Ядерно магнітно-резонансна томографія. Фізичні основи мрт

Магніто-резонансні явища, їх застосування у медицині.

1. Розщеплення енергетичних рівніву магнітному полі. Ефект Зеємана.

2. Резонансні методи дослідження речовини.

3. Магнітний резонанс.

4. Електронний парамагнітний резонанс

5. Ядерний магнітний резонанс

6. Метод ЕПР у біології та медицині

1. Оскільки макроскопічні властивості магнетиків обумовлені їх будовою, розглянемо магнітні характеристикиелектронів, ядер, атомів та молекул, а також поведінка цих частинок у магнітному полі.

Сила струму, що відповідає руху електрона, що обертається з частотою, дорівнює

Де e-заряд електрона

Оскільки , то

Оскільки магнітний момент контуру зі струмом P=IS, то

(3)

Момент імпульсу електрона (1-й постулат Бора)

Відношення магнітного моменту частки до моменту імпульсу називають магніто-механічним

(4)

Магніто-механічне відношення виражають через множник Ланде g:

(5)

Електрон має також і власний момент імпульсу, який називається спином. Спину відповідає магнітний момент. Спинове і агніто-механічне співвідношення вдвічі більше орбітального:

(6)

Співвідношення (5) і (6) показують, що між магнітним і механічним моментом існує цілком певний «жорсткий» зв'язок, так як e і m e - величини постійні.

Розглянемо атом, вміщений у магнітне поле. Його енергія визначається за формулою

(7)

Де E 0 -енергія атома без магнітного поля

Магнетон Бора, g-множник Ланде,

В-індукція магнітного поля,

m j -магнітне квантове число.

Так як m j може набувати (2j+1) значень від +j до –j, то з (7) випливає, що кожен енергетичний рівень при поміщенні атома в магнітне поле розщеплюється на 2j+1 підрівнів. Це показано на рис. для j = 1/2.

Відстань між сусідніми підрівнями дорівнює

Розщеплення енергетичних рівнів призводить до розщеплення спектральних ліній атомів, поміщених у магнітне поле. Це явище називають ефектом Зеємана.

Запишемо (7) для двох підрівнів Е 1 і Е 2 утворених при накладенні магнітного поля:

, (9)

Е 01 та Е 02 -енергії атома за відсутності магнітного поля

Використовуючи умову частот, (9) можна записати

Де -частота спектральної лінії за відсутності магнітного поля, -розщеплення спектральної лінії магнітному полі.

Відповідно до правил відбору для магнітного квантового числа Це відповідає трьом можливим частотам:

Тобто. у магнітному полі спектральна лінія розщеплюється на триплет.

Примітка: у сучасній квантовій механіці стан руху електрона в атомі характеризується 4 квантовими числами.

Головне квантове число n = 1, - визначає рівні енергії електрона

Орбітальне квантове число l=0.1…n-1-характеризує момент імпульсу електрона L e щодо ядра:

Магнітне квантове число m j =0. всього 2l+1 значень. Воно визначає проекції орбітального моменту імпульсу на довільний напрямок z:

Основне квантове число ms приймає значення +1/2 і -1/2 і характеризує значення проекції спина:

2. Резонансні методи дослідження речовини, Маючи високу інформативність і точність, дозволяють досліджувати хімічний склад, симетрію, структуру, енергетичний спектр речовини, електричні, спін-орбітальні, магнітні, надтонкі взаємодії.

Слово «резонанс» у сенсі означає зростання відгуку коливальної системи на періодичний зовнішній вплив при зближенні частоти останнього з однією з частот власних коливаньсистеми.

Незважаючи на різну природу коливальних систем, які здатні резонувати, Загальна картинарезонансу зберігається: поблизу резонансу зростають амплітуда коливань та енергія, що передається коливальною системою ззовні.

Найбільш зручним та поширеним видом періодичного зовнішнього впливує е/м випромінювання.

p align="justify"> При квантовому описі коливальна система характеризується набором дозволених значень енергії (енергетичним спектром). Цей спектр для систем пов'язаних частинок може мати дискретний характер. Змінне е/м поле частоти можна як сукупність фотонів з енергією . При збігу енергії фотона з різницею енергій якихось двох рівнів настає резонанс, тобто. різко зростає кількість поглинаються системою фотонів, що викликають квантові переходиіз нижнього рівня E i на верхній E k .

Магнітний резонанс

Якщо опромінювати речовину змінним е/м полем, то за певної частоти відбуватиметься резонансне поглинання енергії е/м поля, яке можна виміряти експериментально. На практиці зручніше частоту змінного поля(задається генератором) зафіксувати, а змінювати величину постійного магнітного поя Н. Тоді резонанс настає при певному значенніполя Н, що й вимірюється. Це називається магнітним резонансом. Знаючи магнітний момент електрона, можна визначити частоту електронного резонансу. Залежно від типу частинок, що становлять резонуючу систему, розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) та ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

4. Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР)відкрито 1944 р. Е.К.Завойским щодо поглинання э/м енергії парамагнітними солями металів. Він зауважив, що монокристал CuCl 2 , поміщений у постійне магнітне поле 40 Гаус (4мТл), починає поглинати мікрохвильове випромінювання з частотою близько 133 МГц.

Доміжні парамагнітні іони, що спеціально вводяться в діамагнітні кристали, виявилися прекрасними зондами для вивчення методом ЕПР локальної структури і симетрії, природи. хімічних зв'язківдомішкового іона з кристалічним оточенням, електронно-коливальних взаємодій тощо.

Пристрій радіоспектрометра ЕПР багато в чому нагадує пристрій спектрофотометра для вимірювання оптичного поглинанняу видимій та ультрафіолетовій частинах спектру.

Випромінювання, що пройшло через вимірюваний зразок, в радіоспектрометрі і спетрофотометрі потрапляє на детектор, потім сигнал детектора посилюється і реєструється на самописці комп'ютера.

5. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)полягає у резонансному поглинанні е/м енергії, зумовленому магнетизмом ядер. Частота е/м поля, що викликає переходи між сусідніми рівнями визначається умовою частот Бору. При цьому стало можливим детектування сигналів від ядер, інтенсивність сигналів ЯМР яких набагато менше інтенсивності водневих сигналів.

Спектри ЯМР високої роздільної здатності зазвичай складаються з вузьких, добре дозволених ліній (сигналів), що відповідають магнітним ядрам у різному хімічному оточенні. Інтенсивності (площі) сигналів при записі спектрів пропорційні числу магнітних ядер у кожному угрупованні, що дає можливість проводити кількісний аналіз спектрів ЯМР без попереднього калібрування.

6. ЕПР у медицині та біології.

Сучасні ЕПР-спектрометри дозволяють вивчати парамагнітні молекули безпосередньо в процесі функціонування біологічних систем на різних рівнях їх структурно-функціональної організації, таких як молекули біополімерів, макромолекулярні комплекси та субклітинні структури, клітини, окремі органи тварин і рослин, а також цілі організми.

Широкі можливості методу ЕПР у медичної наукита практиці продемонстровані дослідженнями, що реєструють вільні радикали у різних клітинних суспензіях: м'язовій тканині, гіпофізі, щитовидній залозі, надниркових залозах, епітеліальних клітинах кришталика ока. Методом ЕПР було досліджено вплив деяких токсичних речовинна людину.

Особливий інтересдля медичної мікробіології можуть представляти дані про те, що на вміст вільних радикалів у тканинах, клітинах та біомокромолекулах істотно впливають малі кількості структурно пов'язаної водита кисень. Метод ЕПР використовувався для контролю за збереженням таких біологічних матеріалів, як кров, вакцини, сироватки, кровозамінники, харчові продукти. Ряд важких захворювань, таких як холера, цукровий діабет та ін, супроводжуються суттєвим зневодненням організму.

Особливий напрямок у застосуванні ЕПР – спектроскопії для біомедичних досліджень представляє так званий спін-імунологічний метод. Його з успіхом використовують для визначення малих кількостей наркотичних речовин у біологічних рідинах (сечі, крові, слині). На відміну від радіо-імунологічного сип-імунологічний метод не вимагає спеціального захисту для забезпечення безпеки, як це прийнято під час роботи з ізотопами.

У ряді робіт було показано можливості методу ЕПР для діагностики ішемічної хвороби серця. З використанням методу ЕПР можна діагностувати інсулінозалежний цукровий діабет за ступенем його тяжкості.

За допомогою методу ЕПР проводяться біодозиметричні обстеження населення, яке постраждав при радіоактивному забрудненні навколишнього середовища.

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) є одним з сучасних методівпроменевої діагностики, що дозволяє неінвазивно одержувати зображення внутрішніх структур тіла людини.

Метод був названий магнітно-резонансною томографією, а не ядерно-магнітною резонансною томографією (ЯМРТ) через негативні асоціації зі словом "ядерний" наприкінці 1970-х років. МРТ заснована на принципах ядерно-магнітного резонансу (ЯМР), метод спектроскопії, який використовується вченими для отримання даних про хімічні та фізичні властивості молекул.

МРТ отримала початок як метод томографічного відображення, що дає зображення ЯМР-сигналу з тонких зрізів, що проходять людське тіло. МРТ розвивалася від методу томографічного відображення методу об'ємного відображення.

Переваги МРТ

Найважливішою перевагою МРТ у порівнянні з іншими методами променевої діагностики є:
відсутність іонізуючого випромінювання та як наслідок ефектів канцеро- та мутагенезу, з ризиком виникнення яких пов'язаний (хоча і в дуже незначній мірі) вплив рентгенівського випромінювання.
МРТ дозволяє проводити дослідження у будь-яких площинах з урахуванням анатомічних особливостей тіла пацієнта, а за необхідності – отримувати тривимірні зображення для точної оцінки взаєморозташування різних структур.
МРТ має високу м'якоткану контрастність і дозволяє виявляти і характеризувати патологічні процеси, що розвиваються в різних органахта тканини тіла людини.
МРТ є єдиним методом неінвазивної діагностики, що має високу чутливість і специфічність при виявленні набряку та інфільтрації кісткової тканини.
розвиток МР-спектроскопії та дифузійної МРТ, а також створення нових органотропних контрастних препаратів є основою розвитку “молекулярної візуалізації” та дозволяє проводити гістохімічні дослідження in vivo.
МРТ краще візуалізує деякі структури головного та спинного мозку, а також інші нервові структури, у зв'язку з цим вона частіше використовується для діагностики ушкоджень, пухлинних утворень нервової системи, а також в онкології, коли необхідно визначити наявність та поширеність пухлинного процесу

Фізичні основиМРТ

В основі МРТ лежить феномен ядерно-магнітного резонансу, відкритий 1946г. фізиками Ф.Блохом та Е.Перселлом (Нобелівська премія з фізики, 1952р.). Суть цього феномена полягає у здатності ядер деяких елементів, що під впливом статичного магнітного поля, приймати енергію радіочастотного імпульсу. У 1973р. американський вчений П.Лотербур запропонував доповнити феномен ядерно-магнітного резонансу накладенням магнітних градієнтних полів для просторової локалізації сигналу. За допомогою протоколу реконструкції зображень, який використовувався на той час під час проведення комп'ютерної томографії (КТ), йому вдалося отримати першу МР-томограму. У наступні роки МРТ зазнала цілий ряд якісних перетворень, ставши в даний час найбільш складною та різноманітною методикою променевої діагностики. Принцип МРТ дозволяє отримувати сигнал від будь-яких ядер у тілі людини, але найбільшу клінічну значущість має оцінка розподілу протонів, що входять до складу біоорганічних сполук, що визначає високу м'якоткану контрастність методу, тобто. обстежити внутрішні органи.

