Клиническое применение

Лаборантам-технологам МРТ и КТ требуются глубокие знания анатомии (включающей анатомию сечений) для правильной ин­ терпретации изображений, получаемых при различных плоскос­ тях срезов. Основательное знание топографических костных ориентиров и локализации органов и сосудов дает, соответс­ твенно, возможность технологам определить, выполняется ли адекватное сканирование интересующей области.

Лаборантам-технологам МРТ необходимо понимать, как тех­ нические параметры исследования влияют на получение ответ­ ного сигнала. Эти техническое факторы влияют на контраст и пространственное разрешение изображения, поэтому технологу необходимо использовать свои знания для получения изображе­ ния оптимального качества.

КТ демонстрирует лучшую контрастность в изображении мяг­ ких тканей по сравнению с обычным рентгенографическим изоб­ ражением. Способность демонстрации контрастности мягких тка­ ней называется контрастным разрешением. Способ получения изображения в МРТ более чувствителен к молекулярной природе ткани и, таким образом, приводит к отличному контрастному раз­ решению, что и продемонстрировано на этих МР-томограммах. Например, методика МРТ чувствительна к незначительному раз­ личию в составе тканей нормального серого и белого вещества головного мозга. Поэтому при заболеваниях ЦНС более предпоч­ тительна МРТ, чем КТ, особенно при исследовании патологичес­ ких состояний белого вещества головного мозга.

Метод КТ и обычная рентгенография измеряют коэффициент ослабления рентгеновского пучка, а МРТ использует методику, ко­ торая заставляет атомные ядра организма излучать радиосигнал, который регистрируется «антенной» или «приемной катушкой».

Нормальная и патологическая ткань имеют различные маг­ нитные свойства и излучают различные по интенсивности ра­ диосигналы, что и делает возможной диагностику. Поскольку в этом случае не используется ионизирующее излучение, МРТ считается более безопасной методикой, чем КТ, если говорить о биологическом повреждении ткани. Однако к МРТ тоже су­ ществует ряд противопоказаний, о чем будет сказано ниже.

Физические принципы МРТ

Физические принципы МРТ основаны на том, что ядра атомов тканей тела могут поглощать и ответно излучать радиоволны определенной частоты, когда эти ядра находятся под воздейс­ твием внешнего мaгнитного поля. Эти ответные радиосигналы регистрируются приемником или антенной и содержат инфор­ мацию о тканях тела. Электрические сигналы, зарегистрирован­ ные антенной, обрабатываются аналого-цифровым преобразо­ вателем (ЛЦП) и передаются на компьютер, где математическим способом из этих данных формируется изображение.

Основные компоненты МРТ сканера представлены на рис. 24-23 и будут детально рассматриваться ниже в этой главе. Однако до начала изучения компонентов МРТ сканера обсудим физические принципы МРТ.

Рис. 24-21. МР-томограмма в сагиттальной плоскости

Рис. 24-22. МР-томограмма в корональной плоскости

Рис. 24-23. Схема устройства МР-томографа

Книга рекомендована к покупке и прочтению разделом по лучевой диагностике сайта https://meduniver.com/

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕР С МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ (ОСНОВЫ МРТ)

При рентгенографии происходит взаимодействие рентгеновс­ ких лучей с электронами, окружающими ядра атомов, в то время как при МРТ происходит взаимодействие радиоволн (и статичес­ ких магнитных полей) непосредственно с атомным ядром. Не все ядра реагируют на мaгнитное поле. Перечень ядер атомов, обра­ зующих человеческий организм и которые могут быть использо­ ваны для MPT-диагностики (имеющих нечетное число протонов или нейтронов), представлен справа. Практически изо всего спис­ ка используется только ядро атома водорода (состоит из одного протона и одного нейтрона1).

Причина этoгo предпочтения состоит в том, что водород в большом количестве содержится в любом организме, так как каждая молекула воды содержит 2 атома водорода, а тело чело­ века приблизительно на 85% состоит из воды. Водород также со­ держится в составе многих других молекул. Таким образом, один кубический сантиметр воды содержит около 1022 атомов водоро­ да, который способен принимать и излучать радиоволны. Более удобного атома для MPT-диагностики в теле человека нет.

ПРЕЦЕССИЯ

Магнитно резонансная визуализация возможна вследствие фи­ зического эффекта — прецессии ядер вокруг вектора напряжен­ ности сильного статического (постоянного) магнитного поля. Явление прецессии возникает всякий раз, когда вращающийся объект подвержен действию внешней силы. Три примера пре­ цессии показаны на рис. 24-24. Вертящийся волчок при воздейс­ твии силы гравитации испытывает прецессионное движение или колеблется около линии, определяемой направлением силы тя­ готения. При МРТ вращающийся2 протон (ядро водорода) пре­ цессирует в сильном магнитном поле. Третьим примером являет­ ся планета Земля, которая совершает прецессионное движение под воздействием гравитационных сил Солнца и планет.

Скорость прецессии протона в магнитном поле увеличивает­ ся по мере увеличения силы магнитного поля. Скорость прецес­ сии протонов в MPT-системе очень велика. Протоны в системе слабого магнитного поля могут совершать прецессионное дви­ жение с частотой в 5 МГц3 (см. рис. 24-24), вертящийся волчок совершает прецессионное движение с частотой 1 Гц, а Земля совершает только 0,004 цикла прецессии в столетие.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОСИГНАЛА С ПРЕЦЕССИРУЮЩИМ ЯДРОМ

На ядро, прецессирующее в приложенном магнитном поле, можно воздействовать внешним переменным электромагнит­ ным полем (радиоволной). Воздействие радиочастотного излу­ чения увеличивает угол наклона оси прецессии ядра. Величина этого угла зависит от частоты, интенсивности, продолжитель­ ности и направления внешнего переменного электромагнитного поля (радиоволны).

На рис. 24-25 показано, как достаточно длительное воздейс­ твие радиочастотного излучения отклоняет ось прецессии от почти вертикального направления (параллельного направлению статического магнитного поля) до горизонтального (под пря­ мым углом к статическому магнитному полю).

Длительность импульса, изменяющего направление оси пре­ цессии, очень невелика и составляет доли секунды. Эту фазу MPT-исследования можно назвать фазой «посылки» МР-сигнала.

1Ядро дейтерия имеет два нейтрона, а трития - три. — Ред.

2Элементарные частицы в случае атомного ядра это нуклоны — протон и нейтрон) обладают квантово-механическим параметром — спином, который

имеет в классической физике аналог — вращательный момент. Это позволяет авторам упрощенно представлять ядро как вращающийся объект во внешнем поле. — Ред.

3 Из уравнения Лармора следует, что частота прецессии для ядер водорода составляет 42,58 МГц/Тесла. — Ред.

ЯДРА, ПОДХОДЯЩИЕ ДЛЯ МРТ

1	Н	Водород
1
13	С	Углерод
6
14	N	Азот
7
17	О	Кислород
8
39	К	Калий
19
19	F	Фтор
9
23	Na	Натрий
11
31	Р	Фосфор
15

Прецессия Прецессия

	Вращение	Вращение
	Прецессия
	1 цикл в секунду	0,004 цикла в столетие
		Вращение

5000 000 циклов в секунду

Рис. 24-24. Примеры прецессионного движения

	Посылка радиосигнала	Прием
		радио­
		сигнала

Рис. 24-25. Радиоволны увеличивают угол прецессии

РЕЗОНАНС 1

Радиоволны воздействуют на прецессирующие ядра вследс­ твие совпадения частоты этого излучения с собственной часто­ той прецессии. Такое совпадение воздействующей силы с собс­ твенной частотой системы называется резонансом. Примером резонанса могут служить качели. Чтобы увеличить амплитуду качания, нужно, чтобы раскачивающий качели человек толкал их в соответствии с собственной частотой качания качелей (рис. 24-26). Воздействие энергии другой частоты не окажет на сис­ тему никакого воздействия. Таким образом, частота радиоволн должна быть в резонансе с частотой прецессирующего ядра. Принцип резонанса объясняет, почему мы используем радио­ частотные волны с частотой прецессии ядра водорода для по­ лучения эффекта ядерного магнитного резонанса.

РЕГИСТРАЦИЯ МР-СИГНАЛА ОТ ТКАНЕЙ ТЕЛА

После выключения внешнего электромагнитного сигнала ядра возвращаются в свое первоначальное положение и при этом из­ лучают электромагнитные волны. Эти радиоволны улавливают­ ся антенной или принимающей катушкой во время фазы регист­ рации МР-сигнала (рис. 24-27). Электрический сигнал, получен­ ный принимающей катушкой, пересылается в компьютер, где и происходит математическая реконструкция полученных данных в изображение. Для этого используются различные математи­ ческие методики, некоторые из которых аналогичны тем, кото­ рые используются в КТ.

Антенна регистрирует не только полезный сигнал, но и так называемый шум. Коэффициент отношения интенсивности по­ лезного сигнала к интенсивности шумов влияет на качество по лучаемого МРТ-изображения.

РЕЛАКСАЦИЯ

Когда подан радиочастотный импульс, то ядра прецессируют в одной фазе. После отключения радиочастотного импульса ядра начинают возвращаться к первоначальному энергетичес­ кому состоянию. Этот процесс называется релаксацией. По ме­ ре того как ядра возвращаются в первоначальное состояние, МРТ-сигнал затухает.

Скорость релаксации дает информацию о состоянии ткани и позволяет выявить патологический процесс в тканях. Таким об­ разом, релаксация влияет на вид MPT-изображения. Релаксация может быть разделена на два типа, как показано на рис. 24-28. Они называются Т1- и Т2-релаксация.

1 Приложение внешнего статического магнитного поля вызывает поляриза­ цию ядер, примерно половина ядер водорода выстраивается по полю.

При 1,5 Тесла на каждые 2 миллиона ядер водорода группа атомов водо­ рода, выровненных по полю, примерно на 10 штук больше другой группы, которая выровнена против поля. При этом на 1 мм3 воды количество прото­ нов, выровненных по полю, будет на 3 х 1015 больше, чем тех, что против поля. Эти ядра находятся на энергетическом уровне, который немного ниже, чем ядра, выровненные против поля (с житейской точки зрения выстраи­ ваться по полю легче).

Если переменное электромагнитное поле (радиочастотный сигнал) имеет час­ тоту Лармора (см. прим. на cтp. 760), то ядра, прецессирующие вокруг век­ тора напряженности магнитного поля, смогут поглотить энергию радиоволны и перейти на более высокий энергетический уровень, то есть развернуться против поля. Это и есть эффект ядерного магнитного резонанса. — Ред.

Резонанс

Передача энергии требует согласованной частоты

Рис. 24-26. Пример резонанса

Формирование МР-сигнала

Рис. 24-27. Формирование МР-сигнала

Не в плоскости

Не в фазе

	Поперечная	Продольная
	«спин-спин»
		«спин-решеточная»
	релаксация Т2
		релаксация Т1

Рис. 24-28. Два типа релаксации

Книга рекомендована к покупке и прочтению разделом по лучевой диагностике сайта https://meduniver.com/

Т1-релаксация. Этот вид релаксации происходит, когда спины1 ядер начинают прецессировать на всё меньшие и меньшие углы и переходят из состояния горизонтальной или поперечной прецес­ сии в более вертикальную (риc. 24-29). Этот процесс называют продольной или спин-решеточной релаксацией (T1), она приво­ дит к уменьшению интенсивности МР-сигнала. Время, необходи­ мое для уменьшения этого сигнала до 37% от его максимального значения, обозначают как T1 (рис. 24-29).

Т2-релаксация. Когда спины1 ядер начинают прецессировать не

вфазе друг с другом результатом является поперечная или спинспиновая релаксация, которую называют Т2-релаксацией. Как показано на рис. 24-30, ядра изображены «в фазе» в начале про­ цесса и «не в фазе» — в конце (см. направления стрелок). Во вре­ мя Т2-релаксации интенсивность МР-сигнала уменьшается. Время, требующееся для уменьшения МР-сигнала до 37% от его максимального значения, обозначается как Т2 (см. рис. 24-29).

Отношение времен релаксации Т1 и Т2 зависит от парамет­ ров радиосигнала (резонансной частоты) и составляет первич­ ную основу для реконструкции МРТ изображения. Однако тре­ тий фактор, спиновая плотность, также играет некоторую роль

вМРТ.

Спиновая плотность. Чем больше ядер водорода в объеме ткани, тем сильнее МР-сигнал. Однако «плотность протонов» или «спиновая плотность», является второстепенным факто­ ром при получении МРТ-изображения, так как все ткани ор­ ганизма имеют приблизительно одинаковую «спиновую плот­ ность». Более важным фактором является различное отно­ шение времен релаксации T1 и Т2, которое зависит от типа ткани.

РЕЗЮМЕ

Интенсивность МР-сигнала, регистрируемого антенной или при­ нимающей катушкой, используется как основа расчета степени яркости каждой точки изображения. Таким образом, различные значения показателей Т1, Т2 и спиновой плотности тканей транс­ формируются в различную яркость точек конечного изображе­ ния.

Первичными факторами, которые определяют силу сигнала и яркость каждой точки изображения или контрастность изобра­ жения, являются спиновая плотность и время релаксации Т1 и

Т2. Другие факторы, такие как скорость кровотока или наличие контрастных материалов, также имеют значение, но рассмотре­ ние их роли выходит за рамки этого предварительного обсуж­ дения.

Магнитно-резонансная томография — фундаментально от­ личный от других метод визуализации. Например, внешний вид изображения в рентгенографии определяется физической плотностью (грамм/см3) и ядерным весом атомов ткани. В рен­ тгенографии не играет роли скорость восстановления атомов после их взаимодействия с рентгеновскими лучами. Однако в МРТ скорость восстановления ядер после воздействия ра­ диоволн (скорость релаксации) является самым важным факто­ ром в формировании MPT-изображения, что и служит основой МРТ-визуализации, как показано на рис. 24-31. Высокая плот­ ность ткани, например костей, не влияет на контраст изображе­ ния в МРТ. Как видно на этой сагиттальной МР-томограмме го­ ловы, мягкие ткани — серое и белое вещество головного мозга, ствол головного мозга и мозолистое тело четко визуализируют­ ся вследствие различных времен релаксации ядер в этих тканях, о чем было сказано выше.

1 Спин — квантово-механический параметр ядра, который имеет в классичес­ кой физике аналог — вращательный момент. — Ред.

100%

37%

МР-сигнал

0%

Т1

Время

Рис. 24-29. Т1-релаксация (продольная или спин-решеточная)

100%

37%

0%

МР-сигнал

Т2

Время

Рис. 24-30. Т2-релаксация (поперечная или спин-спиновая)

Рис. 24-31. Сагиттальная МР-томограмма головы (Т1-взвешенное изображение)