а) Основы. Для того чтобы дифференцировать небольшие различия энергии фазы релаксации (с более низкой энергией) и фазы резонанса (с высокой энергией), МРТ использует свойство атомов, называемое спином. Это именно то, над чем усердно работает система MPT.
Атом водорода имеет один протон, положительно заряженную частицу в ядре, и один электрон, отрицательно заряженную частицу, вращающуюся вокруг его центра. Вместе они вращаются как стержневой магнит с положительно заряженным северным полюсом и отрицательно заряженным южным полюсом.
Во время двухфазного цикла, называемого резонансом и релаксацией, их связанный спин создает слабый магнетизм. Как это естественное свойство вращения можно использовать в МРТ? Рассмотрите части рис. 1.
Рисунок 1. Основы магнитно-резонансной томографии (МРТ). (А) В фазе низкой энергии (релаксации) электроны вращаются вокруг протона в ядре. (B) Атом водорода прецессирует вокруг магнитной оси. (C) При помещении в аппарат магнитно-резонансной томографии протоны выравниваются по направлению магнитного поля (магнитный момент). «Север» и «юг» выравнивают одинаковое количество протонов, поэтому эти силы нейтрализуют друг друга. Именно избыточные протоны в конечном итоге дают сигнал для создания изображения. (D) Блок магнитно-резонансной томографии испускает импульс, характерный для водорода; это заставляет протоны поглощать энергию, необходимую для прецессии в другом направлении (что порождает резонанс). Радиочастотный импульс заставляет избыточные протоны вращаться с определенной частотой (частотой Лармора) в определенном направлении. Когда радиочастотный импульс выключен, протоны возвращаются к своему естественному положению в магнитном поле и высвобождают избыточную энергию. Поверхностная катушка улавливает сигнал и отправляет его в компьютер для создания изображения
А. На нем изображены протоны водорода в их естественном состоянии свободного вращения. Ориентация каждого протона указывает на его северный полюс. Обратите внимание, что они могут свободно вращаться независимо друг от друга в магнитном поле Земли напряженностью 0,5 Гс, что равно напряженности 0,5 Тл при выполнении МРТ.
Б. Более сильное движение вращающегося протона называется прецессией. Эта схема иллюстрирует замедление вращения атома по спирали. Подобно волчку, который замедляется и качается, иногда он падает под углом 90 или 180°, меняя свою ориентацию.
По мере потери атомом энергии вращения и совершения им колебательных движений влияние на него более сильной магнитной силы Земли возрастает. Магнитная сила Земли прилагает крутящий момент к более медленно вращающемуся атому. Прецессирующий протон в противофазе создает слабый жужжащий шум — РЧ-сигнал.
В. Когда пациентку помещают в сильное магнитное поле аппарата МРТ напряженностью 1,5 Тл, в 3 раза превышающую силу магнитного поля Земли, происходит преодоление слабого магнетизма протона водорода. Протоны поддаются воздействию более сильного магнита МРТ и выстраиваются в параллельном или антипараллельном направлении оси магнита МРТ. Протоны удерживаются в стабильном состоянии [32, 35].
Г. При выравнивании ядер водорода радиочастотный передатчик бомбардирует протоны радиочастотным импульсом, который переворачивает протоны в перпендикулярном направлении или уводит их в сторону. При выключении РЧ-импульса протоны возвращаются в исходное выровненное состояние, возвращая энергию, которая использовалась для их выбивания.
Именно благодаря этому процессу включения и выключения РЧ-импульсов (импульсный цикл) становится возможным создание изображения. Продолжительность некоторых последовательностей РЧ-импульсов может составлять 10 мин и более. Доступ к слабому магнитному сигналу протона водорода в выбранных тканях осуществляется путем соответствующей РЧ, после чего этот сигнал используется для создания различных изображений, таких как 2D, 3D, объемные и (Т1, Т2, PD) проекцию максимальной интенсивности.
В результате формируется детальное изображение анатомических структур молочной железы.
Практикум. Опишите процесс, представленный на рис. 1.
