Принципы томографии

Импульсные магнитные поля

Катушка провода, помещенная вокруг оси X, при пропускании по ней постоянного электрического тока, создаст магнитное поле вдоль оси X.

Переменный ток создаст магнитное поле, которое меняется по направлению, обратному стрелке.

В системе координат, вращающейся вокруг оси Z с частотой равной частоте того переменного тока, магнитное поле вдоль оси X' будет постоянным, как в случае с постоянным током в лабораторной системе.

Это то же самое, что движение катушки вокруг вращающейся системы с частотой Лармора. В магнитном резонансе, магнитное поле, создаваемое катушкой при пропускании по ней переменного тока частоты Лармора, называется магнитным полем B1. Когда переменный ток в катушке включается и выключается, он создает импульсное магнитное поле B1 вдоль оси X'.

Спины в ответ на этот импульс заставляют реагируют так, что вектор суммарной намагниченности начинает вращаться вокруг направления примененного поля B1. Угол вращения зависит от продолжительности наличия поля  и его величины B1.

 = 2   B1.

В следующих примерах будет предполагаться, что  значительно больше, чем T1 и T2.

90o-импульс - это такой импульс, который вращает вектор намагниченности на 90o по часовой стрелке вокруг оси X'. 90o-импульс перемещает равновесную намагниченность на ось Y'.  В лабораторной системе, равновесная намагниченность по спирали двигается вокруг оси Z на плоскость XY.

180o-импульс в 180o будет вращать вектор намагниченности на 180 градусов. Этот импульс перемещает равновесную намагниченность вдоль отрицательного направления оси Z.

Суммарная намагниченность любого направления будет подчиняться уравнению вращения. Например, вектор суммарной намагниченности направленный вдоль оси Y', после воздействия 180o-импульсом B1 вдоль оси X' станет направлен вдоль отрицательного направления оси Y'.

Вектор суммарной намагниченности между осями X' и Y' останется между ними после воздействия 180o-импульса B1 вдоль оси X'.

Матрица вращения, может быть также использована для вычисления результата вращения.  - угол вращения вокруг оси X', [X', Y', Z] - начальное положение вектора и [X", Y", Z"] - положение вектора после вращения.

Спиновая релаксация

Движения в растворе, вызванные изменяющимися во времени магнитными полями, приводят к спиновой релаксации.

Поля, изменяемые во времени с частотой Лармора, вызывают переходы между спиновыми состояниями и ,следовательно, изменяют MZ. Эта диаграмма показывает поле для зеленого атома водорода в молекуле воды во время его вращения во внешнем поле Bo и магнитном поле синего атома водорода.

Заметим, что поле, испытываемое зеленым атомом водорода, представляет собой синусоиду.

В исследуемом объекте из молекул, существует распределение частот вращения. На T1влияют только частоты, которые равны частоте Лармора. Так как частота Лармора пропорциональна Bo, то T1 будет меняться как функция от напряженности магнитного поля.  В общем, T1 обратно пропорционально числу молекулярных движений с частотой Лармора.

Распределение частот вращения зависит от температуры и вязкости раствора. Поэтому T1 будет изменяться как функция от температуры.

На частоте Лармора, обозначаемой o, T1 (280 K ) <T1 (340 K). Изменения температуры человеческого тела недостаточны для того, чтобы оказать значимое влияние на T1. Плотность же значительно отличается у разных тканей и оказывает влияние на T1, как это показано на следующем графике зависимости молекулярных движений от плотности объекта исследования.

Флуктуирующие поля, которые возмущают энергетические уровни спиновых состояний, вызывают расфазировку поперечной намагниченности. Это можно увидеть на графике Bo, испытываемого красными атомами водорода на молекуле воды.

Число молекулярных движений с частотой меньшей или равной частоте Лармора, обратно пропорционально T2.

В общем, из-за уменьшения в случайных движениях молекул компонентов частот, влияющих на релаксацию, с увеличением Bo время релаксации растет.

Уравнения Блоха

Уравнениями Блоха является система сдвоенных дифференциальных уравнений, которая используется для описания поведения вектора намагниченности в любых условиях.

Правильное интегрирование, уравнения Блоха дает X', Y', и Z-составляющие намагниченности, как функции от времени.

Сбор данных

Во время процессов релаксации протоны излучают избыточную энергию, полученную от 90º РЧ импульса, в виде радиоволн. Для создания изображения необходимо собрать эти волны прежде, чем они исчезнут в пространстве.

Это можно осуществить с помощью приемной катушки. Приемная катушка может быть как передающей, так и только приемной.

Интересный и чрезвычайно важный факт позиционирования приемной катушки.

Приемная катушка должна быть помещена под определенными углами к главному магнитному полю (B0). Неправильное расположение приведет к формированию изображения без сигнала. И вот почему: если мы откроем катушку, мы по существу ничего не увидим, кроме петли медного провода. При прохождении магнитного поля через петлю, в ней индуцируется ток. петлю, в ней индуцируется ток. B0 - очень сильное магнитное поле; намного сильнее, чем РЧ сигнал, который мы хотим получить. Это означает, что про помещении катушки определенным образом, B0, проходя сквозь катушку, индуцирует огромный ток, а небольшой ток, вызванный РЧ волной, подавляется. На изображении мы увидим только много зерен (называемых шумом).

Поэтому мы должны убедиться, что приемная катушка расположена таким образом, что B0 не проходит сквозь нее. Единственный способ выполнить это требование заключается в помещении приемной катушки под правильными углами к B0 как показано на рисунке.

Расположение катушки под правильными углами к B0 преследует цель получение сигналов только от тех процессов, которые происходят под определенными углами к B0. Это не что иное, как T2 релаксация. T2 релаксация – затухающий процесс, означающий высокую фазовую когерентность в начале процесса, но быстро уменьшающуюся до полного исчезновения когерентности в конце.

Следовательно, полученный сигнал в начале сильный, но быстро ослабевает за счет T2 релаксации.

Сигнал называется спадом магнитной индукции (FID - Free Induction Decay). FID– сигнал, полученный в отсутствии магнитного поля. При действии магнитного поля спад T2 происходит быстрее за счет локальной (микроскопической) неоднородности магнитного поля и химического сдвига, известные как T2* эффекты. Полученный сигнал гораздо короче T2. Фактический сигнал ослабевает очень быстро; за ± 40 миллисекунд он уменьшается почти до нуля.

Вычисление и вывод на экран

Полученный сигнал поступает в компьютер и,  через четверть секунды изображение появляется на экране. Рисунок  иллюстрирует весь процесс графически.

Аппаратное обеспечение

МРТ сканеры очень разнообразны. Можно выбрать постоянный, резистивный, сверхпроводящий магнит, открытого или сквозного типа, с гелием или без него, с низкой или высокой напряженностью поля. Выбор магнита главным образом зависит от того, для чего планируется его использовать и сколько денег в распоряжении. Возможно использование высокопольных и низкопольных магнитов.

Первые МР-системы были низкопольными – их магниты имели силу поля 0,02-0,35 Тесла (Тл). Потом, стараясь получить более сильный сигнал, производители сделали крен в сторону высокопольных (1,0-1,5 Тл) систем. В первую половину 90-х годов ХХ века качество изображений более экономичных низко- и среднепольных систем удалось существенно улучшить и их доля в числе установленных приборов стала увеличиваться. Анализ развития МРТ показывает, что в западных странах МРТ достигала трети от числа установленных систем, а в России превышала 90%.

Однако, со второй половины 90-х годов ХХ века стало очевидным, что полный спектр возможностей МРТ (МР-ангиография, исследования сердца, быстрая томография, исследования скорости кровотока, спектроскопия) в наибольшей степени могут быть реализованы только на высокопольных системах. Поэтому, в западных странах большинство новых МР-систем вновь стали составлять томографы с высоким полем (более 90% рынка). В России также в последние годы было установлено значительное количество высокопольных МР-систем. Существенно, что растет популярность систем с полем в 3 Тл (более 10% от числа новых систем), хотя их преимущества в клинической практике перед системами в 1,5 Тл пока не доказаны. Достоинства 3-тесловых МРТ (более дорогих, чем модели с меньшим полем) при исследованиях органов тела (сердца, печени, почек и других органов) пока не очевидны.

Конструктивно 3-тесловые МР-системы по своим габаритам сейчас сопоставимы с 1-1,5 Тл аппаратами. Но достоинства этих приборов не определяются линейной функцией силы магнитного поля. На сегодняшний день стало очевидным, что 3-тесловые МРТ имеют определенные преимущества при исследованиях головного мозга, выполнении спектроскопии, функциональной МРТ, трактографии, МР-ангиографии церебральных сосудов и при некоторых других видах специальных исследований. По этой причине большинство западных университетских центров покупают более дорогие 3-тесловые МРТ как вторые или третьи системы, на которых выполняются различные научные исследования. Для целей клинической диагностики высокого уровня «флагманами» по-прежнему остаются 1,5-тесловые томографы.

Типы магнитов

Постоянные магниты.

Постоянный магнит состоит из материала, который намагничен таким образом, что магнитное поле не ослабевает (подобно магниту для заметок, который вы приклеиваете на холодильник). Напряженность поля обычно очень низкая и колеблется между 0.064T ~ 0.3T (единица напряженности магнитного поля – Тесла. 1 Тесла = 10000 Гаусс). Постоянные магниты имеют обычно открытую конструкцию, более удобную для пациента.

На рисунке  представлен томограф Access от Toshiba с полем 0.064 Т.

Access был первым в мире МРТ сканером открытого типа.

Резистивные магниты

Резистивные магниты – очень большие электромагниты, подобные тем, которые используются на автомобильных свалках для переноса корпусов. Магнитное поле порождается током, который течет по обмоткам проводов. Резистивные магниты существуют в двух вариантах: с воздушным и со стальным сердечниками. Напряженность поля может достигать 0.3 Т. Эти магниты выделяют много тепла, что требует водяного охлаждения. К тому же они потребляют большое количество электроэнергии, и в целях ее экономии их обычно выключают в перерывах между исследованиями. Их, как правило, открытая конструкция снижает проблему клаустрофобии.

Рисунок демонстрирует систему Airis (с воздушным сердечником) фирмы Hitachi с полем 0.3Т.

Сверхпроводящие магниты.

В настоящее время наиболее широко используются сверхпроводящие магниты. Магнитное поле порождается током, который течет по обмоткам проводов. Провод окружен хладагентом, таким как жидкий гелий, для уменьшения электрического сопротивления.

При температуре 4 Кельвина (-269°C) электрический провод “теряет” электрическое сопротивление. Однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце ток позволяет поддерживать магнитное поле. Сверхпроводимость используется в системах с очень высокой напряженностью поля до 12 Т. Наиболее часто в клинической практике применяются системы с напряженностью поля до 1.5 Т. Большинство сверхпроводящих магнитов – магниты сквозного типа.

На рисунке представлена структура сверхпроводящего магнита. Вакуумный слой, окружающий кольцо, действует как термоизоляционная защита. Эта защита предотвращает слишком быстрое выкипание гелия.

Рисунок  показывает несколько примеров магнитов сквозного типа разных производителей.

В 1997 году фирма Toshiba представила первый в мире сверхпроводящий магнит открытого типа. В системе используется специальный металлический сплав, который проводит низкую температуру, необходимую для сверхпроводимости. Преимущество этого состоит в том, что система не нуждается в заправке гелия, поэтому резко сокращаются эксплуатационные расходы. Открытая конструкция уменьшает беспокойство и клаустрофобию пациента.

На рисунке представлена система OPART фирмы Toshiba с полем 0.35 T, которая совмещает открытую конструкцию с преимуществами, присущими сверхпроводящим магнитам.

Другим преимуществом открытой конструкции магнита является возможность проведения интервенционных процедур во время сканирования.

Рисунок иллюстрирует сверхпроводящую систему “двойного кольца” фирмы General Electric с полем 0.5 T. Хирург стоит между двумя полюсами магнита. Хотя такая конструкция максимально удобна для проведения интервенционных процедур за счет свободного доступа к пациенту, применение двух систем с полем 1.5 T значительно повышает стоимость установки.

РЧ катушки

РЧ катушки необходимы для передачи и приема радиочастотных волн, используемых в МР сканерах. РЧ катушки – один из наиболее важных компонентов, оказывающих влияние на качество изображения. Современные МРТ сканеры имеют ряд РЧ катушек, позволяющих получать изображения всех частей тела. Существует два типа РЧ катушек: объемные и поверхностные.

Объемные РЧ катушки.

Конструкция объемной катушки имеет седловидную форму, которая гарантирует однородность РЧ поля внутри катушки. Объект исследования помещается внутрь объемной катушки. Они используются для передачи и приема сигнала, хотя иногда катушки применяются только для приема сигнала.

Поверхностные катушки.

Из названия следует, что поверхностные катушки помещаются над областью исследования, такой как височно-нижнечелюстной сустав, орбита или плечо. Катушка состоит из отдельного или двойного кольца медного провода. Они имеют высокое отношение сигнал - шум (SNR) и обеспечивают формирование изображения с очень высоким разрешением. Недостатком таких катушек является быстрая потеря однородности сигнала по мере удаления от катушки. В случае круглой поверхностной катушки, глубина проникновения равняется приблизительно половине ее диаметра.

На рисунках представлено несколько примеров поверхностных катушек:

Квадратурные катушки.

Квадратурные катушки или катушки с круговой поляризацией могут быть седловидной формы или относиться к поверхностным катушкам. Общей чертой этих катушек является содержание не менее двух проводов, помещенных под определенными углами друг к другу. Преимущество этой конструкции состоит в том, что они формируют сигнал в √2 раз больший по сравнению с катушками с одним проводом. В настоящее время, большинство объемных катушек – квадратурные катушки. Представленные на рисунке ранее объемные катушки –  квадратурные.

Катушки с фазовой решеткой.

Катушки с фазовой решеткой состоят из многочисленных поверхностных катушек. Поверхностные катушки обладают самым высоким отношением сигнал - шум, но имеют ограниченную область чувствительности. Путем объединения 4 или 6 поверхностных катушек можно создать катушку с большой областью чувствительности.

Квадратурная катушка с решеткой для всего тела относится к объемным катушкам, тогда как катушка с решеткой для позвоночника – к поверхностному типу. Катушки с фазовой решеткой формируют сигнал почти в √2 раз больший по сравнению с квадратурными катушками. Современные системы МРТ поставляются с квадратурными катушками и катушками с фазовой решеткой.

Другие аппаратные средства

Для функционирования системы МРТ требуется большое количество аппаратных средств. Очень важную роль играет радиочастота цепь (РЧ), которая генерирует РЧ сигнал, зондирующий пациента, и принимает РЧ сигнал от пациента. Фактически, приемная катушка является частью РЧ цепи. Частотный диапазон, применяемый в МРТ – тот же самый, который используется для передач радио волн. Именно поэтому МРТ сканеры помещаются в клетку Фарадея, чтобы предотвратить проникновение радиоволн в помещение сканера, вызывающих артефакты в МРТ изображениях. Кто-то однажды сказал: "МРТ – подобно просмотру телевизора с радио".

Кроме того, требуется процессор для обработки полученного сигнала и управления сложной операцией сканирования.

Градиентные катушки представляют собой набор проводов в магните, которые позволяют создавать дополнительные магнитные поля, в некотором отношении, накладывающиеся на главное магнитное поле B0.

Заключение

Основой прогресса современной лучевой диагностики (в том числе и МРТ) является развитие цифровых технологий, обеспечивающих возможность математической обработки изображений (например, создание многоплоскостных и трехмерных реконструкций), компьютерного моделирования хирургических вмешательств, получения функциональной информации (например, картирование коры головного мозга). Основное технологическое совершенствование современной МРТ состоит в постоянном увеличении скорости томографии, дальнейшей специализации обследований и развитии программ компьютерной обработки изображений.

В значительной части случаев МРТ используется как метод уточняющей диагностики у пациентов, ранее обследованных с помощью рентгенографии, УЗИ, КТ, сцинтиграфии. При этом МРТ обеспечила переход в лучевой диагностике от принципа “от простого к сложному” к принципу “наибольшей информативности”, заменив собой целый ряд ранее использовавшихся методик. Несмотря на высокую стоимость МР-обследования, присущие этому методу оптимальное соотношение стоимость/эффективность и высокая клиническая значимость – при правильно выбранных показаниях к исследованию – определяют продолжающееся бурное развитие и распространение МРТ.

Список литературы.

1. Эверт Блинк. Основы магнитно-резонансной томографии: Физика.

(можно скачать по адресу #"#">#"#">http://www.medsyst.ru/publications/mrt-history.html

 http://www..ru/

Страницы: 1, 2