3 курс / луч / л МРТ

 МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

( МРТ)

         В лучевой диагностике МРТ становится незаменимым методом исследования паренхиматозных органов и мягкотканных образований, артерий и вен крупного и среднего размера при острых и неотложных состояниях, когда другие методы применить невозможно.

 

Цель (общая): уметь интерпретировать принципы получения медицинского изображения с помощью МРТ; назначение этого метода.

 

Достижение общей цели обеспечивается следующими умениями:

1. Трактовать принципы получения изображения при МРТ.

            2. Определять  по изображениям  разновидности МРТ исследований

            3. Интерпретировать назначение МРТ

 

Для реализации вышеперечисленных целей необходимы следующие базисные знания-умения:

 

1. Трактовать физические основы ядерного магнитного резонанса  (источник, длина волны, энергия, единицы физических величин и др.) (кафедра биофизики).

         2. Интерпретировать механизм биологического действия электромагнитных колебаний испускаемых протонами водорода (кафедра биофизики).

Чтобы Вы могли выяснить, насколько сумели сохранить базисные знания, выполните следующее  задание.

МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ  ТОМОГРАФИЯ

 

         История создания магнитно-резонансной томографии (МРТ) весьма любопытна. В 1946 г. группы исследователей в Стэндфордском и Гарвардском университетах независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Суть его состояла в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать ее в виде радиосигнала. За это открытие F.Bloch и E.Purcell в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии. Новый феномен вскоре научились использовать для спектрального анализа биологических структур (ЯМР-спектроскопия). В 1973 г. Пауль Лаутербур впервые показал возможность получать изображе­ния с помощью ЯМР-сигналов: он представил изображение двух наполнен­ных водой капиллярных трубочек. Так родилась ЯМР-томография, которая в дальнейшем получила название МРТ. Первые томограммы были продемонстрированы в 1982 г. на Международном конгрессе радиологов в Париже.

         МРТ основана на явлении ядерно-магнитного резонанса. Если тело, находящееся в постоянном магнитном поле, облучить внешним пере­менным магнитным полем, частота которого точно равна частоте пере­хода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иными словами, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энер­гии электромагнитного поля. При прекращении воздействия перемен­ного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энер­гии.   

  Магнитно-резонансное исследование основано на способности ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этими свойствами обладают ядра, которые содержат нечетное количество нуклонов и обладают магнитным моментом, в частности 'Н, I3C, l9F и 3|Р.

         Современные MP-томографы «настроены» на ядра водорода, т.е. на протоны. Протон постоянно вращается. Следовательно, вокруг него тоже образуется магнитное поле, которое имеет магнитный момент, или спин. При помещении вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона. Прецессией называется движение оси вращения протона, при котором она описывает круговую коническую поверхность наподобие оси вращающегося волчка. Например, в магнитном поле напряженностью  в 1 Т (тесла) резонансная частота протона равна 42,57 МГц.

         Обычно дополнительное радиочастотное поле действует в виде импульса, причем в двух вариантах: более короткого, который поворачивает протон на 90°, и более продолжительного, поворачивающего протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии.

         Каждый элемент объема исследуемого объекта (т.е. каждый воксел — от англ. volume — объем, cell — клетка) за счет релаксации распределенных в нем протонов возбуждает электрический ток («MP-сигналы») в приемной катушке, находящейся вне объекта.Магнитно-резонансными характеристи­ками объекта служат 3 параметра:

 1 - плотность протонов водорода,

2- время T1 релаксации протонов водорода

3- время Т2 релаксации протонов водорода

         Т1  называют спин-решетчатой, или продольной, релаксацией, а Т2 — спин-спиновой, или поперечной. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов или, что,  то же самое, концентрацию элемента в ис­следуемой среде. Что же касается времен T1 и Т2, то они зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.).

         В принципе для МРТ можно использовать не только ядра водорода, но и ядра других атомов, способные генерировать MP-сигналы. Однако их концентрация в тканях значительно ниже, вследствие чего чувствитель­ность метода и качество изображения ухудшаются. МРТ позволяет полу­чить изображение любых слоев тела человека.

 

Схема получения медицинского изображения при МРТ следующая:

 

- Источник излучения  - рецессирующие протоны водорода исследуемого;

- Используются электромагнитные колебания  релаксированных протонов  водорода  исследуемого в радиочастотном диапазоне;  

-  Приемник излучения  (детектор) – высокочастотная катушка (соленоид).

 

         Система для МРТ состоит из сильного магнита, создающего статичес­кое магнитное поле. Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент. Стол для пациента имеет автоматическую систему управления движением в продольном и вертикальном направлениях. Для радиоволнового возбуждения ядер водорода допол­нительно устанавливают высокочастотную катушку, которая одновре­менно служит для приема сигнала релаксации. С помощью специаль­ных градиентных катушек накладывается дополнительное магнитное поле, которое служит для кодирования MP-сигнала от пациента, в частности оно задает уровень и толщину выделяемого слоя.