Теоретично будь-які атоми, що містять непарне числопротонів та/або нейтронів, мають магнітні властивості. Перебуваючи у магнітному полі, вони орієнтуються вздовж його ліній. У разі застосування зовнішнього змінного електромагнітного поля, Атоми фактично є диполями, вибудовуються по нових лініях електромагнітного поля. При перебудові вздовж нових силових лінійядра генерують електромагнітний сигнал, який можна зареєструвати приймальною котушкою.

У фазу зникнення магнітного поля, ядра-диполі повертаються в початкове положення, при цьому швидкість повернення в початкове положення визначається двома тимчасовими константами Т1 і Т2:
Т1- це поздовжній (спин-решітковий) час, що відображає швидкість втрати енергії збудженими ядрами
Т2– це поперечний релаксаційний час, що залежить від швидкості, з якою збуджені ядра обмінюються енергією один з одним

Отриманий від тканин сигнал залежить від числа протонів (протонової щільності) та значень Т1 та Т2. Пульсові послідовності, що застосовуються при МРТ, призначені для кращого використаннявідмінностей тканин Т1 і Т2 з метою створення максимального контрасту між тканинами в нормі і патології.

МРТ дозволяє отримувати велика кількістьтипів зображень за допомогою пульсові послідовностіз різними часовими характеристиками електромагнітних імпульсів.

Пульсові інтервали будують таким чином, щоб сильніше підкреслювати відмінності Т1 і Т2. Найчастіше використовують послідовності "інверсія відновлення" (IR)і «Спинова луна» (SE)які залежать від протонної щільності.

Основним технічним параметром, що визначає діагностичні можливості МРТ, є напруженість магнітного поля, що вимірюється в Т(Тесла). Високопальні томографи (від 1 до 3 Т) дозволяють проводити найбільш широкий спектр досліджень всіх областей тіла людини, що включає функціональні дослідження, ангіографію, швидку томографію. Томографи цього рівня є високотехнологічними комплексами, вимагають постійного технічного контролю та великих фінансових витрат.

Навпаки, низькопідлогові томографизазвичай є економічними, компактними та менш вимогливими з технічної та експлуатаційної точок зору. Однак можливості візуалізації дрібних структур на низькопідлогових томографах обмежені нижчою просторовою роздільною здатністю, а спектр анатомічних областей, що обстежуються, переважно обмежений головним і спинним мозком, великими суглобами.

Обстеження однієї анатомічної галузі методом МРТ включаєвиконання кількох про імпульсних послідовностей. Різні імпульсні послідовності дозволяють отримати специфічні характеристики тканин людини, оцінити відносний вміст рідини, жиру, білкових структур або парамагнітних елементів (залізо, мідь, марганець та ін.).
Стандартні протоколи МРТ включають Т1-зважені зображення (чутливі до жиру чи крові)і Т2-зважені зображення (чутливі до набряку та інфільтрації)у двох-трьох площинах.

Структури, які практично не містять протонів(Кортикальна кістка, кальцифікати, фіброзно-хрящова тканина), а також артеріальний кровотік мають низьку інтенсивність сигналу і на Т1-, і на Т2-зважених зображеннях.

Час проведення дослідженнязазвичай становить від 20 до 40 хв залежно від анатомічної області та клінічної ситуації.

Точність діагностики та характеризації гіперваскулярних процесів(пухлини, запалення, судинні мальформації) може бути суттєво підвищена при використанні внутрішньовенного контрастного посилення. Багато патологічних процесів (наприклад, дрібні пухлини головного мозку) часто не виявляються без внутрішньовенного контрастування.

Основою для створення МР-контрастних препаратів став рідкісноземельний металгадоліній (препарат – магневіст). У чистому вигляді даний металмає високу токсичність, проте у формі хелату стає практично безпечним (у тому числі відсутня нефротоксичність). Побічні реакції виникають вкрай рідко (менше 1% випадків) і зазвичай мають легкий ступінь виразності (нудота, головний біль, печіння у місці ін'єкції, парестезії, запаморочення, висипання). При ниркової недостатностічастота побічних ефектівне збільшується.
Введення МР-контрастних препаратів при вагітності не рекомендується, оскільки невідома швидкість кліренсу з амніотичної рідини.

Розроблено та інші класи контрастних агнетів для МРТ, у тому числі – органспецифічніі внутрішньосудинні.

Обмеження та недоліки МРТ

Велика тривалість дослідження (від 20 до 40 хв)
обов'язковою умовою отримання якісних зображень є спокійний та нерухомий стан пацієнта, що визначає необхідність седації у неспокійних пацієнтів або застосування аналгетиків у пацієнтів з вираженим больовим синдромом
необхідність перебування пацієнта у незручному, нефізіологічному положенні при деяких спеціальних укладаннях (наприклад, при дослідженні плечового суглоба у великих пацієнтів)
страх замкнутого простору (клаустрофобія) може бути непереборною перешкодою для проведення обстеження
технічні обмеження, пов'язані з навантаженням на стіл томографа, під час обстеження пацієнтів із надмірною масою тіла (зазвичай понад 130 кг).
обмеженням до проведення дослідження може виявитися коло талії, несумісна з діаметром тунелю томографа (за винятком проведення обстеження на томографах відкритого типу з низькою напруженістю магнітного поля)
неможливість достовірного виявлення кальцинатів, оцінки мінеральної структурикісткової тканини (плоскі кістки, кортикальна платівка)
не дозволяє детально характеризувати паренхіму легень (у цій галузі вона поступається можливостям КТ)
значно в більшою мірою, ніж при КТ, виникають артефакти від руху (якість томограм може бути різко знижена через артефакт від руху пацієнта - дихання, серцебиття, пульсації судин, мимовільних рухів) та металевих об'єктів (фіксованих усередині тіла або в предметах одягу), а також від неправильного налаштування томографа
істотно обмежується поширення та впровадження даної методики дослідження через високу вартість самого обладнання (томографа, РЧ-котушок, програмного забезпечення, робочих станцій тощо) та його технічного обслуговування

Основними протипоказаннями до МРТ (магнітно-резонансної томографії) є:

абсолютні:
наявність штучних водіїв ритму
наявність великих металевих імплантантів, уламків
наявність металевих дужок, затискачів на кровоносних судинах
штучні серцеві клапани
штучні суглоби
вага хворого понад 160 кг

!!! Наявність металевих зубів, золотих ниток та іншого шовного та скріплюючого матеріалу протипоказанням до МРТ – дослідження не є, хоча знижують якість зображення.

відносні:
клаусторофобія – страх замкнутого простору
епілепсія, шизофренія
вагітність (перший триместр)
вкрай тяжкий стан хворого
неможливість для пацієнта зберігати нерухомість під час обстеження

Особливої ​​підготовки до проведення МРТ-дослідження здебільшого не потрібно, але при дослідженні серця та його судин волосся на грудях має бути поголено. При дослідженні органів малого тазу(сечовий міхур, простата) потрібно приходити з наповненим сечовим міхуром. органів черевної порожнинипроводяться натще.

!!! У приміщення МР-томографа не повинні вноситись жодні металеві об'єкти, оскільки вони можуть бути притягнуті магнітним полем з великою швидкістю, завдати травми пацієнту або медичному персоналу і надовго вивести з ладу томограф.

Ядерно-магнітний резонанс (ЯМР) – найбезпечніший діагностичний метод

Дякую

Загальні відомості

Застосування економіки та науці

Суть методу

Якщо ж раптово змінити напрямок поля, молекула води виділяє частинку електрики. Саме ці заряди фіксуються датчиками приладу та аналізуються комп'ютером. За інтенсивністю концентрації води в клітинах комп'ютер створює модель того органу або частини тіла, яка вивчається.

На виході лікар має монохромне зображення, на якому можна побачити тонкі зрізи органу у найдрібніших подробицях. За ступенем інформативності цей метод значно перевищує комп'ютерну томографію. Іноді деталей про досліджуваний орган видається навіть більше, ніж потрібно для діагностики.

Види магнітно-резонансної спектроскопії

• Біологічних рідин,
• внутрішніх органів.

Методика магнітно-резонансної перфузії дає можливість проконтролювати рух крові через тканини печінки та головного мозку.

На сьогоднішній день у медицині ширше використовується назва МРТ (Магнітно-резонансна томографія ), оскільки згадка ядерної реакції у назві лякає пацієнтів.

Показання

Протипоказання

Відносні протипоказання:
1. Стимулятори нервової системи
2. Інсулінові насоси,
3. Інші види внутрішніх вушних протезів,
4. Протези серцевих клапанів
5. Кровозупинні затискачі на інших органах,
6. Вагітність ( необхідно отримати висновок гінеколога),
7. Серцева недостатність у стадії декомпенсації,
8. Клаустрофобія ( страх замкнутого простору).

Підготовка до дослідження

Як проводиться дослідження?

Прилад є широкою трубою, в яку поміщають пацієнта в горизонтальному положенні. Пацієнт повинен зберігати повну нерухомість, інакше зображення не вийде досить чітким. Усередині труби не темно і є вентиляція припливу, так що умови для проходження процедури досить комфортні. Деякі установки здійснює відчутний гул, тоді досліджуваному обличчю надягають шумопоглинаючі навушники.

Тривалість обстеження може становити від 15 до 60 хвилин.
В деяких медичних центрахдозволяється, щоб у приміщенні, де проводиться дослідження, разом з пацієнтом знаходився його родич або супроводжуючий ( якщо у нього немає протипоказань).

У деяких медичних центрах анестезіолог проводить запровадження заспокійливих препаратів. Процедура в такому випадку переноситься набагато легше, особливо це стосується хворих, які страждають на клаустрофобію, маленьких дітей або пацієнтів, яким з якихось причин важко перебувати в нерухомому стані. Пацієнт впадає у стан лікувального снуі виходить із нього відпочилим і бадьорим. Препарати, що використовуються, швидко виводяться з організму і безпечні для пацієнта.

Результат обстеження готовий вже за 30 хвилин після закінчення процедури. Результат видається у вигляді DVD-диску, висновків лікаря та знімків.

Використання контрастної речовини при ЯМР

Протипоказання до використання контрастної речовини:

• Вагітність,
• Індивідуальна нестерпність компонентів контрастної речовини, виявлена ​​раніше.

Дослідження судин (магнітно-резонансна ангіографія)

Показання:

• Вроджені вади серця
• Аневризм , розшарування її,
• Стеноз судин,

Дослідження головного мозку

• основні судини шиї,
• кровоносні судини, які живлять головний мозок,
• тканини головного мозку,
• орбіти очних ямок,
• більш глибоко перебувають частини головного мозку ( мозок, епіфіз, гіпофіз, довгастий та проміжний відділи).

Функціональна ЯМР

Дослідження хребта

Можна обстежити весь хребет, а можна тільки відділ, що турбує: шийний, грудний, попереково-крижовий, а також окремо куприк. Так, при обстеженні шийного відділу можна виявити патології судин та хребців, що впливають на кровопостачання головного мозку.
При обстеженні поперекового відділу можна виявити міжхребцеві грижі, кісткові та хрящові шипи, а також утиски нервів.

Показання:

• Зміна форми міжхребцевих дисків, у тому числі грижі,
• Травми спини та хребта,
• Остеохондроз, дистрофічні та запальні процеси в кістках,
• Новоутворення.

Дослідження спинного мозку

Показання:

• Ймовірність новоутворень спинного мозку, осередкове ураження,
• Для контролю над заповненням спинномозкової рідиною порожнин спинного мозку,
• Кісти спинного мозку,
• Для контролю за відновленням після операцій,
• За ймовірності захворювань спинного мозку.

Дослідження суглобів

Використовується для діагностики:

• Хронічних артритів
• Травм сухожилля, м'язів і зв'язок ( особливо часто використовується у спортивній медицині),
• Переломів,
• Новоутворень м'яких тканин та кісток,
• Пошкоджень, які не виявляються іншими методами діагностики.

• Обстеження кульшових суглобів при остеомієліті, некрозі головки стегнової кістки, стресовому переломі, артриті септичного характеру,
• Обстеження колінних суглобів при стресових переломах, порушення цілісності деяких внутрішніх складових ( менісків, хрящів),
• Обстеження суглоба плеча при вивихах, утиску нервів, розриві капсули суглоба,
• Обстеження променево-зап'ясткового суглоба при порушенні стабільності, множинних переломах, утиску серединного нерва, пошкодженні зв'язок.

Дослідження скронево-нижньощелепного суглоба

Показання:

• Порушення рухливості нижньої щелепи,
• Клацання при відкриванні – закриванні рота,
• Болі у скроні при відкриванні – закриванні рота,
• Біль при промацуванні жувальної мускулатури,
• Біль у м'язах шиї та голови.

Дослідження внутрішніх органів черевної порожнини

• Неінфекційної жовтяниці
• Ймовірності новоутворення печінки, переродження, абсцесу, кіст, при цирозі,
• Як контроль над перебігом лікування,
• При травматичних розривах,
• Камені в жовчному міхурі або жовчних протоках,
• Панкреатите будь-якої форми,
• Можливості новоутворень,
• Ішемії органів паренхіми.

Обстеження нирок призначається при:

• Підозрі на новоутворення,
• Захворювання органів і тканин, що знаходяться біля нирок,
• Ймовірності порушення формування органів сечовиведення,
• У разі неможливості проведення екскреторної урографії.

Дослідження при захворюваннях системи відтворення

• Можливості новоутворення матки, сечового міхура, простати,
• травм,
• Новоутворення малого тазу для виявлення метастазів,
• Болях в області крижів,
• Везикуліть,
• Для дослідження стану лімфатичних вузлів.

За годину до дослідження небажано мочитися, оскільки зображення буде більш інформативним, якщо сечовий міхур дещо заповнений.

Дослідження під час вагітності

Запобіжні заходи

2. У приміщення, де знаходиться прилад, заборонено входити з металевими предметами та електронними приладами ( наприклад, годинником, прикрасами, ключами), оскільки в потужному електромагнітному полі електронні прилади можуть зламатися, а дрібні металеві предмети розлітатимуться. Водночас будуть отримані не зовсім коректні дані обстеження.

Фізичні основи МРТ

Для побудови будь-яких зображень необхідно виміряти і зіставити інтенсивність сигналу в кожній точці майбутнього зображення її координат (тобто розташування на зображенні) або, іншими словами, визначити розподіл інтенсивності цього сигналу в двовимірному (2D) або тривимірному (3D) просторі. При проведенні магнітно-резонансної томографії (МРТ) зображення зрізів організму одержують, вимірюючи розподіл сигналу ядер водню 1 H (протонів). Протони є складовоюпрактично всіх молекул організму людини і, насамперед, молекул води та жирової тканини. Молекули води в організмі можуть перебувати у вільному стані (позаклітинна та внутрішньоклітинна вода) та у зв'язаному стані (з іонами, вуглеводами, білками і навіть, за рахунок ентропійних сил, з ліпідами). Залежно від того, в якому стані знаходяться молекули води, сигнали протонів за тих самих умов вимірювання матимуть різні магнітні характеристики, що і визначить відносний контраст тканин на МРТ-зображенні. Вся складна система МР-томографа потрібна для вимірювання цього власного сигналу ядер водню тканин, що принципово відрізняє МРТ від більшості інших методів променевої діагностики і визначає її унікальне диференціально-діагностичне значення.

