а) Магнетики. Магнетизм — это свойство вещества, которое возникает в результате взаимодействия электронов (отрицательный заряд) с протонами (положительный заряд) в ядре атома. Электроны, вращающиеся на орбите, порождают магнитный момент атома, связанный с внутренним угловым моментом, который называется спином. Магнитный момент возникает при помещении объекта в магнитное поле. Все атомы выравниваются в направлении магнитной силы. Материалы, обладающие магнитными свойствами, могут мешать выполнению МРТ. Что же это за материалы?
1. Ферромагнетики обычно имеют в своем составе железо, никель или кобальт. В качестве примера ферромагнетиков можно привести магниты и различные предметы, которые могут быть обнаружены у пациента, например клипсы для аневризмы, кардиостимуляторы и т.д. Такие материалы обладают большой положительной магнитной восприимчивостью, то есть, когда они помещены в магнитное поле, напряженность его внутри материала намного выше, чем снаружи.
Ферромагнетики также имеют кластеры, включающие от 1017 до 1021 атомов, которые называются магнитными доменами. Все они имеют свои магнитные моменты, направленные в одном направлении. Момент доменов в немагнитных материалах случаен, а в магнетиках имеет одно направление. Способность материала оставаться намагниченным при устранении внешнего магнитного поля является отличительной особенностью по сравнению с парамагнитными, суперпарамагнитными и диамагнитными веществами.
Они вызывают артефакты магнитной восприимчивости, характеризующиеся потерей сигнала и пространственными искажениями MPT-изображений. Это может произойти даже с минимальными фрагментами изображения, которые очень трудно было бы увидеть на обзорной рентгенограмме.
2. Парамагнетиками являются кислород и ионы различных металлов, в частности железа (Fe), магния (Mg) и гадолиния (Gd). Эти ионы имеют неспаренные электроны, что приводит к положительной магнитной восприимчивости. Величина этой восприимчивости составляет менее 1/1000 от восприимчивости ферромагнетиков. Воздействие на МРТ увеличивается в скоростях релаксации Т1 и Т2 (уменьшается в Т1 и Т2 раз).
3. Суперпарамагнетики состоят из отдельных доменов элементов, в массе своей обладающих ферромагнитными свойствами. Значение их магнитной восприимчивости занимает промежуточное положение между таковой у ферромагнетиков и парамагнетиков. Суперпарамагнетиками являются, например, контрастные препараты, которые используются для визуализации кишечника, печени и лимфатических узлов.
4. Диамагнетики не обладают собственными атомными магнитными моментами, но при помещении их в магнитное поле они слабо отталкивают его, что приводит к небольшой отрицательной магнитной восприимчивости. Такими свойствами, например, обладают вода, медь, азот, сульфат бария и большинство тканей человеческого тела.
МРТ использует преимущество магнитных свойств ядер водорода (протонов) при исследовании молочной железы. Небольшая часть от общего количества протонов человеческого тела выравнивается внутри сильного магнитного поля в МР-томографе. Затем на протоны воздействует кратковременный импульс РЧ-энергии, который смещает их магнитные векторы. Когда протоны «расслабляются» и перестраиваются вдоль приложенного магнитного поля, высвобождается избыточная энергия.
Эта энергия, электромагнитный MP-сигнал, обнаруживается и обрабатывается электроникой для построения изображения, используя для создания контрастного снимка различные «времена релаксации», составляющие ткани молочной железы.
Водород, легкий газ (атомный номер 1), наиболее широко среди прочих (химических) элементов используется в МРТ. Он обладает электромагнитными свойствами (физика) и присутствует в воде, из которой на 60% состоят ткани тела человека (биология). Это лучший элемент для диагностического исследования при условии наличия правильных инструментов и умных технологий, позволяющих «уговорить» атомы водорода сигнализировать о наличии рака молочной железы.
На рис. 1 представлен набор иллюстраций, демонстрирующих использование природных свойств атома водорода для создания слабого магнитного сигнала, который при выполнении МРТ преобразуется в клинические изображения.
Рисунок 1. Общее представление о процессе магнитно-резонансной томографии (МРТ)
К этим свойствам относятся следующие.
1. Спин. Электрон, вращающийся вокруг своего протона. В двухфазном цикле резонанса и релаксации спин создает магнетизм в протоне ядра.
2. Магнитное ядро. В спине всегда участвует положительно заряженный протон.
3. Пауза продолжительностью 1 с. Продолжительность времени релаксации, не в фазе или не в фазе более медленного вращения с прецессией.
4. Притяжение к более сильному магнитному полю. Подобно тому, как вращающиеся в космосе тела (Солнце, Луна и планеты) влияют друг на друга, магнитное поле Земли влияет на естественно вращающийся атом водорода. Наиболее сильные колебания и магнитный сигнал возникают, когда он теряет когерентность во время фазы резонанса и падает под углом 90°.
5. Прецессионные колебательные движения. Атомы водорода колеблются. Иначе это явление называется прецессией. Они меняют ориентацию спина на противоположную, то есть они переворачиваются на 90 или 180°. Эти более значительные движения создают РЧ-сигналы.
Аппарат МРТ обнаруживает эти сигналы, излучаемые магнитным ядром протона во время его самого шумного миллисекундного пика резонансной фазы, непосредственно перед тем, как атом водорода восстанавливает свой естественный магнетизм и повторяет двухфазный цикл.
б) Оборудование для выполнения магнитно-резонансной томографии: охота на опухоль. Посмотрите на аппарат МРТ (рис. 2).
Рисунок 2. Аппарат магнитно-резонансной томографии с катушкой для молочной железы, расположенной на столе пациентки
1. Вы видите те его части, которые можно потрогать.
2. Теперь представьте, как эти реальные детали работают вместе с невидимыми — радиочастотными импульсами и магнитными сигналами.
3. Умные технологии — компьютерные алгоритмы, которые создают изображение исследуемых частей тела.
Аппарат МРТ — это нечто большее, чем большой шумный магнит с длинной трубой в его центре и подвижным столом для пациента. Миллионы пациентов благодаря функциональности этого прибора приобретают неоценимую пользу. Для них он стал самым прекрасным аппаратом на свете.
Система МРТ состоит из магнита и РЧ-системы специальных антенн. Антенны представляют собой петли из проводов, связанных вместе и объединенных в катушки (градиентные, радиочастотные и шиммирующие), которые отправляют и принимают радиосигналы между пациентом, детекторами сигналов и компьютером. Этот многосторонний обмен обеспечивает передачу информации о состоянии ядер водорода в организме человека. К другим компонентам относятся специализированные катушки меньшего размера, активный радиочастотный экран, источник питания, радиочастотный усилитель и синтезатор, зонды ЯМР (интерфейс приемной катушки), компьютер, дисплей (монитор) и холодильный агрегат (криогены).
Компьютеры в отделениях МРТ связаны с другими компьютерами, PACS и сетями для ведения административных и медицинских записей (рис. 3).
Рисунок 3. Аппарат магнитно-резонансной томографии: его компоненты и функции
1. Магниты. Магнит — самая большая и самая важная часть аппарата МРТ, поскольку его магнитная сила определяет технические возможности устройства. Для получения ценного с диагностической точки зрения изображения магнит должен обеспечивать в исследуемой области стабильное магнитное поле. В МРТ эта область магнетизма должна быть достаточно сильной, чтобы проникнуть через выбранный объем отображаемой части тела, а также чтобы обнаруживать слабые магнитные сигналы от протонов водорода в исследуемой области. При выполнении МРТ молочной железы этим требованиям соответствует магнит силой 1,5 Тл (15 000 Гс).
Аппарат МРТ концентрирует свою самую мощную силу внутри отверстия магнита, но при этом воздействует на все пространство внутри кабинета МРТ и прилегающие к нему области. При МРТ используются большие магниты в форме цилиндрической трубы. Их магнетизм создает магнитные полюса на обоих концах открытой трубы. На рис. 4 показано магнитное выравнивание в линейном потоке через трубку: выход с одного конца и возвращение по петле для повторного входа с другого. Эти линии представляют собой пути магнитных сил внутри и вокруг магнита и называются «магнитные линии». Магнитное поле аппарата выходит далеко за пределы открытой трубы аппарата МРТ.