Рис. 1.  Магнитно-резонансный томограф

Рис. 2. Магнитно-резонансный томограф и возможности исследования основных частей тела человека. 

При воздействии радиочастотных импульсов на прецессирующие  в магнитном поле протоны,  они поглощают энергию и это называется  резонансное возбуждение. При этом резонансная частота пропорциональна силе приложенного статического поля. После окончания импульса происходит  релаксация протонов: они возвращаются  в исходное положение, что сопровождается выделением энергии в виде МР-сигнала. Этот сигнал подается на ЭВМ для анализа. МР-установки включают в себя мощные высокопроизводительные компьютеры.

         В зависимости от напряженности статического магнитного поля  выделяют следующие категории МР-томографов:

- с ультраслабым полем – ниже 0,02 Т,

- со слабым полем – между 0,1 и 0,5 Т

-  средним полем – между 0,5 и 1 Т

- с сильным полем- свыше 1 Т.

Аппараты с напряженностю магнитного поля  менее 0,5 Т имеют резистивные  магниты и небольшие размеры, что дает возможность размещать  их  в помещениях как и рентгеновские аппараты.

Рис.3  Открытый магнитно-резонансный томограф

 

Аппараты с мощность магнита более 0,5 Т требуют больших по размерам помещений, создаются на основе сверхпроводящих магнитов, работают в условиях глубокого охлаждения жидким гелием.

Добавим, что к размещению высокопольного MP-томографа в лечеб­ном учреждении предъявляются очень строгие требования. Необходимы отдельные помещения, тщательно экранированные от внешних магнитных и радиочастотных полей. Обычно процедурная комната, где находится MP-томограф, заключена в металлическую сетчатую клетку (клетка Фарадея), поверх которой нанесен отделочный материал (пола, потолка, стен).

Характер MP-изображений определяется тремя факторами: плотностью протонов (т.е. концентрацией ядер водорода), временем релаксации Т1 (спин-решетчатой) и поперечной релаксации Т2 (спин-спиновой). При этом основной вклад в создание изображения вносит анализ времени релаксации, а не протонной плотности. Так, серое и белое вещества головного мозга по кон­центрации воды различаются всего на 10 %, в то время как по продолжи­тельности релаксации протонов в них — в 1,5 раза.

         Существует несколько способов получения MP-томограмм, различаю­щихся порядком и характером генерации радиочастотных импульсов, мето­дами компьютерного анализа MP-сигналов. Наибольшее распространение получили два способа. При использовании одного из них анализируют глав­ным образом время релаксации Т1, (Т1 взвешенное изображение). Различные ткани (серое и белое вещества головного мозга, цереброспинальная жид­кость, опухолевая ткань, хрящ, мышцы и т.д.) имеют в своем составе прото­ны с разным временем релаксации T2. От продолжительности Т1 зависит ве­личина MP-сигнала: чем короче T1, тем сильнее MP-сигнал и светлее данное место изображения на дисплее.   

  Жировая ткань на МР-томограммах белая, менее светлое изображение дают головной и спинной мозг, плотные внут­ренние органы, сосудистые стенки и мышцы.

Воздух, кости, кальцификаты практически не дают MP-сигнала, поэтому их изображения черного цвета.

Т1 мозговой ткани также неоднородное:  белого и серого вещества оно разное.

Т1 опухолевой ткани отличается от Т1 одноименной нормальной ткани. Ука­занные различия во времени релаксации T1 создают предпосылки для визуа­лизации нормальных и измененных тканей на МР-томограммах.

При другом способе МРТ интенсивность ответного сигнала зависит от продолжительности Т2 (Т2 взвешенное изображение): чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения экрана дисплея.

Рис. 1 МРТ органов брюшной полости в поперечном сечении  в Т1 взвешенном изображении. Жировая ткань имеет гиперинтенсивный радиочастотный сигнал ( белый), что соответствует норме.

Рис. 2. МРТ органов брюшной полости в  поперечном сечении в Т2 взвешенном изображении. Жировая ткань имеет гипоинтенсивный радиочастотный сигнал ( темные участки), что соответствует норме.

                  МРТ позволяет полу­чать изображение тонких слоев тела человека в любом сечении  — фронтальном, сагиттальном, аксиальном (как известно, при рентгеновской компьютерной томографии, за исключением спиральной КТ, может быть использовано только аксиальное сечение). Исследование необремени­тельно для больного, абсолютно безвредно, не вызывает осложнений.

Рис. 3  На серии изображений МРТ  показана  толщина получаемых срезов и   поверхность  анализируемой части.

А.    МРТ  в  сагиттальной плоскости

В.  МРТ во фронтальной плоскости

С.  МРТ в  поперечном сечении.

На MP-томограммах лучше, чем на рентгеновских компьютерных томограммах, отображаются мягкие ткани: мышцы, хрящи, жировые прослойки.

