Один из самых эффективных методов медицинского исследования - МРТ или магнитно-резонансная томография, позволяющая получить максимально точные сведения об анатомических особенностях организма пациента, обменных процессах, физиологии тканей и внутренних органов. С его появлением стало возможно детальное обследование головного мозга для диагностики заболеваний и дегенеративных поражений. Возможность определения локализации процесса и объема произошедших повреждений становится основным преимуществом данной процедуры при выявлении новообразований и исследовании сосудов.

Что такое МРТ

Магнитно-резонансная томография - это уникальная возможность получения высокоточных послойных изображений исследуемой области. Процедура проводится при помощи специального аппарат, действие которого на организм человека заключается в стимуляции радиоволн, создании сильного магнитного поля и регистрации ответного электромагнитного излучения организма. Результатом процесса становится построение изображения путем обработки поступающего сигнала на компьютере.

Что такое магнитно-резонансный томограф? Это устройство, позволяющее добиться эффективной диагностики, выявить изменения в работе организма и произвести высокоточную визуализацию исследуемых органов, которая значительно превосходит результаты других методик (рентгена, КТ, ультразвука). Такая процедура позволяет выявить онкологию и ряд других заболеваний и опасных патологий, измерить скорость кровотока и движения спинномозговой жидкости и т.д.

В основе работы аппарата лежит принцип ЯМР с последующей обработкой полученных сведений специальными программами. МРТ установка обеспечивает создание сильного магнитного поля. Немаловажным фактором, объясняющим принцип работы устройства, является наличие в человеческом организме протонов (в химическом смысле это ядро атома водорода) . Магнитно-резонансный томограф позволяет поддерживать стабильное состояние магнетизма в теле пациента, при помещении его в силовое поле. Аппарат производит:

стимуляцию организма при помощи радиоволн, способствуя смене стационарной ориентации заряженных частиц;

остановку радиоволн и регистрацию электромагнитных излучений организма;

обработку полученного сигнала и преобразование его в изображение.

Полученная картинка не является фотографическим снимком обследуемого отдела или органа. Специалист получает высококачественное детализированное отображение радиосигналов, испускаемых телом пациента. МРТ диагностика полностью превосходит метод компьютерной томографии, поскольку в данном случае при проведении процедуры не применяется ионизирующее излучение, а используются безопасные для человеческого организма электромагнитные волны.

История создания и принцип работы МРТ

Годом создания данного метода считается 1973, а одним из отцов-основателей магнитно-резонансной томографии - Пол Лотербур. В одном из журналов им была опубликована статья, в которой подробно описывался феномен визуализации структур и органов при помощи использования магнитных и радиоволн.

Это не единственный ученый, причастный к открытию МРТ - еще в 1946 году Феликс Блох и Ричард Пурселл, работающие в Гарварде, изучали физическое явление, в основе которого лежали свойства, присущие атомным ядрам (первичное поглощение получаемой энергии и последующее ее переизлучение. т.е. выделение с переходом к начальному состоянию). За это исследование ученые получили Нобелевскую премию (1952).

Открытие Блоха и Пурселла стало своеобразным толчком к развитию теории по ЯМР. Необычное явление изучалось как химиками, так и физиками. Демонстрация первого компьютерного томографа, включающая в себя ряд испытаний, произошла в 1972 году. Результатом проведенного исследования стало обнаружение принципиально нового способа диагностики, позволяющего детально визуализировать важнейшие структуры организма.

Далее Лотербуром был частично сформулирован принцип работы аппарата МРТ - работа ученого легла в основу исследований, проводимых до наших дней. В частности, в статье содержались следующие утверждения:

Трехмерные проекции объектов получаются по спектрам ЯМР протонов воды из обследуемых структур, органов и т.д.

Особое внимание уделялось наблюдению за злокачественными новообразованиями. Опыты, проведенные Лотербуром, показали: они существенно отличаются от здоровых клеток. Разница заключается в характеристиках полученного сигнала.

В 70-е годы XX века началась новая эра развития МРТ-диагностики. В это время Ричардом Эрнстом было предложено проведение магнитно-резонансной томографии с использованием особого метода - кодирования (как частотного, так и фазового). Именно этим способом визуализации исследуемых областей и пользуются врачи в наши дни. В 1980 году был продемонстрирован снимок, на получение которого ушло около 5 минут. Уже через шесть лет длительность отображения снизилась - до пяти секунд. При этом качество картинки оставалось неизменным.

В 1988 году был усовершенствован и метод ангиографии, позволяющий отобразить кровоток пациента без дополнительного ввода в кровь препаратов, выполняющих роль контраста.

Развитие МРТ стало новой вехой в современной медицине. Эта процедура применяется в диагностике заболеваний:

позвоночника;

суставов;

мозга (головного и спинного);

гипофиза;

внутренних органов;

молочных желез и т.д.

Возможности открытого метода позволяют обнаруживать заболевания на ранних стадиях и выявлять патологии, требующие своевременного лечения или же немедленного операционного вмешательства. Томография, проведенная на современном оборудовании, дает возможность получить точное изображение органов, обследуемых структур и тканей, а также:

собрать необходимую информацию о циркуляции спинномозговой жидкости;

определять уровень активации областей коры головного мозга;

проследить за газообменом в тканях.

Метод МРТ выгодно отличается от других способов диагностики:

Он не предполагает воздействия, осуществляемого при помощи хирургических инструментов.

Магнитно-резонансная томография безопасна и высокоэффективна.

Данная процедура относительно широко доступна и востребована при исследовании наиболее сложных случаев, требующих детальной визуализации происходящих в организме изменений.

На видео ниже демонстрируются основные этапы функционирования современного томографа:

Принцип работы МРТ (видео)

Принцип работы магнитно-резонансного сканера (МРТ)

Как проходит процедура? Человека помещают в специальный узкий тоннель, в котором он должен находиться в горизонтальном положении. В трубе на него воздействует сильное магнитное поле прибора. Исследование длится от 15 до 20 минут.

После пациенту выдается изображение. Оно создается благодаря методу ЯМР - физическому явлению магнитно-ядерного резонанса, связанному со свойствами протонов.При помощи радиочастотного импульса в созданном устройством электромагнитном поле вырабатывается излучение, преобразующееся в сигнал. После он регистрируется и обрабатывается компьютерной программой.

Каждый обследуемый и выводимый на экран в виде изображения срез имеет свою толщину. Рассматриваемый способ отображения схож с технологией удаления всего, что располагается над слоем и под ним. При этом большую роль играют отдельные элементы объема и плоскости - части среза и структурные компоненты получаемого магнитно-резонансного снимка.

Поскольку человеческое тело на 90% состоит из воды, происходит стимуляция протонов атомов водорода. Этот метод воздействия позволяет заглянуть в организм и диагностировать серьезные заболевания без физического вмешательства.

Устройство аппарата МРТ

Рассматриваемое современное оборудование состоит из следующих частей:

магнит;

катушки;

прибор, генерирующий радиоимпульсы;

клетка Фарадея;

источник питания;

система охлаждения;

системы, служащие для обработки поступающих данных.

Магнит

Создает стабильное поле, характеризующееся однородностью и высокой напряженностью. Именно по последнему показателю оценивается мощность прибора. Напомним о том, что именно от нее зависит качество получаемого изображения и скорость проведения процедуры.

В зависимости от напряженности все аппараты разделяются на следующие группы:

Низкопольные - оборудование начального уровня, открытые, сила поля < 0.5 Tл.

Среднепольные - показатели от 0,5-1 Тл.

Высокопольные - отличаются высокой скоростью исследования, четким изображением даже при движении пациента во время обследования. Напряженность магнитного поля этих установок - 1-2 Тл.

Сверхвысокопольные - более 2 Тл. Используются для исследовательских целей.

Также выделяются следующие виды используемых магнитов:

Постоянные - изготавливаются из сплавов, обладающих ферромагнитными свойствами. Преимущество таких элементов - их не нужно охлаждать, поскольку они не требуют энергии для поддержания однородного поля. Среди недостатков - большой вес используемой системы, низкая напряженность. Также подобные магниты чувствительны к температурным изменениям.