Рисунок 4. Силовые линии магнитного поля. Линии потока показывают направление движения магнетизма: внутрь на южном полюсе и кнаружи на северном полюсе. Магнитное поле охватывает область внутри и вокруг магнита, на которую действует магнитная сила
Сверхпроводящие электромагниты чаще других используются в медицинских системах МРТ, поскольку они обладают достаточной мощностью и гибкостью и позволяют выполнять множество исследований различных типов практически любой части человеческого тела. Электромагниты состоят из длинного провода, по которому проходит ток, создающий магнитное поле. Это стандартная конструкция многих электромагнитных устройств, переносящих электричество. Законы электромагнетизма гласят, что движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитные поля.
Если бы этот тип магнита применялся для визуализации всего человеческого тела, аппарат МРТ оказался бы чрезмерно дорогим в эксплуатации без использования криогенов для охлаждения проводов магнита и значительного снижения электрического сопротивления. Криогены омывают провода и обеспечивают множество преимуществ, помимо более эффективного использования электроэнергии. Они также помогают поддерживать форму магнитного поля и однородность магнита.
2. Криогены: суперохладители. Существует три основных типа магнитов, которые используются в медицинских системах МРТ: резистивные, постоянные и сверхпроводящие, требования которых к электрической мощности различаются. Для МРТ молочной железы пригодны только сверхпроводящие магниты с минимальной напряженностью магнитного поля 1,5 Тл. Как правило, для получения медицинских изображений высокого разрешения требуется сильный магнит, который будет позволять постоянно находить и отображать магнитные ядра атома водорода.
В сверхпроводящих аппаратах МРТ напряженностью 1,5 Тл используются криогены: жидкий азот и (или) жидкий гелий внутри изолированного вакуума. Это промышленный вариант термоса. Криогены переохлаждают провода катушки (рис. 5). Изоляция удерживает криогены и первичные магнитные катушки внутри герметичной и экранированной области аппарата МРТ. Эффективность аппарата МРТ напряженностью 1,5 Тл больше. Провода залиты жидким гелием, температура которого -452,4°.
Рисунок 5. Магниты магнитно-резонансной томографии, расположенные в бассейне криогена. Когда витки проволоки, составляющие магнит, погружены в суперохлаждающие криогены при температуре -452,4° при 1,5 Тл, эффективность оборудования выше. При таких низких температурах сопротивление прохождению электричества по проводам практически отсутствует
Стоимость криогенов высока, их объем необходимо пополнять каждые 1-3 года в зависимости от интенсивности эксплуатации аппарата МРТ. Тем не менее эксплуатационные расходы для этого типа магнита ниже, чем для магнитов меньшей мощности, работающих от электричества, но без функции переохлаждения.
3. Линии магнитного потока и магнитная безопасность. Линии сверхпроводящего потока параллельны отверстию магнита и охватывают его; это магнитное поле за пределами отверстия магнита (см. рис. 4). Сильное магнитное поле за пределами аппарата МРТ может представлять потенциальную опасность для пациентов, персонала и посетителей медицинского учреждения. Как же контролировать невидимые линии магнитного потока в пределах медицинского учреждения? Обычные стены, окна или двери не помогут. Пограничные поля магнетизма сдерживаются несколькими типами экранов магнитного поля.
Без надлежащего магнитного экранирования пограничное поле от сильного магнита может выходить далеко за пределы кабинета МРТ. Много лет назад системы высокой напряженности поля устанавливали в огромных помещениях, примерно в 4 раза превышающих размеры современного кабинета МРТ. Влияние магнитного поля ослабевает с удалением от магнита. Большие кабинеты МРТ имеют пассивную защиту: стены, пол и потолок облицованы сталью. Обычно такая защита подразумевает единовременные затраты при строительстве. Это обеспечивает эффективную защиту в медицинских учреждениях, где пространство ограничено.
При активном экранировании используются небольшие магниты, расположенные вне бассейна криогена, которые ограничивают силовые линии магнитного поля и придают им определенное направление. Опция активного экранирования предусматривается производителем. Она позволяет устанавливать магниты МРТ в фургоны для выполнения мобильной визуализации и на временных объектах без пассивного экранирования.
