Современная медицинская диагностика базируется на двух видах исследований: прикладных (биологических, химических и т.п.) и визуализационных. Если первый вид исследований появился с незапамятных времен, когда человек определял наличие болезни, как говорится, «по запаху и на язык», то визуализация внутренних органов без повреждения организма стала возможной только с открытием свойства радиоактивных материалов производить проникающее излучение, известное сейчас как «рентгеновское».

Открытия физиков в мире элементарных частиц подарили медицине еще один способ получения изображений всех тканей и органов человеческого тела без прямого внедрения. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых передовых и продолжающих развиваться видов получения информации о состоянии живых организмов.

В диагностике заболеваний позвоночника МРТ является ведущим типом визуализации, т.к. конструкция позвоночного столба включает множество элементов из мягких тканей (межпозвоночные диски, связки, сумки фасеточных суставов), для которых магнитно-резонансная томография является наилучшим способом «неразрушающего контроля».

Что такое МРТ?

В основе визуализационного метода исследований, названного «Магнитно-резонансная томография», лежит одно из открытий квантовой физики и физики элементарных частиц, что ядра определенных элементов способны излучать излишки энергии, поглощенной под воздействием ориентированных магнитных полей и радиочастотных излучений.

Явление «ядерного магнитного резонанса», на котором базируется магнитно-резонансное исследование предметов (живых и неодушевленных), было открыто в 1922 году в ходе эксперимента по определению «спиновой квантизации» в электронах. Именно тогда ученые-физики поняли, что понятие квантовой физики «спин» (момент импульса частицы) имеет физическое выражение.

В ходе исследований по воздействию радиочастотных (РЧ) излучений на частицы, находящиеся в сильном магнитном поле, в 1937 году было выявлено, что ядра образцов поглощают РЧ-энергию определенной частоты и излучают после отключения внешнего импульса. Такое действие могут производить только частицы, ядра которых обладают электрическим зарядом и спином. Такие свойства присущи элементам, в ядре которых присутствует один «лишний» протон (т.е. количество протонов превышает количество электронов). Современная МР томография использует в исследованиях свойства нескольких «органических» элементов, самым популярным из которых является водород Н(1).

Находясь в сильном однородном магнитном поле ядро водорода, состоящее из одного протона, под воздействием радиоимпульса, излученного на определенной частоте (Ларморовская частота резонанса), способно «возбудиться»: энергия поглощенного РЧ-импульса переводит атом водорода на более высокий энергетический уровень. Но это нестабильное состояние неспособно сохраняться без внешнего воздействия, и когда импульсы прекращаются, происходит возврат к стабильному состоянию (релаксация). В процессе этого «остывания» ядро излучает электромагнитную волну, которую можно зафиксировать. Дальнейшее – дело сложных математических пространственных вычислений, в ходе которых сигнал определенного атома превращается в «пиксель» с определенными координатами.

Что заставляет ядро водорода поглощать энергию РЧ-импульса? Именно взаимодействие собственного магнитного поля ядра и наведенного вокруг «объекта исследований», большого, постоянного и ориентированного в определенном направлении магнитного поля, созданного сильными электромагнитами. Каждое ядро атома водорода является единичной магнитной системой, обладающей уникальной направленностью магнитного момента. Магнитные моменты всех протонов принудительно ориентируются в том направлении, в каком направлен вектор магнитной индукции внешнего поля. Энергия РЧ-импульса, излученного на частоте, совпадающей с частотой вращения протонов, поглощается, изменяя положение оси, ориентированной вдоль общего направления магнитного поля (поворачивается на 90 (Т1) и 180 градусов (Т2)). Возврат в нормальное, т.е. «невозбужденное», состояние с разворотом оси вращения в первоначальном направлении сопровождается излучением электромагнитной волны с той же частотой, на которой произошло поглощение энергии. В положениях Т1 и Т2 ядра водорода «запасают» разное количество энергии, и соответственно мощность излучения различается (первое состояние дает меньший импульс, нежели второе).

Это самое простое объяснение сути ядерно-магнитного резонанса в единичной системе, какой является атом водорода, но в плотном веществе для получения результатов требуется более сложное приложение магнитных полей. Для этого введены дополнительные магнитные поля, названные «градиентные». С их помощью можно менять направленность общего магнитного поля в трех измерениях, что позволяет получать изображения в любой проекции (плоскости) и формировать трехмерные изображения с помощью компьютерной обработки (как в компьютерной рентгеновской томографии).

По справедливости томографию следовало бы называть «ядерно-магнитной», т.к. используется именно излучение ядер атомов. Но после аварии, повлекшей разрушение атомного реактора на Чернобыльской АЭС и заражение прилежащих территорий радиоактивными выбросами, любое название, содержащее слово «ядерный», воспринимается со значительной долей нездорового скептицизма. Сокращение было принято для сохранения спокойствия населения, не знакомого с квантовой физикой.

История изобретения, устройство и принцип действия

Современные магнитно-резонансные томографы выпускаются в нескольких технически продвинутых странах, из которых на долю США приходится до 40% общего объема производства. Это не случайно, т.к. большинство основных технологических открытий, касающихся МР томографии, было сделано в американских научных центрах:

• 1937 год – профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Исидор Раби провел первый эксперимент по исследованию ядерно-магнитного резонанса в молекулярных лучах;
• 1945 год – в двух университетах (Стэнфорде и Гарварде) проводились фундаментальные исследования ЯМР в твердых объектах (Ф. Блох и Э. Парселл);
• 1949 год – Э.Ф. Рамсей (Колумбийский университет) сформулировал теорию химического сдвига, легшую в основание МР спектроскопии, обеспечившей химические лаборатории самой точной аналитической аппаратурой;
• 1971-1977 годы – физик Раймонд Ваган Дамадиан с группой коллег (Бруклинский медицинский центр) создал первый МР-сканер и получил изображение внутренних органов живых объектов (и в том числе человека). В ходе исследований медики выявили, что изображения опухолей сильно отличаются от здоровых тканей. На проектирование и проведение работ потребовалось около 7 лет;
• 1972 год – химик Пол Лаутербур (Госуниверситет г. Нью-Йорк) получил первое двумерное изображение, используя собственные разработки по применению переменных градиентных магнитных полей.

В 1975 году швейцарский физикохимик Рихард Эрнст предложил методы увеличения чувствительности МРТ (использование преобразований Фурье, фазовое и частотное кодирование), значительно увеличившие качество двумерных изображений.

В 1977 году Р. Дамадиан представил научному миру первое изображение среза грудной клетки человека, сделанное на первом МР-сканере. В дальнейшем техника только совершенствовалась. Особенно большой вклад в развитие МРТ внесло развитие компьютерной техники и программирования, позволившее программно управлять сложным комплексом электромагнитного оборудования и обрабатывать полученное излучение для получения пространственного изображения или двумерных «срезов» в любой плоскости.

На текущий момент существует 4 типа МР-томографов:

1. На постоянных магнитах (небольшие, переносные, со слабым магнитным полем до 0,35 Тл). Позволяют производить «полевые» исследования во время операций. Наибольшее применение получают постоянные неодимовые магниты.
2. На резистивных электромагнитах (до 0,6 Тл). Достаточно громоздкие стационарные аппараты с мощной системой охлаждения.
3. Гибридные системы (на постоянных и резистивных магнитах);
4. На сверхпроводящих электромагнитах (мощные стационарные системы с криогенной системой охлаждения).

Самое высокое качество изображения, четкое и контрастное, ученые получают на криогенных МР-томографах с сильными магнитными полями до 9,4 Тл (в среднем – 1,5 -3 Тл). Но практика показывает, что для получения качественного изображения требуется не столько мощное поле, но в большей мере быстрая обработка сигналов и хорошая контрастность. С развитием программного обеспечения мощность магнитов стандартных медицинских МР-сканеров снижена до 1-1,5 Тл. Самые мощные томографы изготавливаются для научных медицинских исследований.