Сверхпроводящие - катушка, изготовленная из специального сплава. Через нее могут пропускать большие токи. Результатом работы такого устройства становится создание сильного магнитного поля. Дополнением к конструкции идет система охлаждения. Минусы данного вида - повышенное потребление жидкого гелия при низких энергозатратах, большие расходы на эксплуатацию прибора, обязательное экранирование. Также велик риск выбрасывания охлаждающей жидкости из криостата при потере свойств сверхпроводимости.

• Резистивные - электромагниты не требуют использования специальных охлаждающих систем, способны создавать относительно гомогенное поле для проведения сложных исследований. Недостаток - большой вес (примерно 5 тонн, повышается в процессе экранирования)

Принцип работы катушки в МРТ

Эти элементы предназначены для повышения однородности магнитного поля. Пропуская через себя ток, они корректируют характеристики, компенсируя недостаточную гомогенность. Такие детали либо размещаются непосредственно в жидком гелии, либо не требуют охлаждения.

Результатом работы градиентных катушек становится создание четкого изображения путем локализации сигнала и сохранения точного соответствия данных, полученных во время процедуры, и области, исследуемой врачом.

Большое значение имеют мощность и скорость действия деталей - от этих показателей зависит разрешающая способность прибора, уровень шума в соотношении с сигналом и быстрота действия.

Передатчик в МРТ: принцип работы элемента в системе томографа

Данный прибор формирует радиочастотные колебания и импульсы (прямоугольной и сложной формы). Подобное преобразование позволяет добиться возбуждения ядер, повлиять на контраст изображения, выводимого на снимок. Сигнал от элемента поступает на переключатель, который, в свою очередь, воздействует на катушку, генерируя РЧ магнитное поле, влияющее на спиновую систему.

Приемник

Представляет собой отличающийся высокой чувствительностью и низким уровнем шума усилитель сигнала, работа которого происходит на сверхвысоких частотах. Регистрируемый отклик претерпевает изменения - преобразование из МГц в кГц (от высоких частот к низким).

Запчасти для томографов

За получение точного детализированного изображения отвечают и регистрирующие датчики, которые располагаются вокруг исследуемого органа пациента. Подобная процедура абсолютно безопасна: произведя излучение сообщенной энергии, протоны возвращаются в прежнее состояние.

За получение точного детализированного изображения отвечают и регистрирующие датчики, которые располагаются вокруг исследуемого органа пациента. Подобная процедура абсолютно безопасна: произведя излучение сообщенной энергии, протоны возвращаются в прежнее состояние. Для улучшения качества изображения и большей детализации изображения пациенту могут ввести контрастное вещество на основе гадолиния, не вызывающее побочных реакций. Специальный препарат помещается в шприц или инъектор, автоматически рассчитывающий дозировку и скорость ввода. Подача средства полностью синхронизирована с ходом сканирования.

Качество проведенного обследования зависит не только от напряженности магнитного поля, но и от используемой катушки, применения контрастного вещества, особенностей диагностики и опыта специалиста, проводящего томографию.

Преимущества подобной процедуры:

возможность получения максимально точного изображения осматриваемого органа;

повышение качества диагностики;
безопасность для пациента.

Томографы отличаются по силе создаваемого ими поля и «открытости» магнита. Чем больше мощность поля, тем быстрее проходит процедура сканирования и выше качество получаемого трехмерного изображения.

Открытые аппараты МРТ имеют C-образную форму и являются оптимальным вариантом для обследования людей, страдающих выраженной клаустрофобией. Они создавались для проведения дополнительных процедур внутри магнита. Такой тип установок гораздо слабее закрытых томографов.

Обследование с применением МРТ является одним из самых эффективных и безопасных способов диагностики и наиболее информативным методом для детального исследования спинного и головного мозга, позвоночника, органов брюшной полости и малого таза.

Astrei 17 июля 2017 в 06:52

Разбираем магнитно-резонансный томограф

• DIY или Сделай сам ,
• Электроника для начинающих

Квантовая физика, математика, биология, криогеника, химия и электроника сплелись единым узором, чтобы воплотиться в железе и показать настоящий внутренний мир человека, и даже, ни много ни мало, прочитать его мысли. Электроника таких аппаратов, по надежности и сложности может сравниться разве что с космической. Эта статья посвящается оборудованию и принципам работы магнитно-резонансных томографов.

В области современного томографостроения лидируют мастодонты электронного мира: Siemens, General Electric, Philips, Hitachi. Только такие крупные компании могут позволить себе разработку столь сложного оборудования, стоимость которого как правило составляет десятки (почти сотни) миллионов рублей. Разумеется, ремонт такой дорогущей техники у официального представителя влетает в огромную копеечку владельцу аппарата (а они к слову в основном частные, а не государственные). Но не стоит отчаиваться! Также как и сервис-центры по ремонту ноутбуков, телефонов, чпу-станков, да собственно любой электроники существуют фирмы, занимающиеся ремонтом медицинского оборудования. В одной из таких фирм я и работаю, поэтому продемонстрирую вам интересную электронику и постараюсь описать ее функционал понятными словами.

Магнитно-резонансный томограф фирмы GE Healthcare с полем 1.5 Тесла. Стол отсоединяется от томографа и может быть использован как обычная каталка.

Вся магия МРТ начинается с квантовой физики, откуда берет свое начало термин «спин», применяемый к элементарным частицам. Можно встретить кучу определений, что такое спин, общепринято - это момент количества движения частицы, что бы это не значило. В моем понимании частицы как-бы постоянно вращаются (упрощенно) создавая при этом возмущения в магнитном поле. Так как элементарные частицы в свою очередь образуют ядра атомов, считается, что их спины при этом складываются и ядро обладает собственным спином. При этом, если мы хотим как-то взаимодействовать с ядрами атомов с помощью магнитного поля, нам будет очень важно, чтобы спин ядра был ненулевой. Совпадение или нет, но самый распространенный в нашей вселенной элемент - водород имеет ядро в виде одного единственного протона, который имеет спин равный 1/2.

Кстати

Спин может принимать только определенные значения, как целые например 0,1,2, так и полуцелые, вроде 1/2 как у протона. Для незнакомых с квантовой физикой это кажется противоестественным, но на квантовом уровне все делится на порции, и становится в некотором роде дискретным.

А это означает, что упрощенно, ядра водорода можно рассматривать как очень маленькие магниты, имеющие северный и южный полюс. И стоит ли упоминать, что в теле человека атомов водорода просто море (около 10^27), но так как мы не притягиваем к себе железки, становится очевидно, что все эти маленькое «магниты» уравновешиваются между собой и остальными частицами, и общий магнитный момент тела практически равен нулю.

Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Протоны с черными стрелками, символизирующими стрелку компаса вращаются в направлении синей стрелки.

Приложив внешнее магнитное поле, можно вывести эту систему из равновесия и протоны (не все конечно) поменяют свою пространственную ориентацию в соответствии с направлением силовых линий поля.

Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance
Imaging Techniques. Спины протонов в теле человека показаны в виде векторов-стрелочек. Слева отражена ситуация когда все протоны находятся в магнитном равновесии. Справа - когда приложено внешнее магнитное поле. Нижние визуализации показывают тоже самое в трехмерном варианте, если построить все векторы из одной точки. При всем этом, происходит вращение (прецессия) вокруг силовых линий магнитного поля, которая показана круглой красной стрелкой.

Прежде чем протоны сориентируются в соответствии с внешним полем, они будут какое-то время колебаться (прецессировать) около положения равновесия, как и стрелка компаса, что колебалась бы возле отметки «север», если бы производитель предусмотрительно не добавил бы демпфирующую жидкость внутрь циферблата. Примечательно, что частота таких колебаний различается для разных атомов. На измерении этой частоты например, основаны методы резонансного определения состава исследуемого вещества.

Кстати

Частота эта не безымянная и носит имя ирландского физика Джозефа Лармора, называется соответственно Ларморовой частотой. Зависит от величины приложенного магнитного поля и специальной константы - гиромагнитного соотношения, которая зависит от типа вещества.

Для ядер атомов водорода в поле величиной 1 Тесла эта частота составляет 42,58 МГц, ну или простыми словами, колебания протонов вокруг силовых линия поля такой напряженности происходят около 42 миллионов раз в секунду. Если мы облучим протоны радиоволной с соответствующей частотой, то возникнет резонанс, и колебания усилятся, вектор общей намагниченности при этом сместится на определенный градус относительно линий внешнего поля.

Иллюстрация из книги Lars G. Hanson Introduction to Magnetic Resonance Imaging Techniques. Показано как смещается общий вектор намагниченности, после воздействия радиоволны с частотой, которая вызывает резонанс в системе. Не забываем, что все это продолжает вращаться относительно силовой линии магнитного поля (на рисунке она расположена вертикально).

Тут и начинается самое интересное - после взаимодействия радиоволны с протонами и резонансного усиления колебаний, частицы снова стремятся придти к равновесному состоянию, при этом, излучая фотоны (из которых и состоит радиоволна). Это и называется эффектом ядерного магнитного резонанса. По сути, все исследуемое тело превращается в огромный массив миниатюрных радиопередатчиков, сигнал с которых можно поймать, локализовать и построить картину распределения атомов водорода в веществе. Так что, как вы уже догадались, по сути МРТ показывает картину распределения воды в организме. Чем сильнее напряженность поля, тем большее число протонов можно использовать для получения сигналов, поэтому разрешающая способность сканера напрямую зависит от этого.

Сей эффект проявляется не только в сильных магнитных полях - каждый день, даже по пути в магазин за хлебом, протоны нашего тела испытывают влияние магнитного поля Земли. Исследователи из Словении например, построили экспериментальную систему МРТ, использующую лишь магнитное поле нашей планеты.


Иллюстрация из научной статьи «Magnetic Resonance Imaging System Based on
Earth’s Magnetic Field» Авторы: Ales Mohoric, Gorazd Planins и др. Демонстрирует снимки, полученные с использованием экспериментальной системы. Слева яблоко, справа - апельсин. Показательно не то, что получаются снимки с плохим качеством, а сама принципиальная возможность использования МР в слабых полях.

Разумеется, в коммерческих медицинских сканерах, напряженность магнитного поля многократно выше земного. Наиболее часто используют сканеры с полем 1, 1.5 и 3 Тесла, хотя есть как более слабые (0.2, 0.35 Тесла), так и суровые монстры в 7 и даже 10 тесла. Последние используют в основном для исследовательской деятельности, и в нашей стране насколько мне известно, таких нет.

Конструктивно поле в сканере может создаваться по разному - это и постоянные магниты, и электромагниты, и погруженные в кипящий гелий сверхпроводники по которым текут огромные токи. Последние широко распространены, и представляют наибольший интерес, так как позволяют добиться несравненно большей напряженности поля по сравнению с другими вариантами.

Типичная конструкция аппарата МРТ, поле в котором создается током, текущим через сверхпроводники. Источник - интернет.

Температура сверхпроводящих обмоток поддерживается благодаря постепенному испарению хладагента - жидкого гелия, кроме того в системе работает криокулер, на жаргоне медтехников называемый «холодной головой». Он издает характерные чавкающие звуки, которые вы наверняка слышали если хоть раз видели аппарат вблизи. Ток в сверхпроводниках течет постоянно, а не только во время работы аппарата, соответственно магнитное поле есть всегда. На незнании этого факта часто попадаются киношники (например в последнем сезоне сериала «Черное зеркало» был подобный ляп).

На панели управления аппаратов такого типа есть большая красная кнопка, позволяющая отключить магнитное поле (Rundown magnet). Она не без иронии называется «Кнопка увольнения».

Одна из панелей управления томографом фирмы Siemens

Нажатие этой кнопки включает аварийные нагреватели в емкости с хладагентом, которые поднимают температуру обмоток до критической точки, после которой процесс идет лавинообразно: после приобретения обмотками сопротивления, ток через них моментально разогревает их и все вокруг, приводя к выбросу гелия через специальную трубу. Этот процесс называется «квенч», и это наверное самое грустное, что может случится с аппаратом, так как восстановление его работоспособности после такого занимает очень много времени и денег.

Томограф Siemens Espree, с полем 1.5. Тесла, обратите внимание на металлические ключи, которые спокойно лежат на столе - магнитного поля тут больше нет. Был закуплен для некоторых государственных клиник у компании Siemens. Имеет сравнительно малые размеры емкости и большой диаметр апертуры. Есть мнение, что подобное укорочение конструкции вылилось в то, что он любит часто пускать гелий на ветер сам по себе (по крайней мере аппарат на фото делает это с завидной регулярностью).

Тем временем после небольшого отступления, снова вернемся к теории. Если просто принимать радиоволны испускаемые протонами тела в ответ на резонансные радиоимпульсы, картинку не построить не выйдет. Как же локализовать сигнал, который идет сразу со всех частей тела? В свое время исследователи Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд получили за решение этой проблемы нобелевскую премию по медицине. Если вкратце, их решение состоит в применении дополнительных обмоток в аппарате, создающих практически линейное изменение напряженности магнитного поля вдоль выбранного направления - градиент поля. Так как наше пространство вроде как трехмерное, то и обмоток используется три - оси X, Y и Z.

Иллюстрация из книги Эверта Блинка «Основы МРТ». Примерно так выглядят дополнительные градиентные обмотки внутри аппарата - реальные обмотки имеют конечно более сложную структуру.

Если напряженность магнитного поля изменяется по линейному закону, то при активации одного из градиентов протоны вдоль этого направления будут иметь различную резонансную частоту.

Иллюстрация с сайта howequipmentworks.com. Символически нарисованы градиентные обмотки (синим) и радиочастотная обмотка (зеленым). Показано что при создании градиента поля вдоль стола в точке А резонансная частота протонов будет отличатся от частоты в точке B

Использование градиентов позволяет манипулировать полем так, чтобы сигнал приходил только из конкретно определенных областей. В зависимости от амплитуды полученного сигнала выбирается яркость пикселя на картинке. Чем больше концентрация протонов в области - тем ярче результат.

Конечно...

Такое описание конечно сильно утрировано. Реально же сигнал локализуется комбинированием сразу всех трех градиентов, причем картинка строится не пиксель за пикселем, как можно подумать из этого описания, а сразу целой строкой. Не последнюю роль в этом играет и известное преобразование Фурье. Подробное описание можно прочитать в книге «Introduction to Magnetic Resonance Imaging Techniques» Lars G. Hanson. Данная статья увы все не вместит.

Чтобы создать градиент магнитного поля, нужно пропустить через градиентные обмотки большой ток, причем импульс должен быть довольно кратковременным, и с крутым фронтом, а для некоторых программ и вовсе требуется, чтобы направление тока в градиентной обмотке мгновенно менялось на противоположное для перемагничивания. Этим занимаются мощные импульсные преобразователи, они занимают целую стойку в аппаратной.

Градиентные усилители аппарата Siemens Harmony 1T. Рабочие характеристики - до 300 Ампер и до 800 Вольт, при использовании шести модулей - на фото представлено три модуля.

В аппаратах Siemens традиционно используется водяное охлаждение силовых компонентов - трубки видно на фото. Это нередко выливается (интересный каламбур) в хороший салют при любой течи. Несмотря на хваленое немецкое качество, никто не озаботился установкой датчиков протечки (в этом плане им стоило бы поучиться у GE). Но справедливости ради, конкретно градиентные блоки текут редко, чаще они выходят из строя без видимой причины.

Внутренности градиентного модуля от Siemens Harmony старого типа.

Модуль вроде тех, что показан на фото тяжело поддается ремонту - транзисторы приклеены к медной трубке на что-то вроде холодной сварки, и горят они там сразу десятками. Чтобы снять плату, требуется отпаять одновременно несколько десятков ножек! Лучше забудем этот кошмар, и посмотрим на более свежее решение от немецкого производителя.

Градиентный усилитель от Siemens Harmony. Более новая версия. Две симметричные платы прикручиваются болтами к очень мощным полевым транзисторам. Транзисторы работают группами по шесть штук параллельно, горят конечно тоже не по одному. Модель на фото уже слегка «отколхожена», вместо родных разъемов между платами впаяны медные пластины. Обратите внимание на верхний правый угол фото - это оптические кабели по которым идет сигнал на открытие ключей. Если перепутать их подключение - блок тут же сгорает с громким хлопком, никакой защиты «от дурака» в такой технике не предусмотрено.