         При МРТ можно получать изображение сосудов, не вводя в них контрастное вещество. С помощью специальных алгоритмов и подбора радиочастотных импульсов современные высокопольные MP-томографы позволяют получать двухмерное и трехмерное (объем­ное) изображения сосудистого русла — магнитно-резонансная ангиография. Крупные сосуды и их разветвления среднего калибра удается достаточно четко визуализировать на MP-томограммах без дополнительного введения контрастного вещества. Для получения изображения мелких сосудов дополнительно вводят препараты гадолиния. 

Рис. 4.1

МРТ  с изображениями  магистральных сосудов:  без контрастирования наружная и внутренняя сонные артерии;

Рис. 4.2 МРТ  с изображениями  магистральных сосудов: артерии  головного мозга ( передние, средние мозговые, сосуды Велизиевого круга ) с применением контраста гадолиния;

Рис. 4.3 МРТ  с изображениями  магистральных сосудов: ветви дуги аорты с контрастированием ;

Рис. 4.4 МРТ  с изображениями  магистральных сосудов: ветви брюшного отдела аорты с контрастированием.

Разработаны ультравысокоскоростные MP-томографы, по­зволяющие наблюдать движение сердца и крови в его полостях и сосудах и получать матрицы повышенной разрешающей способности для визуализации очень тонких слоев.

Рис. 5. МРТ грудного отдела спинного  мозга в  сагиттальной плоскости в  Т1 взвешенном  изображении ( А) и  в Т2 взвешенном изображении.

При МРТ можно применять искусственное контрастирование тканей. С этой целью используют химические вещества, обладающие магнитными свойствами и содержащие ядра с нечетным числом протонов и нейтронов, например соединения фтора, или же парамагнетики, которые изменяют время релаксации воды и тем самым усиливают контрастность изображения на МР-томограммах. Одним из наиболее распространенных контрастных веществ, используемых в МРТ, является соединение гадолиния.

С целью предотвращения развития у пациентов клаустрофобии (боязни закрытых пространств) освоен выпуск так называемых открытых МР-томографов. В них нет длинного магнитного туннеля, а постоянное магнитное поле создается путем размеще­ния магнитов сбоку от больного. Подобное конструктивное решение не только позволило избавить пациента от необходимости длительное время находиться в относительно замкнутом пространстве, но и создало предпосылки для проведения инструментальных вмешательств под контролем МРТ.

         При направлении на МРТ следует учитывать некоторые ограничения применения этого метода. В частности, препятствием для проведения данного исследования служит наличие ме­таллических инородных тел в тканях па­циента (металлические клипсы после операции, водители сердечного ритма, электрические нейростимуляторы). Кро­ме того, МРТ не проводят в первые 3 мес беременности.

         МР-спектроскопия, как и МРТ, основана на явлении ЯМР. Обычно исследуют резонанс ядер водорода, реже – углерода, фосфора и других элементов.

         Сущность метода со­стоит в следующем. Исследуемый образец ткани или жидкости помещают в стабильное магнитное поле с напряжением около 10 Т.  На исследуемый образец воздействуют им­пульсными радиочастотными колебания­ми. Изменяя напряженность магнитного поля, создают резонансные условия для разных элементов в спектре магнитного резонанса. Возникающие в образце МР- сигналы улавливаются катушкой прием­ника излучений, усиливаются и переда­ются в компьютер для анализа. Итоговая  спектрограмма имеет вид кривой, для получения которой по оси абсцисс от­кладывают доли (обычно миллионные) напряжения приложенного магнит­ного поля, а по оси ординат — значения амплитуды сигналов. Интенсивность и форма ответного сигнала зависят от плотности протонов и времени релаксации. Релаксация определяется местоположением и взаимоотношени­ем ядер водорода и других элементов в макромолекулах. Разным ядрам свойственны различные частоты резонанса, поэтому MP-спектроскопия позволяет получить представление о химической и про­странственной структуре вещества. С ее помощью можно определить структуру биополимеров, липидный состав мембран и их фазовое состоя­ние, проницаемость мембран. По виду MP-спектра удается дифференциро­вать зрелые и незрелые опухолевые клетки, оксигенированные и гипокси-ческие ткани, свободную и связанную воду в протоплазме клеток, получить другие важные для биологии и медицины сведения.

         Исключительный интерес представляет прижизненная МР-спектроскопия (MP-спектрография) тканей человеческого тела. Для ее проведения ис­пользуют сложные высокопольные MP-установки с напряженностью маг­нитного поля не менее 1,5 Т.  Анализ получаемых на таких аппаратах спект­рограмм, дает возможность определить содержание ряда элементов в органах и тканях живого человека.

В начале занятия будет проверено выполнение домашних заданий. Затем Вы получите задания с изображениями различных органов и систем, полученных с помощью МРТ. Вы должны будете определить:

1. Метод исследования.

2. Анатомическую область или орган исследования.

3. Срез исследования.

4. Вид контрастирования. Путь введения контрастного вещества.

5. Схему получения изображения (источник излучения, вид излучения, детектор).

6. Назначение метода (оценка морфологии, функции или морфологии и функции).

7. Биологическое действие используемого излучения (волн).

Уровень подготовки проверьте решением заданий.