Способность атома водорода к вращению и его двухфазный цикл — основа МРТ. В табл. 1 представлено подробное объяснение того, что происходит во время релаксации и резонанса.
Значение использования атома водорода состоит в плотности распределения атомов водорода внутри тканей тела, предсказуемости его цикла при медленных и быстрых вращениях, различиях во времени между циклами, особенно пауза в 1 с перед релаксацией, и, наконец, сигналах, которые он излучает, от изменений между потерей когерентности и возвращением в более сильное магнитное состояние перед началом следующего цикла. Сигнал — это РЧ.
При выключении РЧ-импульса колеблющееся магнитное поле индуцирует в приемной катушке небольшой ток. Этот сигнал называется сигналом свободной индукции. Для улавливающего микрофона его можно считать сигналом протона. Т1 — это мера времени от потери его магнетизма до нарастания его магнитного пика благодаря прецессии. Т2 — это кратчайшее время, в течение которого он вращается быстрее всего во время самого сильного колебания и во время отправки сигнала.
Ключевой стратегией МРТ является использование резонанса от потери фазы, который колеблется на одних частотах с большей амплитудой, чем на других. Увеличение мощности магнита МРТ усиливает сигнал. При напряженности 1,5 Т частота прецессии водорода составляет 63,86 МГц, при напряженности 1,0 Т — 42,57 МГц, при напряженности 0,5 Т — 21,28 МГц. Эти частоты называют резонансными. На этих частотах даже небольшие силы могут вызывать сильные вибрации.
Например, небольшие электрические разряды могут приводить к появлению громких и раздражающих статических помех в радиодинамике.
Сочетая в себе последовательности РЧ-импульсов и сильный магнетизм, аппарат МРТ обеспечивает очень умный, гибкий и практически неисчерпаемый доступ к использованию характеристик протона водорода для сканирования пациентов. Импульсы радиочастот атомов водорода при выполнении МРТ молочной железы находятся в диапазоне от 15 до 80 МГц, при этом частота наиболее используемых последовательностей близка к 63,87 МГц.
Последовательности импульсов могут быть отправлены в различных синхронизированных и (или) повторяющихся шаблонах, например в серии музыкальных нот. Краткий перечень последовательностей импульсов, часто используемых при МРТ молочной железы, приведен ниже. Они иллюстрируют богатство и возможности инноваций МРТ для извлечения информации из атомов водорода в различных типах тканей тела человека.
Следует помнить, что РЧ-импульсы передают различные инструкции через градиентные катушки, формируя, таким образом, рядом с пациентом магнитное поле и обеспечивая самое сильное магнитное притяжение от слабого магнетизма протона. Радиочастотные катушки отправляют последовательности импульсов для преобразования желаемого изображения в виде послойных изображений, 2D или 3D.
Взаимодействие между магнитом и РЧ-импульсами, а также возможность создавать новые комбинации импульсов поражают воображение. Это действительно высокопроизводительный интеллектуальный механизм.
В некотором смысле некорректно сравнивать стук аппарата МРТ с музыкой, но система МРТ действительно воспроизводит «музыку», которая спасает жизнь. Последовательность импульсов, как и хорошая музыкальная аранжировка, имеет свое конкретное предназначение.
Таким образом, последовательность импульсов продолжительностью несколько минут можно сравнить с исполнением песни с помощью выбранных РЧ-сигналов, отправленных в тщательно структурированном порядке, активированных в определенное время и продолжающихся в течение заданного временного промежутка с тонкими или глубоко продуманными нюансами, что позволяет в конечном итоге создать желаемое изображение.
Протоколы МРТ молочной железы сильно различаются. Для их упрощения и стандартизации создается множество коммерческих продуктов, книг, плакатов, диаграмм и компьютерных программ.
Еще одна попытка упростить и улучшить сложные варианты исследований — интервенционная МРТ в режиме реального времени, связанная с секвенированием импульсов. Известно, что радиологи экспериментируют и изменяют протоколы выполнения исследований, поэтому возможное их количество и варианты, используемые в различных учреждениях, могут различаться.
б) Последовательности импульсов и методы. Для начала рассмотрим основные последовательности импульсов Т1 и Т2. Следует отметить, что их значение различно для разных тканей: молочной железы, головного мозга, крови и т.д. Каждый тип ткани имеет свою собственную начальную и конечную точки фазовых изменений спинов протонов водорода. Для каждого из них требуются разные настройки РЧ и, возможно, отдельный специализированный зонд ЯМР.
Ниже приведен перечень самых распространенных последовательностей, используемых при МРТ молочной железы.
• Импульсный цикл — это повторяющийся блок, состоящий из серии одного или нескольких РЧ-импульсов с измерением одного или нескольких МР-сигналов.
• Последовательность импульсов — это серии импульсных циклов.
• Время повторения (time-to-repetition) — это промежуток времени между двумя последовательными импульсными циклами, который обычно измеряется в миллисекундах.
• Время появления эхосигнала (time-to-echo) — это промежуток времени от одноимпульсного цикла (или серии импульсов в более сложном импульсном цикле) до измерения МР-сигнала (эха), который обычно измеряется в миллисекундах.
• Релаксация — это процесс, который наступает после завершения РЧ-пульсации, в ходе которого физические изменения, наступившие под воздействием РЧ-импульсов, нивелируются, и происходит возвращение в состояние до начала воздействия.
• Восстановление Т1 вызвано тем, что ядра отдают свою энергию окружающей среде (решетке). Энергия, выделяемая в окружающую решетку, заставляет ядра восстанавливать свою продольную намагниченность (намагниченность в продольной плоскости). Скорость восстановления — это экспоненциальный процесс с постоянной времени восстановления, называемой Т1. Это время, необходимое для восстановления в ткани 63% продольной намагниченности.
• Т1-взвешенное изображение — это изображение, на котором контраст интенсивности между любыми двумя тканями в основном обусловлен способностями тканей к релаксации Т1. Для того чтобы получить Т1-взвешенное изображение, используют короткое время появления эхосигнала, что позволяет исключить влияние Т2, и короткое время повторения, чтобы сохранить влияние Т1.
• Затухание Т2 происходит из-за обмена энергией между соседними ядрами. Обмен энергией вызван магнитным полем каждого из ядер, взаимодействующего со своим соседом. Затухание Т2 приводит в затуханию или потере поперечной намагниченности (намагничивании поперечной плоскости).
• Т2-взвешенное изображение — это изображение, на котором контраст интенсивности между любыми двумя тканями в основном обусловлен способностями тканей к релаксации Т2.
• Двухмерная визуализация — метод получения послойных изображений. Обычно между срезами остается минимальное расстояние. При возбуждении ткани на определенной частоте линейный наклон градиента кодирует ее пространственный сигнал, позволяя тем самым получать изображение среза ткани в заранее определенном месте.
• Трехмерная визуализация — метод получения объемных изображений. Этот объем может быть разделен на срезы любой толщины в любой плоскости. Этот метод применим для изображений высокого разрешения с небольшой толщиной срезов. Он также позволяет вручную манипулировать изображениями как трехмерными объектами в зависимости от возможностей программного обеспечения системы. Этот метод может оказаться полезным при планировании хирургического лечения.
• Последовательность спин-эха — чтобы получить Т2-взвешенное изображение, используют продолжительное время появления эхосигнала, что позволяет исключить влияние Т1, и продолжительное время повторения, чтобы сохранить влияние Т2. Спин-эхо — наиболее часто используемая последовательность импульсов. Для получения Т1-взвешенных изображений возможна настройка синхронизации последовательности импульсов.
Последовательности двойных и множественных эхосигналов могут использоваться для одновременного получения изображений, соответствующих по плотности протонов, и Т2-взвешенных изображений. На рис. 2 представлена взаимосвязь импульсов в последовательности спин-эха.
Рисунок 2. Методы подавления сигнала. Импульсный цикл быстрого спин-эха
Интерес представляют две переменные последовательностей спин-эха: время повторения и время появления эхосигнала. Все последовательности спин-эха включают импульс выборочного среза под углом 90°, за которым следует один или несколько импульсов перефокусировки под углом 180° (см. рис. 2).
