Магнитно-резонансная томография – МРТ

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.
к содержанию ↑

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.

МРТ

МРТ

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.

МРТ

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.

МРТ

Самое мощное поле создается сверхпроводящими магнитами. Большой кольцевой магнит, создающий постоянное поле, погружен в герметичный сосуд, наполненный сжиженным гелием (t= -269оС). 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.

МРТ

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».
к содержанию ↑

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.

МРТ

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 90о);
  • время релаксации Т2 (спин-спиновая, поворот оси вращения протона на 180о);
  • 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.

МРТ

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.

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

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.mrt-pozvonoch

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 90о, 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.

МРТ
к содержанию ↑

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.

МРТ

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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *