Медико-биологическое обоснование

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод получения изображения внутренних структур тела человека при помощи магнитно-резонансного томографа. Метод позволяет оценивать как анатомические, так и функциональные особенности строения[4].

Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное в пространстве (в идеальном случае) магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность.

В ЯМР томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород ¹Н, ²Н, углерод ¹³С, азот ¹⁴N, фтор ¹⁹F, натрий ²³Na, фосфор ³¹Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода ¹Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному со­держанию в биологических тканях[2].

Под воздействием сильного магнитного поля спины протонов ядер водорода изменяют свое положение и располагаются вдоль оси магнитного поля (рисунок 1.1). Воздействие магнитного поля и радиочастотного излучения на протоны не постоянно, с заданными силой, частотой и временем, а протоны после воздействия на них радиочастотного сигнала вновь возвращаются в исходное положение – так называемое «время релаксации» (T₁ и T₂).

Рисунок 1.1 – Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б)

внешнего магнитного поля

Воздействие магнитного поля и радиочастотного импульса на протоны ядер водорода заставляет их вращаться относительно новых осей в течение очень короткого периода времени, что сопровождается выделением и поглощением энергии, формированием своего магнитного поля. Регистрация этих энергетических изменений и является основой МРТ-изображения. Способность подобного смещения зависит от гидрофильности тканей, их химического состава и структуры. Нормальные клетки органов и тканей, не пораженных болезненным процессом, имеют один уровень сигнала. «Больные» клетки – это всегда другой, измененный сигнал в той или иной степени. На изображении измененные патологическим процессом участки тканей и органов выглядят иначе, чем здоровые. Это и есть основа медицинского диагностического изображения. Главная задача данной аппаратуры заключается в получении максимально информативного изображения быстро и качественно, а также безопасно для пациента[6].

Явление ядерного магнитного резонанса.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитных волн атомными ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещённых в сильное постоянное магнитное поле, при одновременном воздействии на них слабого переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (силовые линии переменного поля должны быть перпендикулярны силовым линиям постоянного поля). Для ядер водорода (протонов) в постоянном магнитном поле напряжённостью 10⁴ эрстед резонанс наступает при частоте радиоволн 42.58 МГц. Для других ядер в магнитных полях 10³–10⁴ эрстед ЯМР наблюдается в диапазоне частот 1–10 МГц. ЯМР широко используется в физике, химии и биохимии для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул. В медицине с помощью ЯМР с разрешением 0.5–1 мм получают пространственное изображение внутренних органов человека.

Рассмотрим явление ЯМР на примере простейшего ядра – водорода. Ядро водорода это протон, имеющий определённое значение собственного механического момента количества движения (спина). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, условно обозначаемых словами “вверх” и “вниз”. Протон имеет также и магнитный момент, направление вектора которого жёстко привязано к направлению вектора спина. Поэтому и вектор магнитного момента протона может быть направлен либо “вверх”, либо “вниз”. Таким образом, протон можно представить как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, то энергия протона в этом поле будет зависеть от того, куда направлен его магнитный момент. Энергия протона будет больше в том случае, если его магнитный момент (и спин) направлен в сторону, противоположную полю. Эту энергию обозначим  . Если магнитный момент (спин) протона направлен в ту же сторону, что и поле, то энергия протона, обозначаемая  , будет меньше ( <  ). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию ΔЕ =  -  , то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая” его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением ΔЕ = ћω.      Перейдём от отдельного протона к макроскопическому образцу водорода, содержащему большое число протонов. Ситуация будет выглядеть так. В образце из-за усреднения случайных ориентаций спинов примерно равные количества протонов при наложении постоянного внешнего магнитного поля окажутся относительно этого поля со спинами, направленными “вверх” и “вниз”. Облучение образца электромагнитными волнами с частотой ω = ( -  )/ћ, вызовет “массовый” переворот спинов (магнитных моментов) протонов, в результате которого все протоны образца окажутся в состоянии со спинами, направленными против поля. Такой массовое изменение ориентации протонов будет сопровождаться резким (резонансным) поглощением квантов (и энергии) облучающего электромагнитного поля. Это и есть ЯМР. ЯМР можно наблюдать лишь в образцах с большим числом ядер (10¹⁶), используя специальные методики и высокочувствительные приборы.

См. также ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС СОРОВСКИЙ ОБАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ №10, 1996