Одной из главных проблем при ремонте является отсутствие какой-либо документации, тем более, оборудование весьма специализированное. Поэтому порой приходится набить немало шишек и пожечь довольно много недешевых компонентов, чтобы понять что же было не так. Конечно, за деньги можно купить и сервисные мануалы, но как правило, они весьма поверхностные. Крутые фирмы надежно хранят свои секреты.

Чем сильнее магнитное поле в аппарате, тем соответственно более мощными должны быть и градиентные преобразователи. В аппаратах с полем 1.5 Т и 3 Т куча параллельных полевых транзисторов, которые нужно набрать для обеспечения необходимой мощности, становится чересчур огромной, в дело вступают IGBT сборки, подобные тем, что ставят в промышленные преобразователи частоты для управления двигателями.

Градиентный усилитель Quantum Cascade в разборе, ток до 500 Ампер, выходное напряжение до 2000 В. В его составе работают 20 мощных IGBT сборок. Здесь есть интересный момент - сама по себе сборка не выдержит 2 киловольта, это напряжение получается путем использования пяти независимых источников по 400В каждый. Моя мечта - собрать из этого агрегата катушку Тесла.

Что же творится с градиентными обмотками, когда по ним текут такие чудовищные токи, с учетом того что они еще и находятся в неслабом магнитном поле? Сила Ампера разумеется заставляет их деформироваться, но они накрепко залиты смолой по самое немогу. Тем не менее, даже это не спасает - так как градиенты работают в диапазоне звуковых частот, то возникающие при этом вибрации могут порождать довольно громкие звуки, по громкости напоминающие удар молотком по гвоздю (с той оговоркой, что вы слышали как стучат молотком около 5000 ударов в секунду). Поэтому практически в любом аппарате МРТ есть наушники, либо беруши. Софт и аппаратура постоянно контролируют уровень звука в помещении сканера, чтобы децибелы не выходили за допустимые пределы. Быстро изменяющееся при работе градиентов магнитное поле, вкупе с порождающими резонанс радиочастотными импульсами наводит вихревые токи в любой металлической поверхности рядом со сканером, что приводит к вибрации металла и небольшому нагреву, а на снимках даже от маленькой металлической пломбы появятся характерные артефакты. Именно по этой причине перед обследованием в МРТ требуют избавиться от всего металла (пломбы снимать не надо).

За создание радиочастотных импульсов нужной частоты отвечает блок синтезатора (в аппаратах Siemens) или же эксайтер (в случае аппаратов GE). Несмотря на разные названия, их функции примерно одинаковы. Эти блоки как правило надежны и редко требуют ремонта, если с ними аккуратно обращаться. Сигнал формируется путем цифро-аналогового синтеза, и представляет собой sinc-функцию.

Слева продемонстрированы два вида радиочастотных импульсов - гауссиан и sinc, он же так называемый кардинальный синус. Справа показан профиль возбуждения при их использовании в качестве радиочастотного возбуждающего сигнала - то есть примерно показана форма области, где протоны войдут в резонанс, вид сбоку. Разумеется нижняя версия более предпочтительна для создания изображений (слайсов), особенно когда они расположены близко друг к другу, чтобы уменьшить влияние сигналов за пределами выбранной области сканирования.

Наконец, мы подошли без преувеличения, к самому интересному по моему мнению блоку во всем томографе - радиочастотный усилитель мощности, который преобразует слабый сигнал с синтезатора в мощный, подаваемый на передающую антенну в аппарате.

Еще кстати

В иностранной литературе все антенны, относящиеся к томографу зовуться «Coil», по-русски прижилось название «катушка». Вы вряд ли где-либо еще услышите слово «антенна» применительно к МРТ. Body coil - или «Боди-катушка» на местном диалекте - основная приемо-передающая антенна томографа, но кроме нее есть и другие, но о них - далее.

Мощность усилителя для томографа с полем 1Т составляет 10кВт, для поля 1.5Т уже 15 кВт, соответственно для более высокопольных аппаратов требуются большие мощности в плане радиочастотного излучения. Это одна из причин, почему высокопольные аппараты еще прочно не вошли в клиническую практику. Но давайте без фанатизма - постоянно разговаривая по мобильнику вы пооблучаетесь побольше чем за один сеанс в аппарате МРТ.
Как правило этот блок совмещает в себе сложные запутанные схемы управления и защиты, радиочастотные фишки, большие напряжения, а также проблемы с охлаждением.

В томографах General Electric и Hitachi ставят усилители мощности, изготавливаемые фирмой Analogic. Отличаются красивой компоновкой компонентов на плате, высокой живучестью - как правило в их усилителях несколько транзисторных каскадов работают параллельно, причем выходной сумматор устроен так, что при отказе одного каскада усиления, блок продолжит работать, хоть и не на полную мощность.

Плата усилителя из аппарата GE. Красивая и эффектная конструкция!

Блок целиком

В аппарате с полем в 1.5Т стоят два таких красавца, по 8 кВт каждый. Верхняя девятислойная (!) плата - это хитрый импульсный блок питания, а сам усилитель размещен на нижней плате. К нам он попал по причине неисправности верхней платы. За отсутствием времени на разбирательства со схемой, успешно хакнули и собрали из двух серверных блоков питания замену. Кроме того путем подбора более крутых по характеристикам транзисторов смогли добиться усиления большего чем было изначально.

Усилитель мощности с томографа Hitachi

Этот малыш работает в системе с магнитным полем в 0.35Т, тем не менее легко угадывается похожесть на технику из GE - производитель один.

К сожалению, не могу сказать того же про продукцию Siemens. Очевидно, что перед инженерами, проектировавшими устройство радиочастотного усилителя поставили задачу во чтобы то ни стало использовать производимый компанией дешевый транзистор Buz103. Это хилый компонент в плане допустимой для него мощности, и чтобы выкрутится из положения, в итоговую конструкцию усилителя с красивым именем «Dora» вставили 177 транзисторов, все они стоят на двух огромных радиаторах, которые при работе находятся под высоким напряжением и контактируют через термопрокладку с радиатором водяного охлаждения, а тот уже в свою очередь постоянно течет, причем прямо на плату, что на фото далее.

Плата усилителя Siemens усилителя мощности 10кВт. Сплошные электротехнические понты: индуктивности из дорожек, идущие через несколько слоев, сложнейшая схема управления транзисторами на 10-слойной плате, резонаторы из полигонов и прочие малоприятные вещи.

Ремонтопригодность усилителя этой фирмы практически никакая. Имея в своем распоряжении производство транзисторов Siemens может позволить себе собрать близкие по параметрам детали из партии, путем отбора, а это очень критично когда параллельно работает сразу сотня транзисторов. И самое обидное, что даже если купить нужное количество на замену, то выяснится что то, что находятся в продаже оказывается не тем чем кажется.

Вскрытие транзисторов - снаружи все подписаны и выглядят одинаково, внутри - все разные. Оригинал - крайний справа. Те, что с меньшей площадью кристалла чем у оригинала - горят как спички, второй справа хоть и имеет близкую площадь, но отвратительно работает в режиме усиления.

Вероятно у кого нибудь может возникнуть вопрос, почему в описанных усилителях применяют транзисторы, а как же лампы? Действительно, в старых агрегатах фирмы Siemens, а также во вполне современных аппаратах Philips с полем в 3Т применяют именно лампы. Увы, фото данного железа у меня нет, но могу сказать что срок службы у этих элементов составляет всего год-два, а цена у них немалая. Вообще, как то в статье обделил вниманием Philips, нехорошо вышло. Исправлюсь немного:

МРТ нового типа - Philips Panorama. Как правило аппараты открытого типа основаны на постоянных либо электромагнитах, что автоматом означает низкое поле и качество картинки. Но не в этом случае. Поле этого аппарата 1 Тесла, и здесь также применяется сверхпроводник. Огромное по сравнению с обычным томографом пространство позволяет проводить исследование крупных пациентов, либо тех кто боится замкнутого пространства, например детей.

Мощность радиочастотного сигнала контролируется в самом блоке усилителя мощности, в измерительном блоке, осуществляющем подстройку передающей антенны (катушки) и еще в приемнике. Таким образом, аппарат МРТ имеет троекратную защиту от превышения допустимых норм радиоизлучения. Так что не бойтесь, и смело проходите обследование.

