4. Магнитно-резонансный метод исследования

Иногда физические принципы некоторых технологий, ис­пользуемых человеком с большой эффективностью, на­столько запутаны и туманны, что проходят многие годы, прежде чем люди четко осознают законы и правила, на которых эти технологии основаны.

М.Х. Мескон, М. Альберт, Ф. Хедоури (Основы менеджмента.— М.: «Дело», 1992)

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 (рис. 11.46).

135

	Магнит			Радио­частотный генератор		Компью­тер
									<Щ>
а
	S^pM								Система
	T'tmniutu
	Магнит			Приемник

Рис. П.46. Принцип магнитно-резонансной томографии.

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 прецесси-рование протона. Прецессией называется движение оси вращения протона, при котором она описывает круговую коническую поверхность наподобие оси вращающегося волчка. Например, в магнитном поле напряженностью 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: плотность протонов, время Ti и время 7* Т/ называют спин-решетчатой, или продольной, релаксацией, а Тг — спин-спи­новой, или поперечной. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризу­ет плотность протонов или, что то же самое, концентрацию элемента в ис­следуемой среде. Что же касается времен Ti 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.

Система для МРТ состоит из сильного магнита, создающего статичес­кое магнитное поле. Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент (рис. 11.47). Стол для пациента имеет автомати-

136

Рис. П.47. Подготовка к исследованию на магнитно-резонансном томографе.

ческую систему управления движением в продольном и вертикальном направлениях. Для радиоволновою возбуждения ядер водорода допол­нительно устанавливают высокочастотную катушку, которая одновре­менно служит для приема сигнала релаксации. С помощью специаль­ных градиентных катушек накладывается дополнительное магнии₀е поле, которое служит для кодирования MP-сигнала от пациента, в частности оно задает уровень и толщину выделяемого слоя.

Пои воздействии радиочастотных импульсов на прецессирующие: в

магн„?номполе протонГпроисходят их резонансно*;-^₌ие ^погло­щение энергии. При этом резонансная частота '^^Ш^маш^щя ложенного статического поли. После окончания импульса щкиюадю* лаксация протонов: они возвращаются »;™™_м^т„5я

ляют следующие категории МР-^о^фов^приборы с У»£> _т_ полем - ниже 0,02 Т, со слабым полемi - меВДМ»¹» ^ ^_{ы с} „^я. лем - между 0,5 и IT, с-ильнымполем- -g^ _{магниты} женностью менее 0,5 Т, как пра^BI**°' разместить их примерно в

и имеют небольшие Р^о^ыГр^новский кабинет. Аппараты с таком же помещении, как сюычныи репи

полями 0,5 Т и выше создаются на основе сверхпроводящих магнитов, ра­ботающих 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 Фара-дея), поверх которой нанесен отделочный материал (пола, потолка, стен).

Характер MP-изображений определяется тремя факторами: плотностью протонов (т.е. концентрацией ядер водорода), временем релаксации Т/ (спин-решетчатой) и поперечной релаксации Тг (спин-спиновой). При этом основ-ной 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 Т, (ТУвзвешенное 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 TV От продолжительности Щ зависит ве­личина MP-сигнала: чем короче Tj, тем сильнее MP-сигнал и светлее данное место изображения на дисплее. Жировая ткань на МР-томо граммах белая, менее светлое изображение дают головной и спинной мозг, плотные внут­ренние органы, сосудистые стенки и мышцы. Воздух, кости, кал ьци фи каты практически не дают MP-сигнала, поэтому их изображения черного цвета. Т| мозговой ткани также неоднородное^ белого и серого вещества оно разное. Т| опухолевой ткани отличается от Т, одноименной нормальной ткани. Ука­занные различия во времени релаксации Tj создают предпосылки для визуа­лизации нормальных и измененных тканей на М Р-томограммах.

При другом способе МРТ интенсивность ответного сигнала зависит от продолжительности Тг ОУвзвешенное изображение): чем короче Тг, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения экрана дисплея (рис. И.48).

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 М Р-томограммах. Одним из наиболее распространенных контрастных ве­ществ, используемых в МРТ, является соединение гадолиния — Gd-DTPA.

МРТ —• исключительно ценный метод исследования. Она позволяет полу­чать изображение тонких слоев тела человека в любом сечении (рис. 11.49) — 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.

138

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 (рис. 11.50, 11.51). 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. 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. 11.48. Магнитно-резонансные томо­граммы головного мозга, выполненные на основе измерения Тг (а) и Ti (б). Большая опухоль в правой теменной области.

С целью предотвращения развития у пациентов клаус­трофобии (боязни закрытых пространств) освоен выпуск так называемых открытых МР-томографов (рис. 11.52). 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 (см. следующий раздел).

При направлении на МРТ следует учитывать некоторые ограничения применения этого метода. В частности, препятствием для проведения дан-

139

Ряс. 11.49. Магнитно-резонансные томограммы различных органов. 140

Ряс. 11.50. Магнитно-резонансная ангиограмма головного мозга.

ного 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.

Рис. 11.51. Магнитно-резонансная ангиограмма дуги аорты и брахи-цефальных сосудов (трехмерная реконструкция изображения).

MP-спектроскопия, как и МРТ, осно­ вана на явлении ядерно-магнитного резо­ нанса. Обычно исследуют резонанс ядер водорода, реже — углерода, фосфора и других элементов. Сущность метода со­ стоит в следующем. Исследуемый образец ткани или жидкости помещают в стабиль­ ное магнитное поле напряженностью около 10 Т. На образец воздействуют им­ пульсными радиочастотными колебания­ ми. Изменяя напряженность магнитного поля, создают резонансные условия для разных элементов в спектре магнитного резонанса. Возникающие в образце МР- сигналы улавливаются катушкой прием­ ника излучений, усиливаются и переда­ ются 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. Интенсив-

141

Рис. П.52. Открытый магнитно-резонансный томограф.

РСг

Рис. 11.53. Магнитно-резонансная

142

-5 -10 -15

спектрограмма головного мозга и схема к ней.

ность и форма ответного сигнала зависят от плотности протонов и времени релаксации. Последняя 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-спектроско-пия (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 (рис. 11.53).