Физические основы МРТ

Организм человека примерно на 4/5 состоит из воды, около 90% вещества составляет водород - ¹Н. 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 В₀. 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 В₀ 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 В₀ (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 В₀ 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 В₀; б - подается радиочастотный резонансный 90° сигнал. Спины направлены перпендикулярно вектору В₀; 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)