5.4.5.2. Процесс релаксации
После прекращения действия импульса спиновая система, находящаяся в нестабильном, более высоком энергетическом состоянии стремиться занять исходное устойчивое состояние. Переход спиновой системы в магнитном поле из возбужденного в исходное состояние называется процессом релаксации.
Изолированный возбужденный протон в вакууме при отсутствии любых электромагнитных полей может находится в таком состоянии очень долго. Но если он находится в окружении других протонов, то соседние протоны могут стимулировать процесс релаксации и он произойдет за несколько секунд.
Релаксация характеризуется уменьшением величины поперечной намагниченности Mxy и ростом продольной намагниченности Mz. Уменьшение до нуля поперечной намагниченности Mxy происходит за время поперечной или спин-спиновой релаксации T2. Это время, в речении которого индивидуальные моменты ядер остаются в фазе друг с другом.
Возрастание продольной намагниченности до равновесного значения происходит за время Т1, называемое временем продольной или спин-решеточной релаксации, т.е. возрастание М до исходного значения определяется термическим взаимодействием системы спинов с окружающей решеткой.
В ЯМР-томограммах содержится информация о протонной плотности, T1 и T2 релаксационных временах. Изменяя амплитуду импульсов или межимпульсные интервалы можно достигать оптимальной контрастности изображения исследуемых органов и тканей. Различия в релаксационных временах для различных видов биологических тканей определяется в основном содержанием в них воды.
5.4.5.3. Аппаратура ямр-томографии
Процесс ЯМР–томографии основан во-первых на определении распределения водорода в тканях, а во-вторых, на измерении резонансного сигнала в множестве точек, лежащих в сканируемом слое. При снятии резонансных сигналов используется прямо пропорциональная зависимость между резонансной частотой и напряженностью магнитного поля. В каждой точке выбранного сечения создается последовательно требуемая напряженность и считываются резонансные сигналы, последовательно возникающие в этих точках.
В ЯМР-томографах применяют магнитные поля с изменяющимся градиентом (вектором, характеризующим интенсивность изменения параметра поля) или изменение отклоняющей частоты, либо то и другое совместно. При этом регистрируется резонансный сигнал по разным направлениям, а восстановление изображения осуществляется аналогично рентгеновской компьютерной томографии.
Все используемые ЯМР-томографы имеют в своем составе следующие устройства.
1. Магнит, создающий постоянное, стабильное и однородное магнитное поле, напряженностью от 0,02 до 2 Т. В зависимости от назначения томографа магнитное поле создается постоянными магнитами, электромагнитами или сверхпроводящими магнитами.
Постоянные магниты не потребляют энергии и не требуют охлаждения. Недостатком является большой вес магнита (20 – 100 т) м малая напряженность магнитного поля – до 0,3 Т.
Электромагниты (резистивные магниты) создаются на основе одной или нескольких катушек. Такие магниты потребляют большое количество энергии, большая часть которой превращается в тепловую и, следовательно, для них нужна мощная система охлаждения. Так как мощность источника энергии пропорциональна квадрату напряженности поля, то в существующих магнитах она не превышает 0,3 Т. Применение железных экранов позволяет замкнуть линии магнитного поля внутри катушки и увеличить напряженность поля на 50%. Но это влечет значительное повышение расхода металла и, кроме того, такое усложнение конструкции ведет к снижению стабильности и однородности поля.
В сверхпроводящих магнитах используются материалы, которые при определенной температуре не обладают сопротивлением. Например, для наиболее широко используемых ниобий – титановых сплавов, переход в сверхпроводимость происходит при температуре – 264 С. Для охлаждения используют жидкий гелий, температура кипения которого – 269 С. Через эти магниты можно пропускать большие токи, создающие высокостабильные магнитные поля напряженностью до 2 Т. Такие магниты не требуют постоянного источника энергии: после создания требуемой разности потенциалов источники энергии отсоединяются, катушка замыкается, и по ней начинает циркулировать электрический ток. Эти магниты имеют большие поля рассеяния, поэтому их обычно экранируют для защиты от этих полей окружающего пространства.
2. Высокочастотный передатчик, который создает магнитное поле в объекте, для возбуждения ядер с целью излучения ими отклика. Используют короткий (до 10 мкс) радиочастотный импульс, заполненный частотой, близкой к частоте Лармора. Импульсы и РЧ-колебания генерируются передатчиком, а требуемая частота формируется синтезатором частоты. Сигнал с синтезатора затем модулируется для создания необходимой формы импульса – прямоугольной или синусоидальной. На этой же стадии формирования выбирается фаза импульса для создания поворота вектора намагничивания на 0, 90, 180, 270. Создаваемые импульсы могут иметь длительность менее 10 мкс и амплитуду до сотен вольт при «жестком» импульсе или длительность в несколько миллисекунд при частично-селективном импульсе для МР-изображений.
3. Градиентная система, состоящая из трех катушек, размещенных внутри магнита, которые независимо управляются от ЭВМ и формируют внутри объекта исследования меняющееся в пространстве и времени слабое магнитное поле. Без этих катушек невозможно получение изображения. Градиент формируется в виде импульса с напряженностью поля примерно в 100 раз меньшей, чем основное поле и длительностью существенно меньшей, чем время релаксации и считывания сигнала.
Чтобы создать изображение пациента, сигнал МР должен содержать информацию о месторасположении соответствующих ядер в теле пациента. Как уже говорилось, частота Лармора пропорциональна напряжению магнитного поля. Если повлиять на частоту сигнала, линейно изменяя напряженность поля поперек образца, то частота будет линейно зависеть от соответствующей пространственной координаты. Этот метод называется наложением градиентного поля (рис. 80).
Рис. 80. Влияние градиентов поля на частоту сигнала
Градиентные магнитные поля суммируются со статическим магнитным полем. Различные части образца оказываются в полях различной напряженности (рис. 81). Только в центре магнита резонансная частота v0 остается неизменной и обеспечивает получение МР сигнала, а по обе стороны от центра она будет либо больше, либо меньше, в зависимости от полярности градиента и ядра вне центра не могут быть возбуждены импульсом на частоте Лармора.
Наложение радиочастотного импульса в отсутствии каких-либо градиентов поля приедет к возбуждению всего образца, а следовательно к «размытости» ответного сигнала. В двухмерной МРТ изображение получают в виде параллельных срезов исследуемой области тела пациента, ширина которых имеет важное значение.
Рис. 81. Суммирование градиентного и статического магнитных полей
Толщина среза, внутри которого выполняются условия резонанса для центра магнита, определяется интервалом частот (шириной полосы), содержащихся в возбуждающем импульсе и величиной градиента магнитного поля. Так как импульс имеет фиксированную ширину полосы частот и длительность его постоянна, то уменьшение величины градиента ведет к увеличению толщины среза (рис. 82).
Рис. 82. Формирование толщины среза
Изменение частоты импульса соответствует смещению положения резонирующих ядер от центра образца. Таким образом можно передвигать срез в любое нужное положение вдоль выбранной оси (рис. 83).
Рис. 83. Перемещение положения среза
4. Приемно-передающая катушка, окружающая исследуемый объект и служащая для возбуждения объекта и приема создаваемого от возбуждения сигнала. Резонансная частота катушки близка к частоте Лармора. В зависимости от исследуемой области тела пациента используют соленоидальные, Гельмгольца и поверхностные катушки.
Соленоидальная катушка создает переменное магнитное поле вдоль своей оси, так что эта катушка должна быть направлена перпендикулярно основному полю, т.е. ее можно применять, если вектор постоянного магнитного поля перпендикулярен столу пациента. Вектор магнитного поля катушки Гельмгольца направлен перпендикулярно оси катушек и они могут располагаться соосно магнитам. Поверхностная катушка используется для получения магнитного резонанса от малой области под катушкой, когда она размещается, например, возле глазной орбиты или позвоночника пациента.
Переключение катушек с передатчика на приемник осуществляется с помощью специального устройства.
5. Система сбора и обработки данных, включающая:
схему согласования, связывающую приемную катушку с предварительным усилителем для обеспечения максимальной передачи энергии в усилитель;
фазовый детектор, принимающий сигнал, центральная частота спектра которого близка к частоте излучения и сдвигающей этот сигнал на частоту . При этом форма спектрального распределения остается без изменений, а центр смещается в область нулевой частоты, что снижает требования к АЦП и ЭВМ.
Система визуализации, включающая ЭВМ, которая реконструирует и отображает двух или трехмерное изображение.