Стандартный МР-томограф состоит из нескольких блоков:

1. Система из нескольких магнитов:

• большой торовидный магнит, создающий постоянное поле;
• градиентные магнитные катушки, с помощью которых производится изменение направления вектора магнитной индукции («смещаются полюсы») в трех измерениях. Для смещения градиента изобретены катушки разных форм и размеров (8-образные, седловидные, парные (Гельмготца), Максвелла, Голея). Контролируемая компьютером работа одиночных и парных катушек способна направить моменты ядер в любую сторону или даже развернуть относительно первоначально заданного большим магнитом направления;
• шиммирующие катушки, необходимые для стабилизации общего поля. Малые магнитные поля этих катушек компенсируют посторонние наводки или возможную неоднородность поля, созданного большим и градиентными магнитами;
• РЧ-катушка. Радиочастотные катушки создают магнитное поле, пульсирующее с частотой резонанса. Разработаны и применяются три вида катушек: передающие, принимающие и комбинированные (передающе-принимающие). РЧ-излучатель одновременно является и детектором, т.к. при наведении на катушку внешнего излучения, созданного «релаксирующими» протонами, в ее контуре возникают индукционные токи, фиксируемые как РЧ-сигналы. Конструкции детекторов – катушек делятся на два типа: поверхностные и объемные, т.е. окружающие объект. Формы зависят от способов улавливания сигналов, при которых учитываются мощность и направленность излучений. Например, объемная катушка «птичья клетка» служит для получения более качественных изображений головы и конечностей. На томографе установлено несколько парных и одиночных РЧ-катушек для всех видов и направлений РЧ-сигналов.

Самое мощное поле создается сверхпроводящими магнитами. Большой кольцевой магнит, создающий постоянное поле, погружен в герметичный сосуд, наполненный сжиженным гелием (t= -269 о С). Этот сосуд замкнут в другом, большем герметичном сосуде. В пространстве между двумя стенками создан вакуум, что не позволяет гелию нагреться ни на долю градуса (количество вложенных вакуумных сосудов может быть больше двух). Чем меньше сопротивление в проводе катушки, тем выше мощность магнитного поля. Именно этим свойством обосновано применение сверхпроводников, сопротивление в которых близко к 0 Ом.

Система управления томографом состоит из устройств:

• компьютер;
• программатор градиентных импульсов (формирует направление магнитного поля с помощью изменения амплитуды и вида градиентных полей);
• градиентный усилитель (управляет мощностью градиентных импульсов через изменение выходной мощности катушек);
• источник и программатор РЧ-импульсов формируют амплитуду резонансного излучения;
• РЧ-усилитель изменяет мощность импульсов до необходимого уровня.

Компьютер управляет блоками формирования полей и импульсов, принимает данные из детекторов и обрабатывает, трансформируя поток аналоговых сигналов в цифровую «картину», которую выводят на монитор и печать.

МР-сканер (т.е. магнитная система) в обязательном порядке окружается системой экранирования от внешних «наводок» электромагнитного и радиоизлучения, которые могут исходить от источников радиосигналов и любых металлических предметов, попавших в сильное магнитное поле. Металлическая сетка или сплошное листовое покрытие стен комнаты создают электрически проводящий экран типа «клетка Фарадея».

МРТ в медицинской диагностике

Магнитно-резонансная томография полностью отличается от рентгеновского просвечивания, т.к. это буквально не «аналоговый» (т.е. фотографический) способ получения изображения, а построение образа с помощью оцифрованных данных. То есть картинка, которую человек видит на экране, является продуктом дешифровки множества микроскопически малых сигналов, которые улавливает детектор томографа (РЧ-катушка). Каждый из этих электромагнитных импульсов обладает определенной мощностью и пространственными координатами внутри тела. Обработка и построение изображения на основании полученных импульсов «релаксации протонов» производится мощным компьютером по специальным программам.

В МРТ используется набор последовательностей РЧ-импульсов, которые создают определенные режимы «возбуждения» протонов водорода в тканях организма с уникальной интенсивностью поглощения и соответствующего возврата энергии. Фактически последовательности являются компьютерными программами, согласно которым производится излучение РЧ-сигналов с определенной амплитудой и мощностью и управление градиентами магнитных полей.

Водород является самым распространенным элементом в теле, т.к. не только присутствует во всех органических молекулах, но и, как компонент воды, содержится в большинстве тканей. Именно поэтому (а также потому, что в ядре только один протон, что позволяет легче вызвать резонанс) томография лучше отображает мягкие ткани, в которых концентрация воды значительно выше. На МРТ-изображении кости, содержащие крайне мало свободных молекул воды, выглядят как непроглядно черные области.

Многочисленные эксперименты показали, насколько различным может быть время релаксации протона, если атом, в котором находится эта элементарная частица, находится в определенном виде ткани. Причем если эта ткань здорова, время «отклика» будет значительно отличаться. Именно по времени релаксации, т.е. скорости возврата РЧ-импульса, компьютером определяется яркость объекта.

В медицинской диагностике с помощью МРТ обследуют не только плотные ткани, но и жидкости: МР-ангиография позволяет определять места образования тромбов, выявлять турбулентности и направление тока крови, измерять просвет сосудов. В исследованиях жидкой среды помогают специальные вещества, изменяющие время отклика протонов в составе жидкости. Контрастные вещества содержат соединения элемента «гадолиний», у которого имеются уникальные магнитные свойства ядер атомов, за которые его называют «парамагнетик».

Также с помощью МРТ измеряется внутренняя температура в любой точке тела. Бесконтактная термометрия основана на измерении резонансных частот тканей (температура измеряется на основании отклонений частоты релаксации в ядах водорода в атомах воды).

В основе построения изображений лежит фиксация трех базовых параметров, которыми обладают протоны:

• время релаксации Т1 (спин-решеточная, поворот оси вращения протона на 90 о);
• время релаксации Т2 (спин-спиновая, поворот оси вращения протона на 180 о);
• протонная плотность (концентрация атомов в ткани).

Другими двумя условиями, влияющими на контрастность и яркость изображения, являются время повторения последовательности и время появления эхо-сигнала.

Используя в последовательностях РЧ-импульсы с определенной мощностью и амплитудой и измеряя время отклика Т1 и Т2, исследователи получают изображения одних и тех же точек тела (тканей) с разной контрастностью и яркостью. Например, короткое время Т1 дает мощный РЧ-сигнал релаксации, что при построении образа выглядит ярким пятном. По комбинации световых характеристик ткани в разных последовательностях выявляются увеличение концентрации воды, жира или конкретное изменение характеристик ткани, говорящее о наличии опухоли или уплотнения.

Для полноты информации о магнитно-резонансной томографии нужно сказать, что управление магнитными полями и радиочастотными импульсами не обходится без «казусов», необычно выглядящих изображений. Их называют «артефактами». Это любая точка, область или черта, присутствующие на изображении, но отсутствующие в организме в виде изменения ткани. Причиной появления таких артефактов могут быть:

• случайные наводки от неизвестных металлических предметов, попавших в магнитное поле;
• неисправности аппаратуры;
• физиологические особенности организма («фантомы», пятна, вызванные движением внутренних органов при дыхании или сердцебиении);
• неверные действия оператора.

Для устранения «артефактов» проводится внеочередная калибровка и тестирование аппаратуры, пациент и помещение проверяются на наличие инородных предметов, производится повторное обследование в нескольких режимах.

Использование МРТ в диагностике заболеваний позвоночника

Позвоночник – самая подвижная часть опорно-двигательного аппарата. Именно мягкие ткани обеспечивают и подвижность, и целостность позвоночной системы. Если подсчитать все известные и распространенные заболевания позвоночника, на долю повреждений мягких тканей придется до 90% от всех учтенных болезней. А если включить неврологические болезни спинного мозга и спинномозговых нервов и различные виды опухолей, то статистика возрастет до 95-97%. Иначе говоря, болезни, повреждающие костные ткани позвонков, встречаются более чем редко по сравнению с болезнями мягких тканей: межпозвоночных дисков, суставных сумок, связок и мышц спины.

Если сравнивать симптомы различных нарушений целостности мягких тканей, сходство будет исключительным:

• боли (локальные и распространенные в определенной области);
• «корешковый синдром» (нарушения целостности спинномозговых нервов и связанные с ними искажения сенсорных сигналов и ответных реакций);
• различные по силе параличи (плегии), парезы и потери чувствительности.

Именно поэтому результаты магнитно-резонансной томографии имеют высокий статус «решающего слова» в визуализационной диагностике заболеваний позвоночника. Иной раз качественный снимок пораженного участка – это единственный способ окончательно утвердить диагноз, сделанный на основании предварительного осмотра, неврологических тестов и анализов.

Показанием для проведения обследования в МРТ считается наличие воспалительных процессов в области позвоночного столба, сопровождающихся активной иммунной реакцией (повышение температуры тела, отекание тканей, покраснение кожного покрова). Анализы подтверждают наличие иммунной реакции, но не способны указать точное положение места инфицирования и воспаления. МР томограмма с точностью до 1 мм устанавливает координаты очага, ареал распространения воспалительного процесса. МР ангиограммы укажут границы тромбирования сосудов и отека тканей. В исследовании хронических заболеваний (остеохондроз во всех стадиях, спондилоартроз и т.п.) МРТ показывает исключительную полезность.

Также прямым показанием для применения МРТ являются симптомы, указывающие на возможное образование абсцессов в эпидуральной области: сильные локализованные боли, «корешковый синдром», прогрессирующая потеря чувствительности и парализация конечностей и внутренних органов.

Инфекционные заболевания, способные повредить все типы тканей (туберкулез, остеомиелит), требуют комплексного исследования с помощью МРТ и компьютерной томографии (КТ). На МР томограммах выявляются поражения нервных тканей, хрящевых межпозвоночных дисков, суставных сумок. КТ дополняет общую картину данными о разрушениях костных тканей тел позвонков и отростков.

Повреждения спинного мозга и близких к ним тканей (кровеносных сосудов, оболочек мозга, внутренней надкостницы спинномозгового канала) требуют многосторонних и кропотливых исследований на МРТ, т.к. большая часть нарушений нервных тканей связана с образованием опухолей (доброкачественных и раковых), изредка – абсцессов (эпидуральных и субдуральных). Исследования магнитно-резонансной томографии первоначально были нацелены на выявление именно опухолевых образований в ЦНС. Многолетние наблюдения и систематизация накопленного опыта позволяют исследователям определять появляющиеся новообразования на первой стадии, «в зачаточном состоянии».

Развитие сканерной техники направлено на повышение детализации, контрастности и яркости изображения объектов любого размера, а также на максимально быстрое получение данных после излучения РЧ-импульса. Современный МР-томограф способен «показывать» происходящие процессы в реальном времени: сердцебиение, движение жидкостей, дыхание, сокращение мышц, образование тромба. Малые открытые МР-сканеры на постоянных магнитах позволяют производить операции с минимальным уровнем повреждений поверхностных тканей (интервенционная МРТ).

Компьютерное программирование позволяет построить по данным, полученным со сканера, объемное изображение на экране монитора или с помощью лазерной техники.

Развивается направление МРТ исследований позвоночника в вертикальном положении. Подвижная установка оборудована столом, меняющим положение на 90 о, что позволяет снять в реальном времени изменения в позвоночном столбе при увеличении вертикальных нагрузок. Особенно ценны такие данные при изучении травм (переломов разных типов) и спондилолистеза.

По отзывам проходивших обследование, они не испытывают никаких болезненных ощущений. Самое большое впечатление на них производит шум, который создает аппаратура: «сильный стук в стенках тоннеля, как будто поблизости работает перфоратор». Это вращается подвижная деталь постоянного магнита.

Противопоказания

Однозначным препятствием проведению МРТ обследования является наличие в теле пациента имплантатов и устройств, содержащих металлы, в любой степени обладающие свойствами ферромагнетиков. Для информации: только чистый титан, применяющийся для создания вертебральных систем фиксации, не обладает магнитными свойствами.

Наличие в теле пациента кардиостимулятора, кохлеарного имплантата с электронным оборудованием и металлическими деталями сразу вызовет в магнитном поле возмущения, которые на томограмме создадут «артефакт». Кроме того, электронный аппарат выйдет из строя, причинив владельцу максимальный ущерб. К такому же результату приведет наличие в теле искусственных суставов, штифтов, скоб или даже осколков металла, оставшихся после ранения. Некоторые химические соединения, входящие в состав красок для татуажа, также обладают ферромагнитными свойствами (в частности, микроскопические частицы способны нагреваться в сильном магнитном поле, что приводит к ожогам глубоких слоев эпидермиса).

Во время обследования от пациента требуется максимальная неподвижность во время достаточно продолжительного времени. Препятствием к проведению МРТ может быть психическая нестабильность, определенные фобии (клаустрофобия, например), которые вызовут у обследуемого шоковое состояние, истерику, непроизвольную подвижность.

Для повышения качества изображения могут применяться контрастные вещества (соединения гадолиния), свойства которых еще не до конца изучены. Например, как они могут подействовать на развитие плода во время первых трех месяцев беременности. Поэтому не рекомендуется проводить обследования беременных женщин, требующие применения контрастных веществ. Кроме того, у людей, имеющих индивидуальную физиологическую непереносимость, эти препараты могут вызвать непредвиденную анафилактическую реакцию.

Совершенствование техники, использующей явление ядерно-магнитного резонанса, дает медикам, химикам и биологам мощный инструмент для исследования текущих процессов в живом организме и поиска патологий на самых ранних стадиях развития.

Статьи по теме

Сегодня все чаще пациентов направляют не на рентгенографию или УЗИ, а на ядерную магниторезонансную томографию. В основе такого метода исследования лежит магнетизм ядра. Рассмотрим, что такое , какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.

Этот метод диагностики основан на ядерном магнитном резонансе. Во внешнем магнитном поле ядро атома водорода, или протон, находится в двух взаимно противоположных состояниях. Изменить направление магнитного момента ядра можно, подействовав на него электромагнитными лучами с некоторой определенной частотой.

Помещение протона во внешнее магнитное поле вызывает изменение его магнитного момента с возвращением в исходное положение. При этом выделяется определенное количество энергии. фиксирует изменение количества такой энергии.

Томограф использует очень сильные магнитные поля. Электромагниты обычно способны развивать магнитное поле напряженностью 3, иногда до 9 Тл. Оно является полностью безвредным для человека. Система томографа позволяет локализировать направленность магнитного поля с тем, чтобы получить наиболее качественные изображения.

Ядерно магнитный томограф

Способ диагностики основывается на фиксации электромагнитного отклика ядра атома (протона), происходящего из-за возбуждения его электромагнитными волнами в высоконапряженном магнитном поле. Впервые о магнитно резонансной томографии заговорили еще в 1973 году. Тогда американский ученый П. Латербур предложил провести исследование объекта в изменяющемся магнитном поле. Работы этого ученого послужили началу новой эры в медицине.

С помощью магнитно резонансного томографа стало возможным изучать ткани и полости организма человека благодаря степени насыщенности тканей водородом. Часто применяются магнито-резонансные контрастные вещества. Чаще всего это препараты гадолиния, которые способны изменять отклик протонов.
Термин «ядерная МР томография» существовал до 1986 года.

В связи с радиобоязнью у населения в связи с катастрофой на Чернобыльской атомной электростанции из названия нового метода диагностики решено было убрать слово «ядерный». Впрочем, это позволило магнито-резонансной томографии быстро войти в практику диагностики многих заболеваний. На сегодня этот метод является ключевым в определении множества еще недавно труднодиагностируемых заболеваний.

Как проводится диагностика?

При проведении МРТ используется очень сильное магнитное поле. И хотя оно не опасно для человека, все же врачу и пациенту нужно придерживаться определенных правил.

Прежде всего, перед процедурой диагностики пациент заполняет специальную анкету. В ней он указывает состояние здоровья, а также ведомости о себе. Обследование делается в специально подготовленном помещении с кабинкой для переодевания и личных вещей.

Чтобы не навредить самому себе, а также для обеспечения правильности результатов пациент должен снять с себя все вещи, которые содержат металл, оставить в шкафчике для личных вещей мобильные телефоны, кредитные карточки, часы и проч . Женщинам желательно смыть с кожи декоративную косметику.
Дале пациента помещают внутрь трубы томографа. По указанию врача определяется зона обследования. Каждая зона обследуется в течение десяти – двадцати минут. Все это время пациент должен находиться неподвижно. От этого будет зависеть качество снимков. Врач может зафиксировать положение пациента, если это необходимо.

Во время работы аппарата слышатся равномерные звуки. Это нормально и свидетельствует о том, что исследование проходит правильно. Для получения более точных результатов пациенту может быть введено внутривенно контрастное вещество. В отдельных случаях при введении такого вещества ощущается прилив тепла. Это совершенно нормально.

Приблизительно через полчаса после исследования врач может получить протокол исследования (заключение). Выдается также диск с результатами.

Преимущества ядерной МРТ

К преимуществам такого обследования относят следующее.

1. Возможность получить высококачественные изображения тканей организма в трех проекциях. Это значительно повышает визуализацию тканей и органов. В таком случае ЯМРТ намного лучше, чем компьютерная томография, рентгенография и ультразвуковая диагностика.
2. Высококачественные объемные изображения дают возможность получить точный диагноз, что улучшает лечение и повышает вероятность выздоровления.
3. Так как на МРТ можно получить высококачественное изображение, то такое исследование – лучшее для обнаружения опухолей, нарушений деятельности центральной нервной системы, патологических состояний опорно-двигательного аппарата. Так появляется возможность диагностировать те заболевания, которые еще недавно было сложно или невозможно обнаружить.
4. Современные аппараты для томографии позволяют получить качественные снимки без изменения положения пациента. А для кодирования информации применяются те же методы, что и в компьютерной томографии. Это облегчает диагностику, так как врач видит трехмерные изображения целых органов. Также врач может получить изображения того или иного органа послойно.
5. Такое обследование хорошо определяет самые ранние патологические изменения в органах. Таким образом можно обнаружить болезнь на стадии, когда пациент еще не ощущает симптомов.
6. При проведении такого исследования больной не подвергается ионизирующему излучению. Это существенно расширяет сферы применения МРТ.
7. Процедура МРТ полностью безболезненна и не доставляет больному никакого дискомфорта.

Показания к МРТ

Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.

• Нарушения мозгового кровообращения.
• Подозрения на новообразование мозга, поражение его оболочек.
• Оценка состояния органов после оперативного вмешательства.
• Диагностика воспалительных явлений.
• Судороги, эпилепсии.
• Черепно-мозговая травма.
• Оценка состояния сосудов.
• Оценка состояния костей и суставов.
• Диагностика мягких тканей организма.
• Заболевания позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилоартроз).
• Травмы позвоночника.
• Оценка состояния спинного мозга, в том числе подозрения на злокачественные процессы.
• Остеопороз.
• Оценка состояния органов брюшины, а также забрюшинного пространства. МРТ показано при желтухе, хроническом гепатите, холецистите, желчнокаменной болезни, опухолевидном поражении печени, панкреатите, заболеваниях желудка, кишечника, селезенки, почек.
• Диагностика кист.
• Диагностика состояния надпочечников.
• Заболевания органов малого таза.
• Урологические патологии.
• Гинекологические заболевания.
• Болезни органов грудной полости.

Кроме того, показано магнито-резонансное исследование всего организма при подозрении на новообразование. С помощью МРТ можно проводить поиск метастазов, если диагностирована первичная опухоль.

Это далеко не полный перечень показаний для проведения магнито-резонансной томографии. Можно с уверенностью утверждать, что нет такого организма и заболевания, которое не можно было бы обнаружить при помощи такого способа диагностики. Поскольку же возможности медицины растут, то перед врачами открываются практически безграничные возможности диагностики и лечения многих опасных болезней.

Когда противопоказана магнитно-резонансная томография?

Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.

1. Наличие установленного кардиостимулятора. Это связано с тем, что колебания магнитного поля способны подстраиваться под ритм сердца и таким образом могут привести к летальному исходу.
2. Наличие установленных ферромагнитных или электронных имплантатов в среднем ухе.
3. Большие имплантаты из металла.
4. Наличие в организме ферромагнитных осколков.
5. Наличие аппаратов Илизарова.

К относительным противопоказаниям (когда исследование возможно при выполнении определенных условий) относятся:

При выполнении МРТ с контрастом противопоказаниями является анемия, хроническая декомпенсированная почечная недостаточность, беременность, индивидуальная непереносимость.

Заключение

Значение магнитно-резонансной томографии для диагностики трудно переоценить. Это – совершенный, неизвазивный, безболезненный и безвредный способ обнаружения многих болезней. С внедрением магнитно-резонансной томографии улучшилось и лечение пациентов, так как врач знает точный диагноз и особенности всех процессов, протекающих в организме пациента.

Не нужно бояться проведения МРТ. Пациент не ощущает никаких болевых ощущений во время процедуры. Она ничего не имеет общего с ядерным или рентгеновским излучением. Отказываться от проведения такой процедуры также нельзя.

Глава 5. Основы и клиническое применение магнитно-резонансной томографии

Глава 5. Основы и клиническое применение магнитно-резонансной томографии

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - один из самых молодых методов лучевой диагностики. Метод основан на феномене ядерно-магнитного резонанса, который известен с 1946 г., когда F. Bloch и E. Purcell показали, что некоторые ядра, находящиеся в магнитном поле, индуцируют электромагнитный сигнал под воздействием радиочастотных импульсов. В 1952 г. за открытие магнитного резонанса им была вручена Нобелевская премия.

В 2003 г. Нобелевская премия по медицине была присуждена британскому ученому Питеру Мэнсфилду (Sir Peter Mansfield) и его американскому коллеге Полу Лотербуру (Paul Lauterbur) за исследования в области МРТ. В начале 1970-х гг. Пол Лотербур открыл возможность получать двухмерное изображение благодаря созданию градиента в магнитном поле. Анализируя характеристики испускаемых радиоволн, он определил их происхождение. Это позволило создавать двухмерные изображения, которые нельзя получить другими методами.

Доктор Мэнсфилд развил исследования Лотербура, установив, каким образом можно анализировать сигналы, которые подает в магнитном поле человеческий организм. Он создал математический аппарат, позволяющий в кратчайший срок преобразовывать эти сигналы в двухмерное изображение.

Споров по поводу приоритета открытия МРТ было много. Американский физик Рэймонд Дамадьян (Raymond Damadian) объявил себя настоящим изобретателем МРТ и создателем первого томографа.

Вместе с тем принципы построения магнитно-резонансных изображений человеческого тела задолго до Рэймонда Дамадьяна разработал Владислав Иванов. Исследования, которые в то время казались сугубо теоретическими, через десятки лет нашли широкое практическое применение в клинике (с 80-х гг. ХХ века).

Для получения МР сигнала и последующего изображения используют постоянное гомогенное магнитное поле и радиочастотный сигнал, который изменяет магнитное поле.

Основные компоненты любого МР-томографа:

Магнит, который создает внешнее постоянное магнитное поле с вектором магнитной индукции В 0 ; в системе СИ единицей измерения магнитной индукции является 1 Тл (Тесла) (для сравнения - магнитное поле Земли составляет примерно 5 x 10 -5 Тл). Одним из основных требований,

предъявляемых к магнитному полю, является его однородность в центре тоннеля;

Градиентные катушки, которые создают слабое магнитное поле в трех направлениях в центре магнита, и позволяют выбрать область исследования;

Радиочастотные катушки, которые используются для создания электромагнитного возбуждения протонов в теле пациента (передающие катушки) и для регистрации ответа сгенерированного возбуждения (приемные катушки). Иногда приемные и передающая катушки совмещены в одну при исследовании различных частей тела, например головы.

При выполнении МРТ:

Исследуемый объект помещается в сильное магнитное поле;

Подается радиочастотный импульс, после которого происходит изменение внутренней намагниченности с постепенным его возвращением к исходному уровню.

Эти изменения намагниченности многократно считываются для каждой точки исследуемого объекта.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МРТ

Организм человека примерно на 4/5 состоит из воды, около 90% вещества составляет водород - 1 Н. Атом водорода является простейшей структурой. В центре есть положительно заряженная частица - протон, а на периферии - значительно меньшая по массе: электрон.

Постоянно вращается вокруг ядра (протона) только электрон, но одновременно с этим происходит вращение протона. Он вращается примерно как волчок вокруг собственной оси, и одновременно его ось вращения описывает окружность, так что получается конус (см. рис. 5.1, а, б).

Частота вращения протона (прецессия) очень высока - примерно 40 МГц, т. е. за 1 с. он делает - около 40 млн оборотов. Частота вращения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и называется частотой Лар-мора. Движение заряженной частицы формирует магнитное поле, вектор которого совпадает с направлением конуса вращения. Таким образом, каждый протон можно представить в виде маленького магнита (спина), который имеет свое собственное магнитное поле и полюсы - северный и южный (рис. 5.1).

Протоны имеют самый высокий магнитный момент и, как отмечалось выше, самую большую концентрацию в организме. Вне сильного магнитного поля эти маленькие магниты (спины) ориентированы хаотично. Попадая под действие сильного магнитного поля, которое составляет основу магнитно-резонансной томографической установки, они выстраиваются вдоль основного магнитного вектора В 0 . Возникающая при этом продольная намагниченность спинов будет максимальной (см. рис. 5.2).

После этого подается мощный радиочастотный импульс определенной (резонансной) частоты, близкой к частоте Лармора. Он заставляет все протоны перестраиваться перпендикулярно (90°) основному магнитному вектору В 0 и совершать синхронное вращение, вызывая собственно ядерный резонанс.

Продольная намагниченность становится равной нулю, но возникает поперечная намагниченность, так как все спины направлены перпендикулярно основному магнитному вектору В 0 (см. рис. 5.2).

Рис. 5.1. Принцип ядерного магнитного резонанса: а - протоны вращаются (прецессируют) вокруг собственной оси с частотой примерно 40 млн оборотов в секунду; б - вращение происходит вокруг оси по типу «волчка»; в - движение заряженной частицы вызывает формирование магнитного поля, который

можно представить в виде вектора

Под влиянием основного магнитного вектора В 0 спины постепенно возвращаются к исходному состоянию. Это процесс называется релаксацией. Поперечная намагниченность уменьшается, а продольная увеличивается (см. рис. 5.2).

Скорость этих процессов зависит от наличия химических связей; наличия или отсутствия кристаллической решетки; возможности свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень (для воды это макромолекулы в окружении); неоднородности магнитного поля.

Время, за которое величина основного вектора намагниченности вернется к 63% первоначального значения, называют временем Т1-релаксации, или спин-решетчатой релаксацией.

После подачи радиочастотного импульса все протоны вращаются синхронно (в одной фазе). Затем из-за небольшой неоднородности магнитного поля спины, вращаясь с разной частотой (частотой Лармора), начинают вращаться в разных фазах. Другая частота резонанса позволяет «привязать» тот или иной протон к конкретному месту в исследуемом объекте.

Время релаксации Т2 наступает приблизительно в момент начала рас-фазировки протонов, которая происходит из-за негомогенности внешнего магнитного поля и наличия локальных магнитных полей внутри исследуемых тканей, т. е. когда спины начинают вращаться в разных фазах. Время,

за которое вектор намагниченности уменьшится до 37% первичного значения, называют временем Т2-релаксации, или спин-спиновой релаксацией.

Рис. 5.2. Этапы МР-исследования: а - объект помещается в сильное магнитное поле. Все векторы направлены вдоль вектора В 0 ; б - подается радиочастотный резонансный 90° сигнал. Спины направлены перпендикулярно вектору В 0 ; в - после этого происходит возврат к первоначальному состоянию (возрастает продольная намагниченность) - Т1 релаксация; г - из-за негомогенности магнитного поля в зависимости от удаленности от центра магнита спины начинают вращаться с разной частотой - происходит расфазировка

Эти изменения намагниченности считываются многократно для каждой точки исследуемого объекта и в зависимости от начала измерения МР-сиг-нала, характерного для разных импульсных последовательностей, мы получаем Т2-взвешенные, Т1-взвешенные или протон-взвешенные изображения.

В МРТ радиочастотные импульсы могут подаваться в различных комбинациях. Эти комбинации называются импульсными последовательностями. Они позволяют добиваться различной контрастности мягкотканных структур и применять специальные методики исследования.

Т1-взвешенные изображения (Т1-ВИ)

На Т1-ВИ хорошо определяются анатомические структуры. Т2-взвешенные изображения (Т2-ВИ)

Т2-ВИ имеют ряд преимуществ перед Т1-ВИ. Их чувствительность к большому количеству патологических изменений выше. Иногда становятся видимыми патологические изменения, которые не могут быть установлены при использовании Т1-взвешенных последовательностей. Кроме того, визуализация патологических изменений более надежная, если имеется возможность сравнения контраста на Т1- и Т2-ВИ.

В биологических жидкостях, содержащих разные по размеру молекулы, внутренние магнитные поля значимо различаются. Эти различия приводят к тому,

что расфазировка спинов наступает быстрее, время Т2 короткое, и на Т2-ВИ спинномозговая жидкость, например, всегда выглядит ярко-белой. Жировая ткань на Т1- и Т2-ВИ дает гиперинтенсивный МР-сигнал, так как характеризуется коротким временем Т1 и Т2.

Более подробно основные физические принципы магнитно-резонансной томографии описаны в переведенном на русский язык учебнике под редакцией профессора Ринка (Rinck) Европейского общества магнитного резонанса в медицине.

Характер получаемого сигнала зависит от множества параметров: числа протонов на единицу плотности (протонная плотность); времени Т1 (спин-решетчатой релаксации); времени Т2 (спин-спиновой релаксации); диффузии в исследуемых тканях; наличия тока жидкости (например, кровотока); химического состава; применяемой импульсной последовательности; температуры объекта; силы химической связи.

Получаемый сигнал отражается в относительных единицах серой шкалы. По сравнению с рентгеновской плотностью (единицы Хаунсфилда - HU), которая отражает степень поглощения рентгеновского излучения тканями организма и является сопоставимым показателем, интенсивность МР-сиг-нала - величина непостоянная, так как зависит от перечисленных выше факторов. В связи с этим абсолютные величины интенсивности МР-сигна-ла не сравнивают. Интенсивность МР-сигнала служит лишь относительной оценкой для получения контраста между тканями организма.

Важным показателем в МРТ является соотношение сигнал/шум. Это соотношение показывает, насколько интенсивность МР-сигнала превышает уровень шума, неизбежный при любых измерениях. Чем это соотношение выше, тем лучше изображение.

Одним из главных преимуществ МРТ является возможность создания максимального контраста между зоной интереса, например опухолью, и окружающими здоровыми тканями. Применяя разные импульсные последовательности, можно добиться большей или меньшей контрастности изображения.

Таким образом, для разных патологических состояний можно подобрать такую импульсную последовательность, где контраст будет максимальным.

В зависимости от напряженности магнитного поля различают несколько типов томографов:

До 0,1 Тл - сверхнизкопольный томограф;

От 0,1 до 0,5 Тл - низкопольный;

От 0,5 до 1 Тл - среднепольный;

От 1 до 2 Тл - высокопольный;

Более 2 Тл - сверхвысокопольный.

В 2004 г. FDA (Federal Food and Drug Administration - Федеральным управлением по пищевым продуктам и лекарственным средствам, США) разрешены к использованию в клинической практике МР-томографы с напряженностью магнитного поля до 3 Тл включительно. Проводятся единичные работы на добровольцах на 7 Тл МР-томографах.

Для создания постоянного магнитного поля используют:

Постоянные магниты, которые построены из ферромагнитных материалов. Их основным недостатком является большой вес - несколько

десятков тонн при небольшой силе индукции - до 0,3 Тл. Отсутствие громоздкой системы охлаждения и потребления электричества для формирования магнитного поля являются достоинствами таких магнитов;

Электромагниты, или резистивные магниты, представляющие собой соленоид, по которому пропускают сильный электрический ток. Они требуют мощной системы охлаждения, потребляют много электроэнергии, но при этом можно добиться большой однородности поля; диапазон магнитного поля таких магнитов составляет от 0,3 до 0,7 Тл.

Сочетания резистивного и постоянного магнита дают так называемые гибридные магниты, в которых получаются более сильные, чем в постоянных магнитах, поля. Они дешевле сверхпроводящих, но уступают им по величине поля.

Наиболее распространены сверхпроводящие магниты, которые являются резистивными, но используют явление сверхпроводимости. При температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С, или °К), происходит резкое падение сопротивления, и, следовательно, можно использовать огромные значения силы тока для генерации магнитного поля. Основным недостатком таких магнитов являются громоздкие, дорогостоящие многоступенчатые системы охлаждения с применением сжиженных инертных газов (Не, N).

МР-система со сверхпроводящим магнитом включает следующие компоненты:

Сверхпроводящий электромагнит с многоконтурной системой охлаждения, снаружи окруженной активным сверхпроводящим экраном для минимизации воздействия магнитного поля рассеяния; хладагентом является жидкий гелий;

Стол для пациента, перемещаемый в отверстие магнита;

МР-катушки для визуализации различных органов и систем, которые могут быть передающими, приемными и приемно-передающими;

Шкафы с электронной аппаратурой, система охлаждения, градиенты;

Компьютерную систему для управления, получения и хранения изображений, которая обеспечивает также интерфейс между компьютерной системой и пользователем;

Консоли управления;

Блок аварийной сигнализации;

Переговорное устройство;

Систему видеонаблюдения за пациентом (рис. 5.3). КОНТРАСТНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Для лучшего выявления патологических изменений (прежде всего опухолей) сигнал можно усилить путем внутривенного введения парамагнитного контрастного вещества, что будет проявляться усилением МР-сигнала от опухоли, например в зоне нарушения гематоэнцефалического барьера.

Контрастные вещества, используемые в МРТ, изменяют продолжительность Т1- и Т2-релаксации.