в) Импульсный цикл эхоградиента. В сравнении с последовательностями спин-эха эхоградиент подразумевает ряд вариаций. Так, путем добавления градиентов дефазировки или перефазировки в конце последовательности изменяется исходная последовательность. Кроме того, существует значимая дополнительная переменная, которую необходимо указывать для таких показателей, как время повторения и время появления эхосигнала. Она называется «угол (или вершина) поворота спинов».
Для исходной последовательности градиент-эха, представленной на рис. 3, большие углы поворота обеспечивают большее значение Т2-взвешенности изображения, а меньшие — Т1-взвешенности.
Рисунок 3. Импульсный цикл эхоградиента
Существуют два важных условия, которые делают МРТ очень полезным исследованием и одновременно очень сложным. Во-первых, разные типы тканей будут по-разному демонстрировать разные значения Т1 и Т2. Например, значение Т1 и Т2 серого вещества головного мозга отличается от такового для крови или костной ткани. С помощью трех переменных (протонная плотность, значения Т1 и Т2) создается изображение высокого разрешения.
Кроме того, состояние протонов водорода в пораженной ткани отличается от состояния здоровой ткани того же типа, что делает МРТ особенно ценным исследованием для обнаружения опухолей и других патологических очагов. Для того чтобы воспользоваться всеми преимуществами МРТ, требуются большая осторожность, определенные навыки и опыт. Последовательности импульсов претерпевают эволюцию с постоянным появлением новых и новаторских схем сбора данных.
г) Методы подавления сигнала. Протоколы МРТ могут адаптировать последовательности импульсов для подавления захвата ткани, чтобы разрешить большее влияние со стороны другой, например разделение жировой ткани/жидкости, которое используется при оценке кист или имплантата.
д) Методы насыщения сигнала от жировой ткани. Насыщение сигнала от жировой ткани (или его подавление) в МРТ имеет множество точек приложения. Однако самой важной из них является дифференцировка жирового и нежирового компонентов опухоли. Подавление сигнала от жировой ткани или его насыщение может быть достигнуто многими способами.
При Т2-взвешенной или Т2-визуализации используется в основном изменение фазы эхосигнала (известное также как изменение фазы градиентного момента). Этот метод уменьшает артефакты от дефазировки интравокселя, позволяя получить второй и последующие эхосигналы, кратные первому.
При Т1-взвешенной визуализации используется в основном предварительное насыщение. При этом, чтобы свести к нулю сигнал от жировой ткани, используются дополнительные РЧ-импульсы. Система генерирует большой импульс насыщения на резонансной частоте жировой ткани относительно напряженности поля системы и на основе резонансной частоты воды: при 1,5 Тл жировая ткань резонирует с частотой 220 Гц от пика воды. При 1,0 Тл это происходит с частотой 147 Гц, а при 0,5 Тл — 73 Гц (рис. 4).
Рисунок 4. Подавление сигнала от жировой ткани. (А) Без подавления. Это изображение позволяет легко понять, почему подавление сигнала от жировой ткани облегчает обнаружение очагов поражений. (B) Спектрально-селективное подавление сигнала от жировой ткани. Теперь увидеть опухоль просто
Другие методы включают в том числе следующие варианты:
е) Методы субтракции. Субтракция — это метод постобработки, который включает наложение изображения без контраста на изображение исследуемой области, полученное при контрастировании. Компьютер выравнивает изображения и вычитает изображение до введения контраста из изображения после его введения. В результате видимыми остаются только области с усилением. На рис. 5 приведена иллюстрация метода реконструкции с субтракцией. Полученное лаборантом изображение передается радиологу для последующего описания.
Рисунок 5. Увеличение опухоли, продемонстрированное с помощью субтракции. Изображения до и после введения контраста накладывались друг на друга, и компьютер вычитал одни и те же области, чтобы дифференцируемая опухоль лучше визуализировалась. Увеличение опухоли выполнено с помощью описанного ранее метода субтракции
Обычно MPT-исследования интерпретируются при сравнении их с маммограммами пациентки, результатами УЗИ и любыми другими предыдущими снимками, визуализирующими молочные железы.
Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним
