• магнит, который создает магнитное (статическое) поле;
• РЧ-система, используемая для возбуждения и обнаружения сигналов ядерной индукции;
• система градиентов для пространственного кодирования;
• компьютер для управления томографом, сбора данных, реконструкции изображений и постобработки.
а) Магнит. В клинической МРТ используют магниты с силой (индукцией) магнитного поля в диапазоне от 0,02 до 3 Тл. Существуют также специальные системы с индукцией поля до 9,4 Тл (магнитное поле Земли - примерно 0,00005 Тл). Насколько известно на современном уровне знании, воздействие статического магнитного поля до 7 Тл не сопровождается побочными эффектами.
С увеличением индукции поля сила ядерной намагниченности также увеличивается (см. уравнение 2) вместе с соотношением С/Ш. Одновременно удлиняется время релаксации Т1 (это означает увеличение времени сбора данных), тогда как относительная разница значений Т1 между тканями становится меньше (меньше контрастность).
Негомогенность поля, обусловленная эффектами восприимчивости, также возрастает с увеличением В0, следовательно, для пространственного кодирования должны использоваться более сильные градиенты поля. Наконец, требования к мощности РЧ-системы растут почти в квадратичной зависимости от силы поля. Так как химический сдвиг также растет, более высокие значения В0 предпочтительны для MP-спектроскопии, но неблагоприятны для томографии вследствие более выраженных артефактов.
Основной критерий качества магнита — гомогенность поля. Негомогенность поля (укорочение Т2*) ведет к потере сигнала, особенно при EPI и GRE, а также к смазанности изображений и искажениям. Гомогенность поля улучшают посредством шиммирующих катушек, создавая дополнительные магнитные поля, которые накладываются на главное поле.
Индукция статического поля не падает круто до нуля вне туннеля магнита, но снижается постепенно, с увеличением расстояния. Поля рассеивания оказывают воздействие на магнитные объекты (эффект снаряда) и могут смещать металлические имплантаты. Пороговое значение силы магнитного поля для пациентов с водителями сердечного ритма составляет 0,5 мТл.
1. Типы магнитов. Для создания магнитного поля могут быть использованы три типа магнитов (табл. 5).
• Сверхпроводящие магниты (см. рис. 1) основаны на том, что некоторые сплавы (например, сплав ниобия и титана) имеют нулевое электрическое сопротивление при очень низких температурах. Поле В0 создается соленоидной катушкой, в витках которой протекает постоянный ток без сопротивления при отсутствии внешнего источника питания.
Рисунок 1. а, b. Типы магнитов.
а Сверхпроводящий магнит для сканирования всего тела (3 Тл; Intera Achieva, Philips).
b Постоянный магнит открытого типа (0,2 Тл; Magnetom Concerto, Siemens).
Эта катушка постоянно охлаждается жидким гелием (температура кипения 4,2 К), чтобы поддержать сверхпроводимость. Катушка заключена в высоковакуумном криостате, который изолирован и защищен против радиации. Чтобы свести к минимуму обусловленные испарением потери, современные магниты оборудованы криорефрижератором (охлаждающей головкой), который стабилизирует температуру оболочки магнита примерно при 20 К.
Такой магнит не может быть выключен быстро. Когда теряется сверхпроводимость, происходит квенч - повышается электрическое сопротивление, создающее препятствие току в катушке. Быстрое уменьшение электрического тока с последующей потерей индуктивности магнитного поля создает значительное выделение тепла с быстрым выкипанием гелия. Причинами квенча могут быть нарушения функционирования охлаждающей системы, механические вибрации или наведенные поля.
• В резистивных магнитах главное поле создается электрическим током, протекающим в витках обычной индуктивной катушки. Высокое потребление мощности (>15 кВт) требует эффективной системы водяного охлаждения. Требования к питанию и охлаждению ограничивают силу поля резистивного магнита практически до 0,3 Тл (см. рис. 1).
• Постоянный магнит имеет полюса, сделанные из ферромагнитных материалов, соединенные железным стержнем. В результате этого масса магнита для томографа всего тела превышает 10 т. Постоянные магниты не могут быть выключены (рис. 1).
б) Система градиентов. Для получения MP-изображения используется набор из трех ортогональных катушек для создания градиентных полей. Современные усилители градиентов на томографах для всего тела могут обеспечить при токе в несколько сотен ампер силу градиента 40 мТл/м с коротким временем подъема (200 мкс). Переключения градиентов генерируют механические силы, которые создают сильные акустические шумы в магните.
Чтобы предотвратить нарушения слуха, пациенту должны предоставляться беруши, ограничивающие уровень шума на уровне ушей пациента до максимального значения 99 дБ (А).
При включении и выключении градиентов они наводят вихревые токи в окружающих проводниках (например, криостате), которые могут в свою очередь создавать изменяющиеся во времени магнитные поля. Эти дополнительные поля могут искажать форму волны градиента и изменять гомогенность магнитного поля, приводя к ухудшению качества изображений. Эффективное подавление или компенсация вихревых токов могут быть достигнуты путем активного экранирования системы градиентов или использования более высокого электрического предусиления в усилителях градиентов.
Переключение градиентов вызывает изменения магнитного поля во времени (dB/dt), которые наводят электрическое поле в теле пациента. При достаточной силе этого поля оно может раздражать периферические нервы и проводящую систему сердца. Уровень dB dt автоматически мониторируется томографом, чтобы не допустить превышения рекомендуемого предела 20 Тл/с для системы градиентов томографа для всего тела (IEC - Международная электротехническая комиссия, 2008).
в) Радиочастотная система. РЧ-система состоит из передающего и приемного усилителей и РЧ-катушек. Интерференция с приемом радиосигналов томографом или с внешними сигналами предотвращается посредством ограждения томографа клеткой Фарадея.
В системах для всего тела в стенки туннеля магнита встраивается катушка адекватных размеров (часто - циркулярно поляризованный резонатор типа «птичьей клетки»). Качество изображения гораздо меньше зависит от силы сигнала, чем от соотношения С/Ш (или от соотношения К/Ш). Один из источников шума — тепловые движения электронов в приемной катушке. Кроме того, РЧ-импульсы наводят вихревые токи в биологических тканях вследствие содержания в них электролитов, и тем самым главным источником шума становится сам пациент.
Так как в амплитуду шума вносит вклад весь объем приемной катушки, соотношение С/Ш можно оптимизировать выбором адекватной катушки (рис. 2; другие специальные катушки описаны в отдельных статьях на сайте - просим Вас пользоваться формой поиска по сайту выше).
Рисунок 2. a-c Различные типы катушек (Siemens).
а Циркулярно поляризованная катушка для головы в виде «птичьей клетки» (фотография S.Liebig).
b Катушка для головы с распределенной фазой.
c Катушка для туловища с распределенной фазой.
Исследования периферических областей проводятся посредством поверхностных катушек, которые закрепляются над исследуемой областью. Часто такие катушки функционируют только как приемные, в то время как возбуждающие импульсы исходят из катушки для тела. Катушки с распределенной фазой состоят из нескольких более мелких катушек, из которых каждая имеет собственный приемный канал. Эти катушки собирают отдельные сигналы, которые затем объединяются компьютером в целостное изображение.
Это позволяет исследовать большие области тела с высокой чувствительностью, обеспечивая в то же время возможность быстрого параллельного сбора данных.
Когда к тканям тела подаются РЧ-импульсы, их энергия в конце концов преобразуется в тепло. Эффект нагревания тканей можно определить, измеряя удельный коэффициент абсорбции (Specific Absorption Rate - SAR), который представляет собой поглощенную энергию на килограмм массы тела. SAR автоматически оценивается перед началом каждой ИП. Рекомендуемый безопасный уровень SAR для визуализации всего тела равен 2 Вт/кг, что соответствует максимальному повышению температуры всего тела на 0,5 °C.
г) Компьютер. Главный компьютер мониторирует управление пациентом, создание сигнала, сбор данных и документацию. В большинстве томографов имеются отдельные компьютеры и системы для разных импульсных программ, работающие в режиме реального времени. Такие системы создают возможность адаптации ИП в процессе изображения, а также онлайн-коррекции движений пациента.
Для трехмерного сбора данных и функциональных серий изображений особенно необходим компьютер с большой памятью и высокой скоростью передачи данных. Данные визуализации могут сохраняться на различных носителях информации (жесткий диск для внутренней памяти, компактные диски или оптические носители для постоянного архивирования). Исследование может быть документировано, например, посредством лазерной камеры.