Наиболее часто в клинической практике применяют хелатные соединения редкоземельного металла гадолиния - гадовист, магневист, омнискан. Несколько неспаренных электронов и возможность свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень позволяют значительно снижать Т1- и Т2-релаксацию.

Рис. 5.3. Внешний вид высокопольного магнитно-резонансного томографа: 1) тоннель магнита; 2) стол пациента, который перемещается в тоннель (центр) магнита; 3) пульт управления столом, с системой центровки и позиционирования области исследования; 4) встроенные в стол радиочастотные катушки для исследования позвоночника; 5) основные радиочастотные катушки для исследования головного мозга; 6) наушники

для связи с пациентом

В некоторых нормальных структурах физиологическое распределение соединений гадолиния обычно ведет к усилению сигнала в Т1-ВИ. В полости черепа выделяются только те структуры, которые не имеют гема-тоэнцефалического барьера, например гипофиз, шишковидное тело, сосудистое сплетение желудочков мозга и определенные участки черепных нервов. Усиления не происходит в остальных частях центральной нервной системы, в спинномозговой жидкости, в стволе мозга, во внутреннем ухе и в глазницах, за исключением сосудистой оболочки глаз.

Особенно интенсивно контрастируются соединениями гадолиния патологические очаги с повышенной проницаемостью гематоэнцефалического барьера: опухоли, участки воспаления и повреждения белого вещества (рис. 5.4).

Контрастные вещества на основе гадолиния, оказывая влияние на Т1-ре-лаксацию, при выполнении МР-ангиографии улучшают визуализацию мелких артерий и вен, а также участков с турбулентным током.

Рис. 5.4. Опухоль головного мозга. Контрастное вещество накапливается в опухолевой ткани вследствие нарушения гематоэнцефалического барьера. На постконтрастных Т1-ВИ опухоль характеризуется выраженным гиперинтенсивным МР-сигналом (б) по сравнению

с преконтрастным изображением (а)

МЕТОДИКИ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Стандартные методики

Стандартными методиками МРТ являются получение Т1-, Т2- и протон-взвешенных изображений (срезов) в различных плоскостях, дающих диагностическую информацию о характере, локализации и распространенности патологического процесса.

Помимо этого, используют специальные методики: контрастное усиление (в том числе динамическое контрастное усиление), МР-ангиографию, МР-миелографию, МР-холангиопанкреатикографию, МР-урографию), жи-роподавление, спектроскопию, функциональную МРТ, МР-диффузию, МР-пер-фузию, кинематическое исследование суставов.

Программное обеспечение МР-томографа позволяет выполнять ангиографию как с введением контрастного вещества, так и без него. В бесконтрастной ангиографии выделяют две основные методики: время-пролетную (ToF or time-of-flight) и фазоконтрастную (PC or phase contrast) ангиографию. Методики основаны на одном физическом принципе, но способ реконструкции изображения и возможности визуализации различаются. Обе методики позволяют получить как двухмерное (2D), так и трехмерное (3D) изображение.

Получение ангиографического изображения основано на селективном возбуждении (насыщении) радиочастотным импульсом тонкого среза исследуемой области. Затем происходит считывание суммарного магнитного спина, который увеличивается в сосуде из-за того, что происходит вытеснение током крови «насыщенных» спинов «ненасыщенными», которые имеют полновесную намагниченность и дают более интенсивный сигнал по сравнению с окружающими тканями (см. рис. 5.5).

Интенсивность сигнала будет тем выше, чем выше напряженность магнитного поля, скорость тока крови, если радиочастотный импульс будет перпендикулярен исследуемому сосуду. Интенсивность сигнала снижается в местах турбулентного движения крови (ме-шотчатые аневризмы, область после стеноза) и в сосудах с небольшой скоростью кровотока. Эти недостатки устраняются в фазоконт-растной и трехмерной время-пролетной ангиографии (3D ToF), где пространственная ориентация кодируется не величиной, а фазой спинов. Для визуализации мелких артерий и вен целесообразнее применить фазоконтрастную либо трехмерную время-пролетную ангиографию (3D ToF). Использование фазоконтрастной методики позволяет визуализировать кровоток в пределах заданных скоростей и видеть медленный кровоток, например, в венозной системе.

Для контрастной МР-ангиографии внутривенно вводят парамагнитные контрастные вещества, улучшающие визуализацию мелких артерий и вен, а также участков с турбулентным током, автоматическим инъектором для МР-томографов.

Специальные методики

МР-холангиография, миелография, урография - группа методик, объединенных общим принципом визуализации только жидкости (гидрография). МР-сигнал от воды выглядит гиперинтенсивным на фоне низкого сигнала от окружающих тканей. Применение МР-миелографии с ЭКГ-совмещением помогает оценить ток спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве.

Динамическая МРТ используется для выявления прохождения контрастного вещества через область интереса после внутривенного введения препарата. В злокачественных опухолях происходят более быстрый захват и быстрое вымывание по сравнению с окружающими тканями.

Методика жироподавления применяется для дифференциальной диагностики жиросодержащих тканей, опухолей. При использовании Т2-ВИ жидкость и жир выглядят яркими. В результате генерации селективного импульса, свойственного жировой ткани, происходит подавление МР-сигнала от нее. При сравнении с изображениями до жироподавления можно уверенно высказаться о локализации, например, липом.

Рис. 5.5. Общая схема бесконтрастной магнитно-резонансной ангиографии. Получение изображения основано на селективном возбуждении (насыщении) радиочастотным импульсом тонкого среза исследуемой области (темная полоса). В сосуде происходит вымещение током крови «насыщенных» спинов «ненасыщенными», которые имеют полновесную намагниченность и дают интенсивный МР-сигнал по сравнению с окружающими тканями

МР-спектроскопия водородная (1 H) и фосфорная (31 Р) позволяет в результате разделения МР-сигналов от различных метаболитов (холин, креатинин, N-ацетиласпартат, изониозид, глутамат, лактат, таурин, g-аминобутират, аланин, цитрат, аденозинтрифосфатаза, креатинфосфат, фосфомоноэфир, фосфодиэфир, неорганический фосфат-Pi, 2,3-фосфоглицерат) выявлять изменения на биохимическом уровне, до того как возникли изменения, видимые на традиционных Т1- и Т2-ВИ.

При МРТ возможно выполнение функциональной томографии головного мозга на основе методики BOLD (Blood Oxygen Level Dependent - зависящей от уровня кислорода в крови). Выявляются участки, где происходит усиление кровотока и, соответственно притока, кислорода в кору согласно топике раздражаемого анализатора или моторной зоны.

Для выявления изменений головного мозга в острейшем периоде ишеми-ческого инсульта выполняется диффузионная и перфузионная МРТ.

Под диффузией понимают движение свободных молекул воды, которое снижается в ишемизированной ткани мозга. Методика МР-диффузии позволяет выявлять участки понижения так называемого измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) в зонах ишемического повреждения головного мозга, когда изменения при обычной (Т1-, Т2- и протон-взвешенной) томографии в первые часы еще не определяются. Зона, выявленная на диффузионных изображениях, соответствует зоне необратимых ишемических изменений. ИКД определяется путем использования специальной серии импульсных последовательностей. Время сканирования составляет чуть больше минуты, введения контрастного вещества не требуется.

Под термином «тканевая перфузия» понимается процесс доставки с кровью кислорода на капиллярном уровне. При перфузионной МРТ вводят 20 мл контрастного вещества внутривенно болюсно с помощью автоматического инъектора с большой скоростью (5 мл/с).

МР-перфузия выявляет изменения на микроциркуляторном уровне, которые обнаруживаются уже в первые минуты от начала клинической симптоматики. С помощью данной методики возможна количественная (MMT - среднее время транспорта, TTP - среднее время прихода КВ) и полуколичественная (CBF - мозговой кровоток, CBV - объем мозгового кровотока) оценка перфузионных показателей.

На МР-томографах с открытым контуром возможно кинематическое (в движении) исследование суставов, когда сканирование делают последовательно со сгибанием или разгибанием сустава на определенный угол. На полученных изображениях оценивают подвижность сустава и участие в нем тех или иных структур (связки, мышцы, сухожилия).

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ

Абсолютным противопоказанием для выполнения МРТ являются металлические инородные тела, осколки, ферромагнитные имплантаты, так как под влиянием сильного магнитного поля они могут нагреваться, смещаться и травмировать окружающие ткани.

Под ферромагнитными имплантатами понимают кардиостимуляторы, автоматические дозаторы лекарственных средств, имплантированные инсу-линовые помпы, искусственный задний проход с магнитным затвором; искусственные клапаны сердца с металлическими элементами, стальные имп-лантаты (зажимы/клипсы на сосудах, искусственные тазобедренные суставы, аппараты металлоостеосинтеза), слуховые аппараты.

Изменяющиеся во времени вихревые токи, генерируемые высокими магнитными полями, могут вызвать ожоги у пациентов с электропроводящими имплантированными устройствами или протезов.

Относительными противопоказаниями для проведения исследования: I триместр беременности; клаустрофобия (боязнь замкнутого пространства); некупированный судорожный синдром; двигательная активность пациента. В последнем случае у больных в тяжелом состоянии или у детей прибегают к анестезиологическому пособию.

ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА

Различные импульсные последовательности обеспечивают получение высококонтрастного изображения мягких тканей, сосудов, паренхиматозных органов в любой плоскости с заданной толщиной среза до 1 мм.

Отсутствие лучевой нагрузки, безопасность для больного, возможность многократного повторного выполнения исследования.

Возможность выполнения бесконтрастной ангиографии, а также хо-лангио-панкреатикографии, миелографии, урографии.

Неинвазивное определение содержания различных метаболитов in vivo с помощью водородной и фосфорной МР-спектроскопии.

Возможность функциональных исследований головного мозга для визуализации чувствительных и двигательных центров после их стимуляции.

НЕДОСТАТКИ МЕТОДА

Высокая чувствительность к двигательным артефактам.

Ограничение исследований у пациентов, находящихся на аппаратном поддержании жизненно важных функций (кардиостимуляторы, дозаторы лекарственных веществ, аппаратов ИВЛ и др.).

Плохая визуализация костных структур из-за низкого содержания воды.

ПОКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ МРТ

Голова

1. Аномалии и пороки развития головного мозга.

2. Опухоли головного мозга:

Диагностика доброкачественных опухолей;

Диагностика внутримозговых опухолей с оценкой их злокачественности;

Оценка радикальности удаления опухолей и оценка эффективности комбинированного лечения;

Планирование стереотаксического вмешательства и/или биопсии при опухолях головного мозга.

3. Заболевания сосудов головного мозга:

Диагностика артериальных аневризм и сосудистых мальформаций;

Диагностика острого и хронического нарушения мозгового кровообращения;

Диагностика стенозирующих и окклюзирующих заболеваний.

4. Демиелинизирующие заболевания головного мозга:

Определение активности патологического процесса.

5. Инфекционные поражения головного мозга (энцефалит, абсцесс).

7. Гипертензионно-гидроцефальный синдром:

Установление причины повышения внутричерепного давления;

Диагностика уровня и степени обструкции при окклюзионной гидроцефалии;

Оценка состояния желудочковой системы при неокклюзионной гидроцефалии;

Оценка ликворотока.

8. Черепно-мозговая травма:

Диагностика внутричерепных кровоизлияний и ушибов головного мозга.

9. Заболевания и повреждения органа зрения и ЛОР-органов:

Диагностика внутриглазных кровоизлияний;

Выявление инородных (неметаллических) тел в глазнице и околоносовых пазухах;

Выявление гемосинуса при травмах;

Оценка распространенности злокачественных опухолей.

10. Контроль эффективности лечения различных заболеваний и травм головного мозга.

Грудь

1. Исследование органов дыхания и средостения:

Диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей средостения;

Определение жидкости в полости перикарда, плевральной полости;

Выявление мягкотканных образований в легких.

2. Исследование сердца:

Оценка функционального состояния миокарда, сердечной гемодинамики;

Выявление прямых признаков инфаркта миокарда;

Оценка морфологического состояния и функции структур сердца;

Диагностика внутрисердечных тромбов и опухолей.

3. Исследование молочных желез:

Оценка состояния регионарных лимфатических узлов;

Оценка состояния имплантатов после протезирования молочных желез;

Пункционная биопсия образований под контролем МРТ.

Позвоночник и спинной мозг

1. Аномалии и пороки развития позвоночника и спинного мозга.

2. Травма позвоночника и спинного мозга:

Диагностика позвоночно-спинномозговой травмы;

Диагностика кровоизлияний и ушибов спинного мозга;

Диагностика посттравматических изменений позвоночника и спинного мозга.

3. Опухоли позвоночника и спинного мозга:

Диагностика опухолей костных структур позвоночника;

Диагностика опухолей спинного мозга и его оболочек;

Диагностика метастатических поражений.

4. Интрамедуллярные неопухолевые заболевания (сирингомиелия, бляшки рассеянного склероза).

5. Сосудистые заболевания спинного мозга:

Диагностика артериовенозных мальформаций;

Диагностика спинального инсульта.

6. Дегенеративно-дистрофические заболевания позвоночника:

Диагностика протрузий и грыж межпозвоночных дисков;

Оценка компрессии спинного мозга, нервных корешков и дурального мешка;

Оценка стеноза позвоночного канала.

7. Воспалительные заболевания позвоночника и спинного мозга:

Диагностика спондилитов различной этиологии;

Диагностика эпидуритов.

8. Оценка результатов консервативного и оперативного лечения заболеваний и повреждений позвоночника и спинного мозга.

Живот

1. Исследование паренхиматозных органов (печень, поджелудочная железа, селезенка):

Диагностика очаговых и диффузных заболеваний (первичные доброкачественные и злокачественные опухоли, метастазы, кисты, воспалительные процессы);

Диагностика повреждений при травме живота;

Диагностика портальной и билиарной гипертензии;

Изучение метаболизма печени на биохимическом уровне (фосфорная МР-спектроскопия).

2. Исследование желчных путей и желчного пузыря:

Диагностика желчнокаменной болезни с оценкой состояния внутри-и внепеченочных протоков;

Диагностика опухолей;

Уточнение характера и выраженности морфологических изменений при остром и хроническом холецистите, холангите;

Постхолецистэктомический синдром.

3. Исследование желудка:

Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей;

Оценка местной распространенности рака желудка;

Оценка состояния регионарных лимфатических узлов при злокачественных опухолях желудка.

4. Исследование почек и мочевыводящих путей:

Диагностика опухолевых и неопухолевых заболеваний;

Оценка распространенности злокачественных опухолей почек;

Диагностика мочекаменной болезни с оценкой функции мочевыделения;

Установление причин гематурии, анурии;

Дифференциальная диагностика почечной колики и других острых заболеваний органов брюшной полости;

Диагностика повреждений при травме живота и поясничной области;

Диагностика специфического и неспецифического воспаления (туберкулез, гломерулонефрит, пиелонефрит).

5. Исследование лимфатических узлов:

Выявление их метастатического поражения при злокачественных опухолях;

Дифференциальная диагностика метастатических и воспалительно измененных лимфатических узлов;

Лимфомы любой локализации.

6. Исследование сосудов полости живота:

Диагностика аномалий и вариантов строения;

Диагностика аневризм;

Выявление стенозов и окклюзии;

Оценка состояния межсосудистых анастомозов.

Таз

1. Аномалии и врожденные нарушения развития.

2. Травмы органов таза:

Диагностика внутритазовых кровоизлияний;

Диагностика повреждений мочевого пузыря.

3. Исследование внутренних половых органов у мужчин (простата, семенные пузырьки):

Диагностика воспалительных заболеваний;

Диагностика доброкачественной гиперплазии простаты;

Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей;

Изучение метаболизма простаты на биохимическом уровне (водородная МР-спектроскопия).

4. Исследование внутренних половых органов у женщин (матка, яичники):

Диагностика воспалительных и невоспалительных заболеваний;

Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей;

Оценка распространенности злокачественного опухолевого процесса;

Диагностика врожденных пороков и заболеваний плода.

Конечности

1. Аномалии и врожденные нарушения развития конечностей.

2. Травмы и их последствия:

Диагностика повреждений мышц, сухожилий, связок, менисков;

Диагностика внутрисуставных повреждений (жидкость, кровь и т. д.);

Оценка целостности капсулы крупных суставов.

3. Воспалительные заболевания (артрит, бурсит, синовиит).

4. Дегенеративно-дистрофические заболевания.

5. Нейродистрофические поражения.

6. Системные заболевания соединительной ткани (ретикулоэндотелиозы и псевдоопухолевые гранулемы, фиброзная дистрофия и т. д.).

7. Опухоли костей и мягких тканей:

Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных заболеваний;

Оценка распространенности опухолей.

Таким образом, МРТ является высокоинформативным, безопасным, не-инвазивным (или малоинвазивным) методом лучевой диагностики.

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.

Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о "ядерном" происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода (1 H), углерода (13 C), натрия (23 Na) и фосфора (31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.

При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.

Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.

Для водорода, γ = 42.58 MГц/Тл.
Частица может подвергаться переходу между двумя энергетическими состояниями, поглощая фотон. Частица на нижнем энергетическом уровне поглощает фотон и оказывается на верхнем энергетическом уровне. Энергия данного фотона должна точно соответствовать разнице между этими двумя состояниями. Энергия протона, Е, связана с его частотой, ν, через постоянную Планка (h = 6.626·10 -34 Дж·с).

В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией

Когда энергия фотона соответствует разнице между двумя состояниями спина, происходит поглощение энергии. Напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу (резонанс). В ЯМР экспериментах частота фотона соответствует радиочастотному (РЧ) диапазону. В клинической МРТ, для отображения водорода, ν как правило находится между 15 и 80 MГц.
При комнатной температуре количество протонов со спинами на нижнем энергетическом уровне незначительно превосходит их количество на верхнем уровне. Сигнал в ЯМР-спектроскопии пропорционален разности в заселенностях уровней. Число избыточных протонов пропорционально B 0 . Эта разница в поле 0.5 Tл, составляет всего лишь 3 протона на миллион, в поле 1.5 Tл – 9 протонов на миллион. Однако общее количество избыточных протонов в 0.02 мл воды в поле 1.5 Tл – 6.02·10 15 . Чем больше напряженность магнитного поля, тем лучше изображение.

В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B 0 и называется равновесной намагниченностью M 0 . В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности M Z равна M 0 . Еще M Z называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (M X или M Y) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.

T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. Временная константа, описывающая, как M Z возвращается к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T 1 ).

M Z = M 0 (1 - e -t/T 1 )

T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.

T2 Релаксация
T1 релаксация описывает процессы, происходящие в Z направлении, в то время как T2 релаксация описывает процессы в плоскости X-Y.
Сразу после воздействия РЧ импульсом суммарный вектор намагниченности (теперь называемый поперечной намагниченностью) начинает вращаться в плоскости X-Y вокруг оси Z . Все векторы имеют одно и то же направление, потому что они находятся в фазе. Однако они не сохраняют это состояние. Вектор суммарной намагниченности начинает сдвигаться по фазе (расфазировываться) из-за того, что каждый спиновый пакет испытывает магнитное поле, немного отличающееся от магнитного поля, испытываемого другими пакетами, и вращается со своей собственной частотой Лармора. Сначала количество дефазированных векторов будет небольшим, но быстро увеличивающимся до момента, когда фазовая когерентность исчезнет: не будет ни одного вектора, совпадающего по направлению с другим. Суммарная намагниченность в плоскости XY стремится к нулю, и затем продольная намагниченность возрастает до тех пор пока M 0 не будет вдоль Z.

Рис. 9. Спад магнитной индукции

Временная константа, описывающая поведение поперечной намагниченности, M XY , называется спин-спиновым временем релаксации, T 2 . T2 релаксация называется спин-спиновой релаксацией, потому что она описывает взаимодействия между протонами в их непосредственной среде (молекулах). T2 релаксация – затухающий процесс, означающий высокую фазовую когерентность в начале процесса, но быстро уменьшающуюся до полного исчезновения когерентности в конце. Cигнал в начале сильный, но быстро ослабевает за счет T2 релаксации. Сигнал называется спадом магнитной индукции (FID - Free Induction Decay) (рис. 9).

M XY =M XYo e -t/T 2

T 2 всегда меньше чем T 1 .
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T 1 и T 2 для различных тканей.

Таблица 1

Ткани	T 1 (мс), 1.5 T	T 2 (мс)
МОЗГ
Серое вещество	921	101
Белое вещество	787	92
Опухоли	1073	121
Отек	1090	113
ГРУДЬ
Фиброзная ткань	868	49
Жировая ткань	259	84
Опухоли	976	80
Карцинома	923	94
ПЕЧЕНЬ
Нормальная ткань	493	43
Опухоли	905	84
Цирроз печени	438	45
МЫШЦА
Нормальная ткань	868	47
Опухоли	1083	87
Карцинома	1046	82
Отек	1488	67

Устройство магнитно-резонансного томографа

Рис. 10. Схема МРТ

Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.

Постоянный магнит
МРТ сканеры используют мощные магниты. От величины напряженности поля зависит качество и скорость получения изображения. В современных МР-томографах используются либо постоянные, либо сверхпроводящие магниты. Постоянные магниты дёшевы и просты в эксплуатации, но не позволяют создавать магнитные поля с напряженностью большей 0.7 Тл. Большинство магнитно-резонансных томографов это модели со сверхпроводящими магнитами (0.5 – 1.5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3.0 Тл) очень дороги в эксплуатации. На МР-томографах с полем ниже 1 Тл нельзя качественно сделать томографию внутренних органов, так как мощность таких аппаратов слишком низкая, чтобы получать снимки высокого разрешения. На томографах с напряженностью магнитного поля < 1 Тл можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов.

Рис. 11.

Градиентные катушки
Внутри магнита расположены градиентные катушки. Градиентные катушки позволяют создавать дополнительные магнитные поля, накладывающиеся на основное магнитное поле B 0 . Имеются 3 набора катушек. Каждый набор может создавать магнитное поле в определенном направлении: Z, X или Y. Например, когда ток поступает в Z градиент, в Z направлении (вдоль длинной оси тела)создается однородное линейное изменение поля. В центре магнита поле имеет напряженность B 0 , а резонансная частота равняется ν 0 , но на расстоянии ΔZ поле меняется на величину ΔB, а соответственно меняется и резонансная частота (рис. 11). За счет добавления к общему однородному магнитному полю градиентного магнитного возмущения, обеспечивается локализация ЯМР-сигнала. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. От мощности и скорости действия катушек зависит быстродействие, отношение сигнал/шум, разрешающая способность томографа.

РЧ катушки
РЧ катушки создают поле B 1 , которое поворачивает суммарную намагниченность в импульсной последовательности. Они также регистрируют поперечную намагниченность, в то время как она прецессирует в плоскости XY. РЧ катушки бывают трех основных категорий: передающие и принимающие, только принимающие, только передающие. РЧ катушки служат излучателями полей B 1 и приемниками РЧ энергии от исследуемого объекта.

Кодирование сигнала

Когда пациент находится в однородном магнитном поле B 0 , все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B 0 . Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.

Срез-кодирующий градиент
При включенном Z-градиенте, в этом направлении генерируется дополнительное магнитное поле G Z , накладывающееся на B 0 . Более сильное поле означает более высокую Ларморову частоту. Вдоль всего наклона градиента поле B различно и, следовательно, протоны вращаются с разными частотами. Теперь, если сгенерировать РЧ импульс с частотой ν + Δν, прореагируют только протоны в тонком срезе, потому что они - единственные, вращающиеся с этой же самой частотой. Ответный сигнал будет только от протонов из этого среза. Таким образом локализуется источник сигнала по оси Z. Протоны в этом срезе вращаются с одной частотой и имеют одинаковую фазу. В срезе находится огромное количество протонов, и неизвестна локализация источников по осям X и Y. Поэтому для точного определения непосредственного источника сигнала требуется дальнейшее кодирование.

Рис. 12.

Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент G Y . В течение этого времени в направлении по оси Y создается дополнительное магнитное поле градиента. В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться. Когда градиент G Y выключен, протоны в срезе будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это называется кодированием фазы.

Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования левого-правого направления включается третий градиент G X . Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.

Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.

1. G Z градиент выбирает аксиальный срез.
2. G Y градиент создает строки с разными фазами.
3. G X градиент формирует столбцы с разными частотами.

За один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы (рис. 12). Количество протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд.

Импульсные последовательности

На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который "переворачивает" суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.

Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность, обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0 РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности спин-эхо.

Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо

Сначала включается срезо-селективный градиент (1) (G SS ). Одновременно c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss (4) снова включается во время 180º перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro), в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE (Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.

Контраст изображения

При ЯМР сканировании одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1 >> T2. Контраст изображения сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.

T1 контраст

Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE = 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения, поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс жир практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса релаксации Т1. Изображение "взвешено по T1" потому, что контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.

T2 контраст

Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга

Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение "взвешено по T2". На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.

Контраст протонной плотности

Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и яркое изображение.

Рис. 17.

Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов. Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2 релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD. Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.

Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная на T1, серая на PD и яркая на T2.

Рис. 19. Магниторезонансный томограф

МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.