22

Лекции - введение в магнитно-резонансную томографию

Составлены Алексеем Владимировичем Петряйкиным

Институт Нейрохирургии им.Н.Н.Бурденко,

Отделение Нейрорентгенологии

Заведующий: профессор Валерий Николаевич Корниенко

тел. 095- 251-0325

petrai@nsi.ru

Российский Государственный Медицинский Университет

Кафедра Биофизики

Заведующий: академик Юрий Андреевич Владимиров

тел. 246-4519

МОСКВА 1996

Современное исследование на Магнитно-Резонансном Томографе. Важность понимания физической сущности метода и биофизических основ визуализации тканей организма для качественной работы врача-диагноста.

МР-томография, как никакой другой метод инструментального обследования предъявляет серьезные требования к физической и биофизической подготовке врача-диагноста. В сущности каждое обследование на МР-томографе это научный эксперимент и если относиться к этому серьезно, врач не упустит информации, важной для правильной постановки диагноза. Хочется надеятся, что проникшись сложностью проблемы после данного краткого курса читатель обратится к многочисленной литературе.

Итак, проводим эксперимент! "Из чего сделаны мальчики?", а также девочки, и прочие организмы животного мира?

Немного дополним уважаемого поэта, задававшегося, этим глобальным вопросом. Организмы животного мира состоят по большей части из воды, много в них и жира (ткань мозга человека на 68-70% состоит из воды). И жир и вода богаты протонами. Это создает предпосылки для МР-томографии данных объектов. Вместе с тем существуют ткани мало содержащие свободную воду (например, компактное вещество костей, воздух в пневматизированных придаточных пазухах носа), которые в МР-томографии не визуализиуется.

Пациент подходит к томографу - протоны вне магнитного поля.

Излагать основы МР-томографии будем последовательно, шаг за шагом, следуя при этом пунктам самой технологии.

Итак, первый шаг - это рассмотрение протонов организма вне магнитного поля (пациент еще находится вне томографа).

Рис.1

Рис.2

На рисунке 1 схематически изображениы молекулы воды, состоящие из атомов водорода и кислорода. Ядро атома водорода - протон, свойства которого более детально изображены на рисунке 2. Протон обладает спином, то есть он все время вращается. Протон - это заряженная частица. Его заряд равен заряду электрону, но обратен по знаку (положителен). Движущийся заряд создает ток. Магнитный момент этой "рамки с током" направлен согласно правилу буравчика перпендикулярно плокости вращения заряда, сонаправлен с вектором момента количества движения и обозначается  . Протоны - это как бы маленькие магнитики, именно это их свойство и понадобится в дальнейшем для изучения основ Магнитно-Резонансной томографии. Без какого-либо внешнего магнитного поля, протоны ориентированны в образце хаотически (см. рис3).

Рис.3

В образце нет какого- либо выделенного направления, элементарные магнитные моменты-  суммируясь дают нулевой результат.

Пациент помещается внутрь магнита томографа - протоны в магнитном поле. Прецессия протонов в магнитном поле. Ларморова частота прецессии. Вектор суммарной намагниченности.

Основная деталь любого МР-томографа - это постоянный магнит. Наболее часто это большой электромагнит, полый внутри. В него вместо сердечника помещается пациент (см. рис.4).

Рис.4

Линии магнитного поля внутри постоянного магнита направлены вдоль оси (вектор В0).

Протоны ориентируются вдоль линий этого поля, будто стрелки маленьких компасов. При этом имеются отличия в поведении стрелки компаса и магнитного момента, созданного протоном. Магнитные моменты вращаются вокруг линий магнитного поля с определенной частотой. Кроме этого часть протонов направлена по полю, часть против магнитного поля (рис.5).

Рис.5

Рис.6

На рисунке 6 представлено более подробное изображение протона. Вектор  вращается вокруг линии магнитного поля. Так двигаться его заставляет откланяющая сила F, которая направлена перпендикулярно плоскости, образованной векторами  и В0. Причина возникновения этой силы- взаимодействие между внешним магнитным полем Во и магнитным полем протона 

Таким образом, протон вращается вокруг своей оси, да еще эта ось вращается вокруг направления магнитного поля. Это сложное движение называется прецессией. Так движется волчек в гравитационном поле Земли. Для нас более важно движение вектора  вокруг линии магнитного поля.

Частота прецессии, то есть вращения вектора  вокруг линии магнитного поля - называется Ларморовой частотой. Она зависит от напряжености магнитного поля:

w=2pu=gВ (1)

w - чиклическая частота прецессии, u - это частота, выраженная в герцах.

g - гиромагнитное соотношение - нормирующий множитель.

В - напряженность внешнего магнитного поля.

Напряженности поля 1 Тесла соответствует частота 42 мГц. Для справки заметим, что 1 Тесла=10 000 Гаусс, магнитное поле Земли-приблизительно 0.5 Гаусс.

Итак, магнитные моменты протонов направлены как по- так и против внешнего поля (см. рис.5). Причем состояние по полю энергетически более выгодно, чем против. Благодаря этому различию в энергии, вдоль поля расположено несколько больше протонов. Здесь следующий порядок величин: по полю 1 000 007, против поля 1 000 000. Несмотря на такое небольшое различие, в расчете на моль вещества получается довольно ощутимая цифра. Из этих нескомпенсированных магнитных моментов , направленных по полю складывается величина, называнная вектор сумманой намагниченности (см.рис.7).

Рис.7

Этот вектор напрвлен вдоль поля, созданного магнитом Во и обозначается М. Его длина пропорциональна концентрации протонов в данной области пространства, протонной плотности. Измерением свойств М усердно занимается МР-томография. Изучается как его статическая величина (пропорциональная протонной плотности), так динамические характеристики вектора, времена релаксации Т1 и Т2. Картирование этих показателей для двухмерных срезов организма - суть МР-томографии.