует опасность или система не работает.

Также редко используются гибридные магниты – промежуточные между резистивными и постоянными, которые обладают большей напряженностью, чем последние, но уступающие по качествам сверхпроводящим.

Градиентные катушки

Из-за своей конфигурации катушки создают однородное линейное и управляемое изменение поля в конкретном направлении. Главное значение катушек заключается в создании изображения за счет добавления к общему однородному магнитному полю градиентного магнитного возмущения, что обеспечивает локализацию ЯМР-сигнала и точное соотношение полученных данных и исследуемой области. Градиент обеспечивает выборочное возбуждение протонов в нужной области. От мощности и скорости действия катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность томографа.

Градиентные катушки обладают различными конфигурациями и бывают следующих типов:

· катушка Голея (создает градиенты магнитного поля перпендикулярно главному полю);

· катушка в форме восьмерки;

· катушка Гельмгольца (две катушки с током, которые создают однородное магнитное поле в центре между ними);

· сдвоенная седлообразная катушка;

· катушка Максвелла (градиенты поля по направлению главного магнитного поля).

Передатчик

РЧ-колебания и импульсы формируются передатчиком, а необходимая частота колебаний создается синтезатором частоты, сигнал с которого в последствии модулируется для создания требуемой для РЧ-возбуждения формы импульса, которая в свою очередь влияет на контраст получаемого изображения. Импульсы бывают прямоугольными и сложной формы. Первые имеют широкий спектр и являются полезными в аналитических применениях. Однако для создания тонкого среза используется специальная форма импульса, с помощью которой создается почти прямоугольный профиль слоя.

Приемник

В качестве этого элемента используется высокочувствительный малошумящий усилитель сигнала, который работает в области сверхвысоких и высоких частот. Снимаемый ЯМР-сигнал с амплитудой несколько микровольт в приемнике усиливается от 500 до 1000 раз, после чего преобразуется из высокой частоты (МГц) в низкую (кГц).

РЧ-катушки

Необходимы для создания переменного магнитного поля, которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. В большинстве магнитов основное поле направлено вдоль отверстия магнита, поэтому катушка создает переменное магнитное поле, которое перпендикулярно отверстию.

Система сбора данных

Полученный сигнал должен быть преобразован в цифровой код, который является удобным для обработки на компьютере. Такая оцифровка выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя, и на выходе получают цифровую версию FID, которая после оцифровки запоминается на устройстве памяти компьютера.