Магнито-резонансная томография

Интенсивное развитие технологии, разработка новых материалов, совершенствование компьютерной техники привели в последние три десятилетия к появлению целого ряда принципиально новых неинвазивных методов исследования, которые позволяют тем или иным способом увидеть сечение органов, изучить их анатомическое строение, взаиморасположение и провести необходимые измерения.

К таким методам, в частности, относится магнитно-резонансная томография (МР-томография), основанная на явлении ядерно-магнитного резонанса.

Феномен ядерного магнитного резонанса был описан независимо друг от друга Е. М. Purcell и F. Bloch в 1946 г., за что авторы получили в 1952 г. Нобелевскую премию. Однако теоретические предпосылки намного опередили возможности практики и только в начале 70-х годов стало возможным использовать явление ядерного магнитного резонанса для получения изображения Р. С. Lauterbur в 1973 г получил томограммы фантомов, заполненных водой, и назвал метод зейгматографией. Но подлинным началом использования МР-томографии следует считать работы R. Damadian, который в 1976 г. получил томограммы тела экспериментальных животных, а в 1977 г — первые томограммы внутренних органов человека. В течение нескольких лет исследовались в основном голова, шея и головной мозг, что было обусловлено техническими возможностями созданных типов клинических томографов — основным ограничением являлся диаметр катушки, который в то время не превышал 30—35 см. В начале 80-х годов были созданы клинические образцы томографов для всего тела и начался их промышленный выпуск, что привело к лавинообразному потоку публикаций о возможностях исследования почек, надпочечников, печени, суставов, костно — мышечного аппарата и т д. Интенсивно развивалась и сама методика исследования, включая создание все более совершенных компьютерных программ. Если для получения первых изображений требовались часы, то уже через несколько лет — десятки минут, а затем и минуты. В настоящее время в наиболее совершенных приборах имеется возможность получения изображения в реальном масштабе времени. Большая длительность исследования на первом этапе задерживала использование МР-томографии для исследования сердца и крупных сосудов. Только работами С. В. Higgins и соавт., и R J. Herfkens и соавт., выполненными в 1983—1985 гг., началось интенсивное исследование сердца и сосудов с использованием синхронизации изображения.

Физические принципы, лежащие в основе МР-томографии, достаточно сложны. Основа метода состоит в том, что при помещении биологического объекта в постоянное магнитное поле ядра некоторых химических элементов (Н1, С13, N14, Na23, Р31 и др.), обладающие магнитными моментами, начинают вести себя как диполи. Диполи выстраиваются параллельно постоянному магнитному полю и формируют суммарный вектор намагниченности. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, они постоянно вращаются с частотой, пропорциональной силе магнитного поля и магнитных свойств самого ядра данного элемента. Для получения явления ядерного магнитного резонанса необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным радиочастотным полем. Если частота радиосигнала совпадает с параметрами ядра и магнитного поля, то возникает явление резонанса, т. е атомы элемента поглощают энергию дополнительного импульса и переходят на более высокий энергетический уровень.

После прекращения действия радиочастотного импульса образованный магнитными моментами ядер суммарный вектор намагниченности, отклонившийся от направления силовых линий основного поля, возвращается в исходное состояние. Во время этого процесса, называемого релаксацией, резонировавшие ядра излучают слабые электромагнитные волны. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, при этом возникает переменная электродвижущая сила, амплитудно — частотный спектр и временные характеристики которой несут информацию о пространственной плотности резонирующих ядер (т. е. об их локализации и концентрации), временах релаксации и других параметрах, специфичных для МР. Полученная информация поступает в ЭВМ, где претерпевает сложную трех мерную Фурье трансформацию и в результате выдается на экран дисплея в виде изображения, которое, с одной стороны, отражает анатомическое строение биологического объекта, а с другой — характеризует плотность ядер химических элементов, времена релаксации, распределение скоростей потоков жидкостей, некоторые параметры биохимических обменных процессов и т. д. Выделяются 2 времени релаксации (Т): Т1 время продольной спин решеточной релаксации, которое отражает взаимодействие резонировавших ядер с другими окружающими их ядрами и молекулами, Т2— время поперечной спин — спиновой релаксации, которое зависит от взаимодействия магнитных моментов внутри ядра. Эти параметры являются постоянными величинами для ядер определенного элемента при заданной температуре и параметрах постоянного магнитного и переменного радиочастотного полей.

В настоящее время в клинической практике применяются 2 типа МР томографов с резистивным и сверхпроводящим магнитом.

В последнем для получения магнитного поля используется явление сверхпроводимости, т. е. катушки электромагнита охлаждаются с помощью жидкого азота и гелия. Аппараты имеют различную напряженность магнитного поля от 0.06 до 1.5 Тл и выше. При этом резистивные магниты дают более низкую напряженность магнитного поля, чем сверхпроводящие магниты. В состав аппарата, помимо магнита, входят радиочастотные и градиентные катушки, которые придают определенную форму основ ному полю для выбора толщины среза и направления плоскости исследования и принимают резонансный сигнал. В аппарат входят также блоки управления, компьютер, устройства для воспроизведения и хранения изображения. В большинстве случаев МР томография основывается на исследовании распределения протонов, т. е. атомов водорода (Н1), так как они наиболее распространены в человеческом организме и для получения резонанса от них требуется создание магнитного поля небольшого напряжения.

МР-томография позволяет получать срезы изображения человеческого тела практически в любой плоскости, не меняя положения тела обследуемого, благодаря лишь переориентации градиентных полей. Следует отметить, что в МР-томографе в отличие от рентгеновского компьютерного томографа нет вращающихся деталей. Разрешающая способность МР-томографии в настоящее время практически не уступает таковой рентгеновской компьютерной томографии. Более того, при исследовании малых биологических объектов на специальных установках достигалась разрешающая способность в 10 мкм, т. е. было возможно получить изображение клетки и ее внутренних структур. Введен даже термин МР-микроскопия.

Для получения более полной информации об объекте в МР-томографии используются различные методики получения изображения, в основном они определяются различной последовательностью радиочастотных импульсов. Наиболее распространенные методики: спин-эхо (SE); инверсия — восстановление (IR); насыщение—восстановление (SR). Наибольшее распространение, получила методика спин-эхо (SE). Это обусловлено ее удобством, высоким качеством изображения, возможностью получать многослойные томограммы с различным временем эхосигнала (ТЕ). Изображения, полученные на различных этапах релаксации, позволяют очень детально изучить характер целого ряда патологических процессов. В целом же, если компьютерная томография дает изображение только по одному параметру — плотности тканей для рентгеновских лучей, то в МР-томографии, варьируя импульсную последовательность, можно получить изображения по самым различным параметрам. Помимо этого, в зонах интереса можно рассчитать времена релаксации T1 и Т2. Это позволяет ввести некоторые количественные критерии оценки патологических процессов, например опухолей или инфарктов мозга.

Одним из параметров, определяющих возможности томографического метода, является толщина среза. В МР-томографии она колеблется в пределах 5—10 мм. Количество срезов зависит от целей исследования, в среднем их 8, но иногда — до 16 за одно исследование. Большим преимуществом МР-томографии по сравнению с компьютерной томографией является возможность получать изображения в различных плоскостях равного качества.