Несмотря на всю мощь усилителей, описанную выше, сигнал, получаемый в ответ на резонансное возбуждение довольно мал. Поэтому передающую антенну (Body coil), описанную ранее и находящуюся в корпусе томографа редко используют в режиме приема сигнала. Вместо этого, существует большой набор катушек (coils) для любых частей тела - голова, спина, колено, плечи и.т.п. Они находятся гораздо ближе к объекту исследования и позволяют добиться лучшего качества изображения. Но я думаю вы уже устали от кучи информации, поэтому я просто засуну в томограф арбуз.

Арбуз готовится к исследованию. На нем сверху лежит катушка, предназначенная для грудной области, под ним - катушка для спинного отдела и позвоночника. Справа на полу - шар для предсказаний специальный объект для калибровки систем аппарата, так называемый «фантом»

Мало кто режет арбузы в поперечном направлении. Аппарат МРТ позволяет сделать это без ножа. Знали ли вы об интересной фрактальной структуре внутри? Обратите внимание, что верхняя часть, которая ближе к приемным элементам катушки светлее, так как амплитуда сигнала, получаемого из этой области выше, чем снизу ягоды.

Продольный разрез уже знаком всем. Думаю, арбуз спелый, можно брать.

Сигнал с катушек поступает в блок приемника в виде аналоговых сигналов, где перерабатываются в цифровую форму. В новейшем оборудовании на острие прогресса, приемник с аналогово-цифровым преобразователем встроен прямо внутрь катушки, а к компьютеру идет оптическая линия передачи данных. Это сделано для того чтобы максимально убрать помехи. Компьютер, занимающийся построением изображения из этих данных обычно стоит отдельно и называется реконструктором. Полученные изображения печатают на пленку, которая кстати хорошо подходит для фоторезиста.

В заключение еще хотел добавить, что в России прямо сейчас проводят интересные исследования по улучшению качества изображения в аппаратах МРТ. Этим занимается кафедра нанофотоники и метаматериалов университета ИТМО. Если простыми словами - метаматериалы это композиты, имеющие специальную структуру. Они позволяют создавать антенны и резонаторы, с очень малыми размерами по сравнению с длинной волны излучения, что идеально подходит для магнитно-резонансной томографии.

Создано: 28 октября 2015 Обновлено: 28 октября 2015 Просмотров: 10761

Была выдвинута в 1973 году .

МР томограф состоит из:

• магнитных градиентов;
• основного магнита;
• приёмника радиоимпульсов;

Рассмотрим лишь Качество и скорость

1. ультранизкие: менее 0,1 Тл ;
2. низкопольные : в диапазоне от 0,1 до 0,5 Тл ;
3. средние: от 0,5 до 1,0 Тл ;
4. высокопольные : 1,0 - 2,0 Тл 1,5 Тл ;
5. ультравысокие: от 2,0 Тл и выше 3,0 Тл .

• постоянные;
• резистивные электрические;

• поле 0,2 - 0,3 Тл ;
• экономичны в эксплуатации

томографов открытого типа МРТ клаустрофобии .
весом более 120 кг

• магнитное поле от 0,2 до 0,4 Тл ;

• конструктивные особенности:
• поле 0,35 - 4 Тл .

• высокопольность ;
• создание на их основе томографов открытого типа .

• высокая стоимость;
• выравнивания магнитного поля

Принцип работы МРТ томографа

• модулирует их в импульсы ;
• компьютер
  • централизованно управлять всей системой ;

Идея по формированию изображения внутренних органов человека посредством ядерного магнитного резонанса была выдвинута в 1973 году .
В 2003 году Paul Christian Lauterbur из университета Иллинойса (США) и Peter Mansfield из университета Ноттингема (Великобритания) получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за изобретение МРТ томографа.

МР томограф состоит из:

• магнитных градиентов;
• основного магнита;
• систем сбора и обработки данных;
• генератора (передатчика) радиоимпульсов;
• приёмника радиоимпульсов;
• систем энергоснабжения и охлаждения.

Рассмотрим лишь общие принципы строения МР томографов , так как частое обновление модельного ряда лишает смысла рассматривать конструктивные особенности конкретного аппарата. Качество и скорость получения выходной картинки, определяемые сигналом в приемной катушке томографа, зависят от магнитной индукции (силы магнита).

По силе магнитного поля томографы разделяются на:

1. ультранизкие: менее 0,1 Тл ;
2. низкопольные : в диапазоне от 0,1 до 0,5 Тл ;
3. средние: от 0,5 до 1,0 Тл ;
4. высокопольные : 1,0 - 2,0 Тл , типичный высокопольный томограф 1,5 Тл ;
5. ультравысокие: от 2,0 Тл и выше , наиболее распространены модели томографов 3,0 Тл .

Магниты в МР томографах классифицируются как:

• постоянные;
• резистивные электрические;
• сверхпроводящие электрические.

Характеристики магнитов 1 класса постоянных:

• состоят из ферромагнитных сплавов;
• поле 0,2 - 0,3 Тл ;
• экономичны в эксплуатации , так как не требуют затрат электроэнергии и охлаждения;
• ориентация магнитного поля - вертикальная;

Преимуществом постоянных магнитов и томографов открытого типа на их основе является возможность проведения МРТ для больных, страдающих приступами клаустрофобии .
Экономичность, простота и возможность приема пациентов с клаустрофобией и весом более 120 кг способствовали росту спроса на МР томографы открытого типа на постоянных магнитах.

Характеристики резистивных электромагнитов 2 класса:

• конструкция резистивного электрического магнита:
  • соленоид из медной или железной проволоки;
  • используется водяное охлаждение;
• магнитное поле от 0,2 до 0,4 Тл ;
• поле ориентировано вдоль отверстия соленоида;
• современные модели МР томографов на основе резистивных электромагнитов - открытого типа.

Характеристики сверхпроводящих электромагнитов 3, 4 и 5 классов:

• конструктивные особенности:
  • соленоид из ниобий - титанового сплава;
  • охлаждается жидким гелием до - 269 гр. по Цельсию (4К) при которой переходит в сверхпроводящее состояние;
• поле 0,35 - 4 Тл .

Достоинства сверхпроводящих магнитов:

• высокопольность ;
• создание на их основе томографов открытого типа .

Недостатки высокопольных МР томографов:

• высокая стоимость;
• использование для охлаждения жидкого гелия;
• необходимость дополнительного выравнивания магнитного поля для получения качественного изображения.

Принцип работы МРТ томографа

• передающая катушка генерирует волны резонансной частоты и модулирует их в импульсы ;
• приемная катушка, представляющая высокочувствительную антенну, расположенную перпендикулярно направлению основного поля (плоскость X-Y) передает полученный сигнал на АЦП ;
• аналого-цифровой преобразователь (АЦП) отправляет данные в цифровом виде на операторский компьютер для реконструкции изображения;
• компьютер , кроме получения изображения с томографа, позволяет:
  • централизованно управлять всей системой ;
  • обрабатывать, записывать и печатать изображение;
  • выполнять быстрое Фурье-преобразование.

В 1973 году американский химик Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью под названием «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позднее британский физик Питер Мэнсфилд предложит более совершенную математическую модель получения изображения целого организма, а в 2003 году исследователи получат Нобелевскую премию за открытие метода МРТ в медицине.

Немалый вклад в создание современной магнитно-резонансной томографии внесет и американский ученый Реймонд Дамадьян, отец первого коммерческого аппарата МРТ и автор работы «Обнаружение опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса», опубликованной в 1971 году.

Но справедливости ради стоит отметить, что задолго до западных исследователей, в 1960 году, советский ученый Владислав Иванов уже подробно изложил принципы МРТ, тем не менее авторское свидетельство он получил лишь в 1984 году… Давайте же оставим споры об авторстве, и рассмотрим наконец в общих чертах принцип работы магнитно-резонансного томографа.

В наших организмах очень много атомов водорода, а ядро каждого атома водорода — это один протон, который можно представить в виде маленького магнитика, существующего благодаря наличию у протона ненулевого спина. То что ядро атома водорода (протон) имеет спин, - это значит что оно как бы вращается вокруг своей оси. При этом известно, что у ядра водорода есть положительный электрический заряд, а вращающийся вместе с наружной поверхностью ядра заряд — это подобие маленького витка с током. Получается, что каждое ядро атома водорода — это миниатюрный источник магнитного поля.

Если теперь много ядер атомов водорода (протоны) поместить во внешнее магнитное поле, то они начнут пытаться сориентироваться по этому магнитному полю подобно стрелкам компасов. Однако в процессе такой переориентации ядра начнут прецессировать, (как прецессирует ось гироскопа при попытке его наклонить), потому что магнитный момент каждого ядра оказывается связан с механическим моментом ядра, с наличием у него упомянутого выше спина.

Допустим, ядро водорода поместили во внешнее магнитное поле с индукцией 1 Тл. Частота прецессии в этом случае составит 42,58 МГц (это так называемая ларморовская частота для данного ядра и для данной индукции магнитного поля). И если теперь оказать дополнительное воздействие на это ядро электромагнитной волной с частотой 42,58 МГц, возникнет явление ядерного магнитного резонанса, то есть амплитуда прецессии возрастет, поскольку вектор общей намагниченности ядра станет больше.

И таких ядер, способных прецессировать и попадать в резонанс, в наших телах миллиард миллиардов миллиардов. Но поскольку в режиме обычной повседневной жизни магнитные моменты всех ядер водорода и других веществ в нашем теле друг с другом взаимодействуют, то общий магнитный момент всего тела равен нулю.

Действуя радиоволнами на протоны, получают резонансное усиление колебаний (увеличение амплитуд прецессий) этих протонов, а по окончании внешнего воздействия протоны стремятся вернуться к своем исходным состояниям равновесия, и тогда уже они сами излучают фотоны радиоволн.

Таким образом в аппарате МРТ тело человека (или какое-нибудь другое исследуемое тело или предмет) превращается периодически то в набор радиоприемников, то в набор радиопередатчиков. Исследуя таким образом участок за участком тела, аппарат строит пространственную картину распределения атомов водорода в теле. И чем более высока напряженность магнитного поля томографа — тем больше атомов водорода, связанных с другими атомами, расположенными рядом, можно исследовать (тем выше разрешение магнитно-резонансного томографа).

Современные медицинские томографы в качестве источников внешнего магнитного поля содержат , охлаждаемые жидким гелием. В некоторых томографах открытого типа для этой цели используются .

Оптимальная индукция магнитного поля в аппарате МРТ составляет сегодня 1,5 Тл, она позволяет получать довольно качественные снимки многих частей тела. При индукции менее 1 Тл не получится сделать качественный снимок (достаточно высокого разрешения), например малого таза или брюшной полости, однако для получения обычных снимков МРТ головы и суставов подходят и такие слабые поля.

Для правильной пространственной ориентации, в магнитно-резонансном томографе кроме постоянного магнитного поля используются еще и градиентные катушки, создающие дополнительное градиентное возмущение в однородном магнитном поле. В результате наиболее сильный резонансный сигнал локализуется более точно в том или ином срезе. Мощность и параметры действия градиентных катушек — наиболее значимые показатели в МРТ — от них зависит разрешение и быстродействие томографа.

Современная медицинская диагностика базируется на двух видах исследований: прикладных (биологических, химических и т.п.) и визуализационных. Если первый вид исследований появился с незапамятных времен, когда человек определял наличие болезни, как говорится, «по запаху и на язык», то визуализация внутренних органов без повреждения организма стала возможной только с открытием свойства радиоактивных материалов производить проникающее излучение, известное сейчас как «рентгеновское».

Открытия физиков в мире элементарных частиц подарили медицине еще один способ получения изображений всех тканей и органов человеческого тела без прямого внедрения. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых передовых и продолжающих развиваться видов получения информации о состоянии живых организмов.

В диагностике заболеваний позвоночника МРТ является ведущим типом визуализации, т.к. конструкция позвоночного столба включает множество элементов из мягких тканей (межпозвоночные диски, связки, сумки фасеточных суставов), для которых магнитно-резонансная томография является наилучшим способом «неразрушающего контроля».

Что такое МРТ?

В основе визуализационного метода исследований, названного «Магнитно-резонансная томография», лежит одно из открытий квантовой физики и физики элементарных частиц, что ядра определенных элементов способны излучать излишки энергии, поглощенной под воздействием ориентированных магнитных полей и радиочастотных излучений.

Явление «ядерного магнитного резонанса», на котором базируется магнитно-резонансное исследование предметов (живых и неодушевленных), было открыто в 1922 году в ходе эксперимента по определению «спиновой квантизации» в электронах. Именно тогда ученые-физики поняли, что понятие квантовой физики «спин» (момент импульса частицы) имеет физическое выражение.

В ходе исследований по воздействию радиочастотных (РЧ) излучений на частицы, находящиеся в сильном магнитном поле, в 1937 году было выявлено, что ядра образцов поглощают РЧ-энергию определенной частоты и излучают после отключения внешнего импульса. Такое действие могут производить только частицы, ядра которых обладают электрическим зарядом и спином. Такие свойства присущи элементам, в ядре которых присутствует один «лишний» протон (т.е. количество протонов превышает количество электронов). Современная МР томография использует в исследованиях свойства нескольких «органических» элементов, самым популярным из которых является водород Н(1).

Находясь в сильном однородном магнитном поле ядро водорода, состоящее из одного протона, под воздействием радиоимпульса, излученного на определенной частоте (Ларморовская частота резонанса), способно «возбудиться»: энергия поглощенного РЧ-импульса переводит атом водорода на более высокий энергетический уровень. Но это нестабильное состояние неспособно сохраняться без внешнего воздействия, и когда импульсы прекращаются, происходит возврат к стабильному состоянию (релаксация). В процессе этого «остывания» ядро излучает электромагнитную волну, которую можно зафиксировать. Дальнейшее – дело сложных математических пространственных вычислений, в ходе которых сигнал определенного атома превращается в «пиксель» с определенными координатами.

Что заставляет ядро водорода поглощать энергию РЧ-импульса? Именно взаимодействие собственного магнитного поля ядра и наведенного вокруг «объекта исследований», большого, постоянного и ориентированного в определенном направлении магнитного поля, созданного сильными электромагнитами. Каждое ядро атома водорода является единичной магнитной системой, обладающей уникальной направленностью магнитного момента. Магнитные моменты всех протонов принудительно ориентируются в том направлении, в каком направлен вектор магнитной индукции внешнего поля. Энергия РЧ-импульса, излученного на частоте, совпадающей с частотой вращения протонов, поглощается, изменяя положение оси, ориентированной вдоль общего направления магнитного поля (поворачивается на 90 (Т1) и 180 градусов (Т2)). Возврат в нормальное, т.е. «невозбужденное», состояние с разворотом оси вращения в первоначальном направлении сопровождается излучением электромагнитной волны с той же частотой, на которой произошло поглощение энергии. В положениях Т1 и Т2 ядра водорода «запасают» разное количество энергии, и соответственно мощность излучения различается (первое состояние дает меньший импульс, нежели второе).

Это самое простое объяснение сути ядерно-магнитного резонанса в единичной системе, какой является атом водорода, но в плотном веществе для получения результатов требуется более сложное приложение магнитных полей. Для этого введены дополнительные магнитные поля, названные «градиентные». С их помощью можно менять направленность общего магнитного поля в трех измерениях, что позволяет получать изображения в любой проекции (плоскости) и формировать трехмерные изображения с помощью компьютерной обработки (как в компьютерной рентгеновской томографии).

По справедливости томографию следовало бы называть «ядерно-магнитной», т.к. используется именно излучение ядер атомов. Но после аварии, повлекшей разрушение атомного реактора на Чернобыльской АЭС и заражение прилежащих территорий радиоактивными выбросами, любое название, содержащее слово «ядерный», воспринимается со значительной долей нездорового скептицизма. Сокращение было принято для сохранения спокойствия населения, не знакомого с квантовой физикой.

История изобретения, устройство и принцип действия

Современные магнитно-резонансные томографы выпускаются в нескольких технически продвинутых странах, из которых на долю США приходится до 40% общего объема производства. Это не случайно, т.к. большинство основных технологических открытий, касающихся МР томографии, было сделано в американских научных центрах:

• 1937 год – профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Исидор Раби провел первый эксперимент по исследованию ядерно-магнитного резонанса в молекулярных лучах;
• 1945 год – в двух университетах (Стэнфорде и Гарварде) проводились фундаментальные исследования ЯМР в твердых объектах (Ф. Блох и Э. Парселл);
• 1949 год – Э.Ф. Рамсей (Колумбийский университет) сформулировал теорию химического сдвига, легшую в основание МР спектроскопии, обеспечившей химические лаборатории самой точной аналитической аппаратурой;
• 1971-1977 годы – физик Раймонд Ваган Дамадиан с группой коллег (Бруклинский медицинский центр) создал первый МР-сканер и получил изображение внутренних органов живых объектов (и в том числе человека). В ходе исследований медики выявили, что изображения опухолей сильно отличаются от здоровых тканей. На проектирование и проведение работ потребовалось около 7 лет;
• 1972 год – химик Пол Лаутербур (Госуниверситет г. Нью-Йорк) получил первое двумерное изображение, используя собственные разработки по применению переменных градиентных магнитных полей.

В 1975 году швейцарский физикохимик Рихард Эрнст предложил методы увеличения чувствительности МРТ (использование преобразований Фурье, фазовое и частотное кодирование), значительно увеличившие качество двумерных изображений.

В 1977 году Р. Дамадиан представил научному миру первое изображение среза грудной клетки человека, сделанное на первом МР-сканере. В дальнейшем техника только совершенствовалась. Особенно большой вклад в развитие МРТ внесло развитие компьютерной техники и программирования, позволившее программно управлять сложным комплексом электромагнитного оборудования и обрабатывать полученное излучение для получения пространственного изображения или двумерных «срезов» в любой плоскости.

На текущий момент существует 4 типа МР-томографов:

1. На постоянных магнитах (небольшие, переносные, со слабым магнитным полем до 0,35 Тл). Позволяют производить «полевые» исследования во время операций. Наибольшее применение получают постоянные неодимовые магниты.
2. На резистивных электромагнитах (до 0,6 Тл). Достаточно громоздкие стационарные аппараты с мощной системой охлаждения.
3. Гибридные системы (на постоянных и резистивных магнитах);
4. На сверхпроводящих электромагнитах (мощные стационарные системы с криогенной системой охлаждения).

Самое высокое качество изображения, четкое и контрастное, ученые получают на криогенных МР-томографах с сильными магнитными полями до 9,4 Тл (в среднем – 1,5 -3 Тл). Но практика показывает, что для получения качественного изображения требуется не столько мощное поле, но в большей мере быстрая обработка сигналов и хорошая контрастность. С развитием программного обеспечения мощность магнитов стандартных медицинских МР-сканеров снижена до 1-1,5 Тл. Самые мощные томографы изготавливаются для научных медицинских исследований.

Стандартный МР-томограф состоит из нескольких блоков:

1. Система из нескольких магнитов:

• большой торовидный магнит, создающий постоянное поле;
• градиентные магнитные катушки, с помощью которых производится изменение направления вектора магнитной индукции («смещаются полюсы») в трех измерениях. Для смещения градиента изобретены катушки разных форм и размеров (8-образные, седловидные, парные (Гельмготца), Максвелла, Голея). Контролируемая компьютером работа одиночных и парных катушек способна направить моменты ядер в любую сторону или даже развернуть относительно первоначально заданного большим магнитом направления;
• шиммирующие катушки, необходимые для стабилизации общего поля. Малые магнитные поля этих катушек компенсируют посторонние наводки или возможную неоднородность поля, созданного большим и градиентными магнитами;
• РЧ-катушка. Радиочастотные катушки создают магнитное поле, пульсирующее с частотой резонанса. Разработаны и применяются три вида катушек: передающие, принимающие и комбинированные (передающе-принимающие). РЧ-излучатель одновременно является и детектором, т.к. при наведении на катушку внешнего излучения, созданного «релаксирующими» протонами, в ее контуре возникают индукционные токи, фиксируемые как РЧ-сигналы. Конструкции детекторов – катушек делятся на два типа: поверхностные и объемные, т.е. окружающие объект. Формы зависят от способов улавливания сигналов, при которых учитываются мощность и направленность излучений. Например, объемная катушка «птичья клетка» служит для получения более качественных изображений головы и конечностей. На томографе установлено несколько парных и одиночных РЧ-катушек для всех видов и направлений РЧ-сигналов.

Самое мощное поле создается сверхпроводящими магнитами. Большой кольцевой магнит, создающий постоянное поле, погружен в герметичный сосуд, наполненный сжиженным гелием (t= -269 о С). Этот сосуд замкнут в другом, большем герметичном сосуде. В пространстве между двумя стенками создан вакуум, что не позволяет гелию нагреться ни на долю градуса (количество вложенных вакуумных сосудов может быть больше двух). Чем меньше сопротивление в проводе катушки, тем выше мощность магнитного поля. Именно этим свойством обосновано применение сверхпроводников, сопротивление в которых близко к 0 Ом.

Система управления томографом состоит из устройств:

• компьютер;
• программатор градиентных импульсов (формирует направление магнитного поля с помощью изменения амплитуды и вида градиентных полей);
• градиентный усилитель (управляет мощностью градиентных импульсов через изменение выходной мощности катушек);
• источник и программатор РЧ-импульсов формируют амплитуду резонансного излучения;
• РЧ-усилитель изменяет мощность импульсов до необходимого уровня.

Компьютер управляет блоками формирования полей и импульсов, принимает данные из детекторов и обрабатывает, трансформируя поток аналоговых сигналов в цифровую «картину», которую выводят на монитор и печать.

МР-сканер (т.е. магнитная система) в обязательном порядке окружается системой экранирования от внешних «наводок» электромагнитного и радиоизлучения, которые могут исходить от источников радиосигналов и любых металлических предметов, попавших в сильное магнитное поле. Металлическая сетка или сплошное листовое покрытие стен комнаты создают электрически проводящий экран типа «клетка Фарадея».

МРТ в медицинской диагностике

Магнитно-резонансная томография полностью отличается от рентгеновского просвечивания, т.к. это буквально не «аналоговый» (т.е. фотографический) способ получения изображения, а построение образа с помощью оцифрованных данных. То есть картинка, которую человек видит на экране, является продуктом дешифровки множества микроскопически малых сигналов, которые улавливает детектор томографа (РЧ-катушка). Каждый из этих электромагнитных импульсов обладает определенной мощностью и пространственными координатами внутри тела. Обработка и построение изображения на основании полученных импульсов «релаксации протонов» производится мощным компьютером по специальным программам.

В МРТ используется набор последовательностей РЧ-импульсов, которые создают определенные режимы «возбуждения» протонов водорода в тканях организма с уникальной интенсивностью поглощения и соответствующего возврата энергии. Фактически последовательности являются компьютерными программами, согласно которым производится излучение РЧ-сигналов с определенной амплитудой и мощностью и управление градиентами магнитных полей.

Водород является самым распространенным элементом в теле, т.к. не только присутствует во всех органических молекулах, но и, как компонент воды, содержится в большинстве тканей. Именно поэтому (а также потому, что в ядре только один протон, что позволяет легче вызвать резонанс) томография лучше отображает мягкие ткани, в которых концентрация воды значительно выше. На МРТ-изображении кости, содержащие крайне мало свободных молекул воды, выглядят как непроглядно черные области.

Многочисленные эксперименты показали, насколько различным может быть время релаксации протона, если атом, в котором находится эта элементарная частица, находится в определенном виде ткани. Причем если эта ткань здорова, время «отклика» будет значительно отличаться. Именно по времени релаксации, т.е. скорости возврата РЧ-импульса, компьютером определяется яркость объекта.

В медицинской диагностике с помощью МРТ обследуют не только плотные ткани, но и жидкости: МР-ангиография позволяет определять места образования тромбов, выявлять турбулентности и направление тока крови, измерять просвет сосудов. В исследованиях жидкой среды помогают специальные вещества, изменяющие время отклика протонов в составе жидкости. Контрастные вещества содержат соединения элемента «гадолиний», у которого имеются уникальные магнитные свойства ядер атомов, за которые его называют «парамагнетик».

Также с помощью МРТ измеряется внутренняя температура в любой точке тела. Бесконтактная термометрия основана на измерении резонансных частот тканей (температура измеряется на основании отклонений частоты релаксации в ядах водорода в атомах воды).

В основе построения изображений лежит фиксация трех базовых параметров, которыми обладают протоны:

• время релаксации Т1 (спин-решеточная, поворот оси вращения протона на 90 о);
• время релаксации Т2 (спин-спиновая, поворот оси вращения протона на 180 о);
• протонная плотность (концентрация атомов в ткани).

Другими двумя условиями, влияющими на контрастность и яркость изображения, являются время повторения последовательности и время появления эхо-сигнала.

Используя в последовательностях РЧ-импульсы с определенной мощностью и амплитудой и измеряя время отклика Т1 и Т2, исследователи получают изображения одних и тех же точек тела (тканей) с разной контрастностью и яркостью. Например, короткое время Т1 дает мощный РЧ-сигнал релаксации, что при построении образа выглядит ярким пятном. По комбинации световых характеристик ткани в разных последовательностях выявляются увеличение концентрации воды, жира или конкретное изменение характеристик ткани, говорящее о наличии опухоли или уплотнения.

Для полноты информации о магнитно-резонансной томографии нужно сказать, что управление магнитными полями и радиочастотными импульсами не обходится без «казусов», необычно выглядящих изображений. Их называют «артефактами». Это любая точка, область или черта, присутствующие на изображении, но отсутствующие в организме в виде изменения ткани. Причиной появления таких артефактов могут быть:

• случайные наводки от неизвестных металлических предметов, попавших в магнитное поле;
• неисправности аппаратуры;
• физиологические особенности организма («фантомы», пятна, вызванные движением внутренних органов при дыхании или сердцебиении);
• неверные действия оператора.

Для устранения «артефактов» проводится внеочередная калибровка и тестирование аппаратуры, пациент и помещение проверяются на наличие инородных предметов, производится повторное обследование в нескольких режимах.

Использование МРТ в диагностике заболеваний позвоночника

Позвоночник – самая подвижная часть опорно-двигательного аппарата. Именно мягкие ткани обеспечивают и подвижность, и целостность позвоночной системы. Если подсчитать все известные и распространенные заболевания позвоночника, на долю повреждений мягких тканей придется до 90% от всех учтенных болезней. А если включить неврологические болезни спинного мозга и спинномозговых нервов и различные виды опухолей, то статистика возрастет до 95-97%. Иначе говоря, болезни, повреждающие костные ткани позвонков, встречаются более чем редко по сравнению с болезнями мягких тканей: межпозвоночных дисков, суставных сумок, связок и мышц спины.

Если сравнивать симптомы различных нарушений целостности мягких тканей, сходство будет исключительным:

• боли (локальные и распространенные в определенной области);
• «корешковый синдром» (нарушения целостности спинномозговых нервов и связанные с ними искажения сенсорных сигналов и ответных реакций);
• различные по силе параличи (плегии), парезы и потери чувствительности.

Именно поэтому результаты магнитно-резонансной томографии имеют высокий статус «решающего слова» в визуализационной диагностике заболеваний позвоночника. Иной раз качественный снимок пораженного участка – это единственный способ окончательно утвердить диагноз, сделанный на основании предварительного осмотра, неврологических тестов и анализов.

Показанием для проведения обследования в МРТ считается наличие воспалительных процессов в области позвоночного столба, сопровождающихся активной иммунной реакцией (повышение температуры тела, отекание тканей, покраснение кожного покрова). Анализы подтверждают наличие иммунной реакции, но не способны указать точное положение места инфицирования и воспаления. МР томограмма с точностью до 1 мм устанавливает координаты очага, ареал распространения воспалительного процесса. МР ангиограммы укажут границы тромбирования сосудов и отека тканей. В исследовании хронических заболеваний (остеохондроз во всех стадиях, спондилоартроз и т.п.) МРТ показывает исключительную полезность.

Также прямым показанием для применения МРТ являются симптомы, указывающие на возможное образование абсцессов в эпидуральной области: сильные локализованные боли, «корешковый синдром», прогрессирующая потеря чувствительности и парализация конечностей и внутренних органов.

Инфекционные заболевания, способные повредить все типы тканей (туберкулез, остеомиелит), требуют комплексного исследования с помощью МРТ и компьютерной томографии (КТ). На МР томограммах выявляются поражения нервных тканей, хрящевых межпозвоночных дисков, суставных сумок. КТ дополняет общую картину данными о разрушениях костных тканей тел позвонков и отростков.

Повреждения спинного мозга и близких к ним тканей (кровеносных сосудов, оболочек мозга, внутренней надкостницы спинномозгового канала) требуют многосторонних и кропотливых исследований на МРТ, т.к. большая часть нарушений нервных тканей связана с образованием опухолей (доброкачественных и раковых), изредка – абсцессов (эпидуральных и субдуральных). Исследования магнитно-резонансной томографии первоначально были нацелены на выявление именно опухолевых образований в ЦНС. Многолетние наблюдения и систематизация накопленного опыта позволяют исследователям определять появляющиеся новообразования на первой стадии, «в зачаточном состоянии».

Развитие сканерной техники направлено на повышение детализации, контрастности и яркости изображения объектов любого размера, а также на максимально быстрое получение данных после излучения РЧ-импульса. Современный МР-томограф способен «показывать» происходящие процессы в реальном времени: сердцебиение, движение жидкостей, дыхание, сокращение мышц, образование тромба. Малые открытые МР-сканеры на постоянных магнитах позволяют производить операции с минимальным уровнем повреждений поверхностных тканей (интервенционная МРТ).

Компьютерное программирование позволяет построить по данным, полученным со сканера, объемное изображение на экране монитора или с помощью лазерной техники.

Развивается направление МРТ исследований позвоночника в вертикальном положении. Подвижная установка оборудована столом, меняющим положение на 90 о, что позволяет снять в реальном времени изменения в позвоночном столбе при увеличении вертикальных нагрузок. Особенно ценны такие данные при изучении травм (переломов разных типов) и спондилолистеза.

По отзывам проходивших обследование, они не испытывают никаких болезненных ощущений. Самое большое впечатление на них производит шум, который создает аппаратура: «сильный стук в стенках тоннеля, как будто поблизости работает перфоратор». Это вращается подвижная деталь постоянного магнита.

Противопоказания

Однозначным препятствием проведению МРТ обследования является наличие в теле пациента имплантатов и устройств, содержащих металлы, в любой степени обладающие свойствами ферромагнетиков. Для информации: только чистый титан, применяющийся для создания вертебральных систем фиксации, не обладает магнитными свойствами.

Наличие в теле пациента кардиостимулятора, кохлеарного имплантата с электронным оборудованием и металлическими деталями сразу вызовет в магнитном поле возмущения, которые на томограмме создадут «артефакт». Кроме того, электронный аппарат выйдет из строя, причинив владельцу максимальный ущерб. К такому же результату приведет наличие в теле искусственных суставов, штифтов, скоб или даже осколков металла, оставшихся после ранения. Некоторые химические соединения, входящие в состав красок для татуажа, также обладают ферромагнитными свойствами (в частности, микроскопические частицы способны нагреваться в сильном магнитном поле, что приводит к ожогам глубоких слоев эпидермиса).

Во время обследования от пациента требуется максимальная неподвижность во время достаточно продолжительного времени. Препятствием к проведению МРТ может быть психическая нестабильность, определенные фобии (клаустрофобия, например), которые вызовут у обследуемого шоковое состояние, истерику, непроизвольную подвижность.

Для повышения качества изображения могут применяться контрастные вещества (соединения гадолиния), свойства которых еще не до конца изучены. Например, как они могут подействовать на развитие плода во время первых трех месяцев беременности. Поэтому не рекомендуется проводить обследования беременных женщин, требующие применения контрастных веществ. Кроме того, у людей, имеющих индивидуальную физиологическую непереносимость, эти препараты могут вызвать непредвиденную анафилактическую реакцию.

Совершенствование техники, использующей явление ядерно-магнитного резонанса, дает медикам, химикам и биологам мощный инструмент для исследования текущих процессов в живом организме и поиска патологий на самых ранних стадиях развития.

Статьи по теме