4. Магнитные поля. Сильное магнитное поле внутри отверстия трубы аппарата МРТ воздействует на весь объем ее пространства, а не на конкретную точку. Для визуализации определенной части тела необходимо сфокусировать его на определенной области меньшей площади. Магнитные поля, используемые при визуализации, формируются меньшими по размеру специально предназначенными областями магнита, расположенными рядом с определенной частью тела, которую необходимо сканировать. Эти сфокусированные магнитные поля, несмотря на небольшой размер, достаточно мощные и позволяют обнаруживать сигналы от нескольких резонирующих протонов.
Небольшие магнитные поля определенного назначения создаются и формируются с помощью радиочастотных импульсов, которые передают закодированные протоколы градиентным катушкам внутри магнита. Магнитное поле «плотно прилегает» к пациенту. Оно дополняет последовательности импульсов, которые кодируют различные протоколы исследований (2D, 3D, объемные исследования), и упорно работает над выполнением цели сканирования. Шиммирующие катушки обеспечивают однородность магнитного поля во время исследований и при изменении последовательности импульсов (рис. 6).
Рисунок 6. Катушки магнитно-резонансной томографии: радиочастотные и градиентные. Градиентные и радиочастотные катушки формируют и фокусируют основное магнитное поле
5. Катушки. Все катушки представляют собой связанные петли проводов, по которым передаются РЧ-сигналы. Они являются частью ВЧ-системы. Каждый набор катушек играет определенную роль в обнаружении, манипулировании, передаче и обработке сигнала атома водорода, и все они принимают и отправляют данные через компьютер ВЧ-системы. Компьютер координирует данные, отправленные и полученные от катушек. РЧ-сигналы либо включены, либо выключены, они отправляются в любом случае.
В аппаратах МРТ используют катушки четырех основных типов: шиммирующие, градиентные, поверхностные и радиочастотные. Назначение этой системы проводов — обнаружение обмена энергией между спиновыми состояниями в ядрах водорода и создание изображения ядерного резонанса протонов.
РЧ-система отправляет и получает радиосигналы, которые:
• контролируют стабильность и гомогенность магнита (шиммирующие катушки);
• изменяют ее магнетизм, чтобы сформировать индивидуальные магнитные поля рядом с пациентом, чтобы довести до максимума получение сигнала при выполнении исследований и последовательностей импульсов (градиентные катушки, катушки X-Y-Z с выбираемой толщиной среза и исследования объема);
• получают/обнаруживают магнитные сигналы от протонов водорода (передатчик/приемник, по-верхность/тело, маммографические катушки);
• передают эти протонные сигналы на компьютер для обработки (РЧ-катушки).
Все это работа, выполняемая в течение одного дня. Все РЧ-катушки, независимо от их функции, отправляют информацию определенного характера на компьютер для последующего формирования изображения.
6. Градиенты. Градиенты представляют собой витки проволоки внутри магнита, которые постепенно изменяют форму сильного линейного магнитного поля внутри отверстия трубы МРТ. Существуют три независимых градиента. Они ориентированы в трех измерениях, X-Y-Z, что позволяет им влиять на изменения магнитного поля во время исследования. Кроме того, градиенты определяют ориентацию плоскости визуализации. Градиенты можно активировать независимо, попарно для исследования под углом или все одновременно для получения объемного изображения. Последнее может быть сформировано как из тонких, так и из толстых срезов.
Параллельный просмотр снимков, полученных при томографии с малой толщиной среза, в различных плоскостях в объеме исследуемой ткани подтверждает обоснованность использования специализированных катушек МРТ в диагностических целях, при планировании хирургического лечения и по другим показаниям (рис. 7).
Рисунок 7. Катушки градиента X-Y-Z. Катушки градиента находятся внутри магнита. Применяют переменные магнитные поля на усмотрение лаборанта магнитно-резонансной томографии. Различные комбинации градиентов создают разные изображения
Каким образом градиентные катушки функционируют вместе с магнитом напряженностью 1,5 Т? Помимо формирования послойных изображений, градиенты также могут влиять на смещение магнитного поля основного магнита от точки начала координат в центре отверстия. Магнитный изоцентр — это центральная точка магнитного поля. Это точка начала системы координат, расположенная в центре отверстия. При активации градиентных катушек магнитный центр, ориентированный по осям X-Y-Z, смещается в сторону того или иного отверстия трубы магнита.
Законы электромагнитной индукции гласят, что при прохождении тока через градиентную катушку происходит индукция магнитного или градиентного поля. Это градиентное поле взаимодействует с основным магнитным полем. Напряженность магнитного поля вдоль оси градиентной катушки изменяется линейно. Это означает, что в одном направлении от магнитного изоцентра происходит увеличение напряженности градиентного поля, в другом направлении оно, напротив, уменьшается (рис. 8).
Рисунок 8. Градиенты: перемещение изоцентра. Уравнение Лармора определяет обратную связь между радиочастотными (РЧ) сигналами и силой магнитного градиента. В одном направлении от магнитного изоцентра происходит увеличение напряженности градиентного поля, в другом направлении она, напротив, уменьшается
Градиенты используют изменения, обнаруженные в магнитной силе протонного сигнала, когда протон меняет свое состояние с низкой энергии на высокую и прецессирует. Уравнение Лармора гласит: «Частота обработки магнитных моментов увеличивается или уменьшается в зависимости от напряженности магнитного поля, воздействие которого они испытывают в разных точках градиента. Следовательно, частота прецессии увеличивается при возрастании напряженности магнитного поля и уменьшается при его уменьшении». Другими словами, частота прецессии равна напряженности магнитного поля магнита, умноженной на гиромагнитное отношение.
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.
7. Радиочастотная система и другие катушки. РЧ-катушки передают и принимают импульсы о начале и завершении сложных команд на магнит для сбора информации об исследуемой ткани. Они обеспечивают подключение к проводной сети для передачи информации о других функциях и действиях аппарата. Радиочастотная система состоит из синтезатора, усилителя и передатчика, обычно встроенного в систему МРТ (см. рис. 3).
Частота магнитного резонанса варьирует от 3 до 100 МГц. Мощность РЧ-передатчика может быть различной. Новые сканеры могут достигать пиковой мощности до 35 кВт и выдерживать среднюю мощность 1 кВт. Недавней разработкой в технологии МРТ стала сложная многоэлементная фазированная решетка: 18 катушек, способных параллельно получать несколько каналов данных. Эти приемо-передающие РЧ-катушки встроены в модуль МРТ.
Шиммирующие катушки обнаруживают неоднородность магнитного поля и корректируют его. Специальные катушки этой группы предназначены для выполнения определенной функции, например катушка «птичья клетка», которая создает однородное поле В1 при исследовании объемных объектов.
Поверхностные катушки. При МРТ молочной железы используется специальная поверхностная катушка, расположенная рядом с грудью, которая ограничивает движение и в то же время улавливает магнитный сигнал от протонов водорода. Зонды ЯМР, специализированные электронные устройства для считывания сигналов, — критически важный компонент оборудования, имеющего отношение к получению сигнала от протонов водорода. Частота РЧ и последовательность импульсов, выбранные для конкретного диагностического протокола, согласованы с РЧ от протонов и продолжительностью ожидаемого для объекта исследования периода релаксации.
Зонды предназначены для выполнения исследования конкретного типа, такого как объемное, 2D или 3D. Они в режиме реального времени получают сигналы, которые ядра возвращают в устройство для оцифровки, что позволяет получить точное изображение исследуемой ткани. Чувствительный объем катушки простирается до ее окружности на глубину, равную радиусу катушки. Таким образом, MP-катушки для исследования молочной железы могут получать сигналы от грудной стенки и подмышечной впадины пациентки. За пределами этой области при удалении от катушки происходит ослабление сигнала. Если в системе для передачи и приема используется поверхностная катушка, внешняя ткань возбуждается меньше, а качество изображения и S/N намного выше.
Использование катушки для всего тела для передачи сигнала может привести к появлению артефактов от сигнала, резонирующего с другой тканью в отверстии магнита, протоны которой также были возбуждены радиочастотным сигналом. Как правило, РЧ-возможности современных моделей рассчитаны только на передачу, прием или передачу и прием РЧ-сигнала (рис. 9).
Рисунок 9. Магнитно-резонансная катушка для молочной железы. Вид катушки для молочной железы
Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним
