Главная

Форум

Области применения стереолитографических прототипов

Медицина

Теоретические основы магнитно-резонансной томографии

Томография (греч. τομη — сечение) — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях

В классической трактовке под томографией понимается метод рентгенологического исследования, с помощью которого можно производить снимок слоя, лежащего на определённой глубине исследуемого объекта. Он был предложен Бокажем через несколько лет после открытия рентгеновских лучей и был основан на перемещении двух из трёх компонентов (рентгеновская трубка, рентгеновская плёнка, объект исследования).

Магнитно-резонансная томография (МРТ, MRT, MRI) — томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса — метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. В действительности же ЯМР-томографию (МРТ) изобрёл в 1960 г. В.А. Иванов (и способ, и устройство), что удостоверено патентом СССР с та-кой датой приоритета. Некоторое время существовал термин ЯМР-томография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии. В новом термине исчезло упоминание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему достаточно безболезненно войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также имеет хождение. За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии большой вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера.

Томография позволяет визуализировать с высоким качеством голов-ной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным неинвазивно (без вмешательства) исследовать функцию органов — измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ).

Человек в основном состоит из воды, основу которой, в свою очередь, составляют атомы водорода – от 60 до 70%. А ядро водорода есть не что иное, как протон. Каждый протон имеет некий параметр, называемый спином (квантовый аналог собственного механического момента количества движения). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, которые можно условно обозначить как «вверх» и «вниз». К спину жестко привязан и магнитный момент протона, который также может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Для простоты можно представить протон как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве.

Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, магнитный момент его будет направлен либо в ту же сторону, что и поле («вдоль поля»), либо в противоположную («навстречу полю»). Причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими состояниями. Сделать это можно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой. Конечно, обнаружить переход единичного протона из одного состояния в другое проблематично. А вот если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества про-тонов с магнитным моментом, направленным «вдоль» и «навстречу» полю, окажутся примерно равными. Если воздействовать на этот образец электро-магнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «на-встречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, – переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

МРТ томограф обнаруживает скопления протонов – ядер атомов водорода. Поэтому МРТ томография показывает различия в содержании водорода (в основном воды) в разных тканях. Есть и другие способы отличать одну ткань от другой (скажем, различия в магнитных свойствах), которые применяются в специализированных исследованиях. Томограф «видит» скопления протонов и «знает», где именно они расположены. Но ведь это только протоны! Эти скопления еще нужно «связать» с органами и тканями. Ткани человеческого тела содержат различное количество воды (водорода), а значит, в первом приближении дают сигналы различной интенсивности и отображаются на МРТ с различной контрастностью. Скажем, сосуды содержат много водорода, так что они показаны в виде светлых линий, жировые ткани – в виде серых областей, а кости, в которых водорода мало, отображаются как темно-серые.

Современные технологии и внедрение компьютерной техники обусловили возникновение такого метода, как виртуальная эндоскопия, который позволяет выполнить трёхмерное моделирование структур, визуализированных посредством КТ или МРТ. Данный метод является информативным при невозможности провести эндоскопическое исследование, например при тяжёлой патологии сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Метод виртуальной эндоскопии нашёл применение в ангиологии, онкологии, урологии и других областях медицины.

Конструкция и принцип действия магнитно-резонансного томографа

Исторически наибольшее распространение получил метод съёмки, при котором исследуемый объект оставался неподвижным, а рентгеновская трубка и кассета с плёнкой согласованно перемещались в противоположных направлениях. При синхронном движении трубки и кассеты только необходимый слой получается четким на пленке, потому что только его вклад в общую тень остаётся неподвижным относительно плёнки, всё остальное — смазывается, почти не мешая проводить анализ полученного изображения. В настоящее время доля последнего метода в исследованиях уменьшается, в связи со своей относительно малой информативностью. В России в связи с дороговизной и недостаточной укомплектованностью медицинских учреждений современным диагностическим оборудованием, высокой заболеваемостью туберкулезом данный метод остается широко распространенным и актуальным. В настоящее время данный метод получил название классическая томография или линейная томография.

Современный же аппарат имеет три основные системы – это сверхпроводящий магнит, генерирующий чрезвычайно мощное магнитное поле, радиочастотная система для облучения изучаемого объекта на резонансной частоте и градиентные магнитные катушки, создающие неоднородности магнитного поля. Зона сканирования невелика, и при изучении крупных областей стол перемещают для получения изображения нескольких сечений.

Мощный сверхпроводящий магнит создает сильное однородное магнитное поле, необходимое для ориентации магнитных моментов протонов. Радиочастотная система томографа служит для облучения исследуемого объекта электромагнитной энергией нужной частоты и последующей регистрации излучения, возникающего при релаксации (обратном «перевороте» магнитных моментов).

Первые томографы имели напряженность магнитного поля 0,005 Тесла, однако качество изображений, полученных на них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (до 9,4 T), так и постоянные магниты (до 0,5 T). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие в жидком гелии, а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодивовые. Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР-томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Однако, постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ — так называемая интервенционная МРТ.

Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, дает возможность проводить селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Именно так устроен МР-спектрометр. Однако получить изображения внутренних органов с помощью такого прибора невозможно. Просто уловить сигнал для медицинской диагностики мало – необходимо знать, откуда именно он пришел. Поэтому еще одной очень важной частью томографа являются градиентные катушки. Они добавляют к общему однородному магнитному полю свою небольшую часть – градиентное, изменяющееся в пространстве магнитное поле. Именно градиентное поле и обеспечивает локализацию ядерного магнитного резонанса в пространстве. Дело в том, что резонансная частота напрямую зависит от величины магнитного поля. Именно градиентное поле и позволяет немного изменить резонансную частоту магнитных моментов протонов в пространстве и точно локализовать их месторасположение.

При различных исследованиях используются различные способы отличать одну ткань от другой. Скажем, когда гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови) теряет кислород, он превращается в парамагнитный дезоксигемоглобин. Магнитные свойства этих молекул позволяют отличать артериальную (гемоглобин) кровь от венозной (дезоксигемоглобин) или, например, устанавливать давность кровоизлияния при инсультах.

Магниты современных серийных томографов могут быть обычными постоянными, резистивными или сверхпроводящими. В медицинских целях требуются поля (0,01–3 Тл). Самая дорогостоящая часть сверхпроводящего томографа – огромная магнитная катушка, способная генерировать мощное магнитное поле в 1–3 Тл. Чем мощнее поле, тем выше соотношение сигнал/шум при сканировании и тем большие возможности для диагностики предоставляет аппарат.

Для охлаждения нескольких километров проводов сверхпроводящей катушки используют жидкий гелий, позволяющий довести их до температуры, близкой к абсолютному нулю (4,20К, или –268,950C). При такой температуре металл проводов переходит в сверхпроводящее состояние, потери электроэнергии в катушке за год составляют десятитысячные доли процента!

Добавляет цену и гелий - необходимый компонент для охлаждения. Во всем мире насчитывается всего несколько месторождений этого ценного сверхлегкого газа, и по некоторым оценкам, они иссякнут даже раньше, чем нефтяные скважины, – лет через пятьдесят. Уже сейчас в Западной Европе случаются остановки томографов из-за проблем с поставками гелия. Поэтому последние модели томографов имеют трехступенчатую систему охлаждения, позволяющую свести расходы этого газа практически к нулю.

Медицинские особенности правил применения томографии

«Поражающий» фактор магнитной катушки – собственно магнитное поле. Вернее, не само поле, а захваченные им металлические предметы. Именно поэтому перед входом в помещение с томографом вас несколько раз спросят о наличии металлических предметов: часов, брелоков, ключей, мобильных телефонов – все это необходимо оставить за дверью. Томографы, кстати, противопоказаны людям с имплантированными суставами из нержавейки. Правда, такие уже лет десять как не ставят.

Металлические зубы магнит не выдергивает, но «картинку» они портят изрядно. Металлические предметы, случайно попавшие в помещение с томографом, – самая распространенная причина выхода из строя дорогостоящего оборудования.

Существуют как относительные медицинские противопоказания, при которых проведение исследования возможно при определённых условиях, так и абсолютные, при которых исследование недопустимо.

Абсолютные противопоказания:

Также МРТ противопоказана (или время обследования должно быть значительно сокращено) при наличии татуировок, выполненных с помощью красителей с содержанием металлических соединений. Широко используемый в протезировании титан не является ферромагнетиком и практически безопасен при МРТ; исключение — наличие татуировок, выполненных с помощью красителей на основе соединений титана (например, на основе диоксида титана).

Дополнительным противопоказанием для МРТ является наличие кохлеарного имплантанта — протезов внутреннего уха. МРТ противопоказана при некоторых видах протезов внутреннего уха, так как в кохлеарном имплантанте есть металлические части, которые содержат ферромагнитные материалы.