В основі магнітно-резонасної томографії (МРТ) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР) ядер водню. Протони мають спиномі, відповідно, магнітним моментом, як будь-які заряджені частинки, що рухаються. Найбільш наочна модель протона - це стрілка компаса, яка також має магнітний момент. Якщо компас помістити в магнітне поле Землі, його стрілка почне коливатися навколо напрями силових ліній цього поля. Те саме відбувається і з протонами. Коли пацієнта поміщають у однорідне магнітне поле МР-томографа ( клінічній практиційого напруженість має перевищувати 3,0 Тл), то ядра водню тканин організму взаємодіють із магнітним полем приладу. В результаті магнітні моменти або спинипротонів орієнтуються під певним кутом до напрямку силових ліній магнітного поля (див. рис. 2.1.1-Б), подібно до того, як це відбувається в магнітному полі Землі зі стрілкою компаса, і починають обертатися ( прецесувати) із частотою, яка, як і кут відхилення спинів від напрямку силових ліній магнітного поля a o, прямопропорційна напруженості поля B oі називається частотою прецесії,частотою Ларморуабо резонансною частотою(Таблиця 2.1.1). В результаті весь зразок намагнічується, тобто виникає сумарна намагніченістьзразка паралельна осі, спрямованої вздовж силових ліній магнітного поля (зазвичай її позначають як вісь Z), яку називають поздовжньою намагніченістю.

Таблиця 2.1.1. Частота прецесії ядер водню 1 Н за різних напруженостей магнітного поля МРТ-систем.

Якщо, потім в зазор магніту подати радіочастотний імпульс E 0із частотою w, що дорівнює частоті Лармору (часто позначається як резонансна частота w o), то прецесуючі ядра водню зможуть поглинути енергію цього радіочастотного імпульсу, внаслідок чого кут відхилення aїх магнітних моментіввід напрямку силових ліній магнітного поля МР-томографа зміниться, так як за рахунок цієї додаткової поглиненої енергії ядра набудуть здатність протистояти впливу магнітного поля приладу. Залежно від тривалості дії збуджуючого радіочастотного імпульсу кут відхилення спинів по відношенню до початкового напрямку Daможе становити, наприклад, 90 про або 180 про: Такі радіочастотні імпульси називають відповідно 90-градусними або 180-градусними. При цьому сумарний вектор поздовжньої намагніченості зразка (осі Z, Спрямованою вздовж силових ліній магнітного поля) зміниться (частіше – зменшиться) на величину, яка залежить від тривалості дії радіочастотного імпульсу. Так як вихідно (до приміщення в магнітне поле томографа) магнітні моменти ядер водню були спрямовані хаотично - в різні боки (рис.2.1.1-А), то і після їхнього потрапляння в магнітне поле (рис.2.1.1 АÒБ), спини хоч і обертаються за конусом, орієнтованим у напрямку силових ліній магнітного поля, але їх прецесія здійснюється асинхронно(або некогерентно), тобто з різною фазою fпрецесії (рис.2.1.1-Б). В результаті, в кожний момент часу для будь-якого спина направленого в одну зі сторін є інший аналогічний спин зі зворотним (протилежним) напрямком. Таким чином, сумарний вектор намагніченості зразка у площині перпендикулярної осі. Z, спрямованої вздовж силових ліній магнітного поля, що зазвичай позначається як площина XY, Дорівнює нулю (рис.2.1.1-Б).

Малюнок 2.1.1. Загальна схемаотримання сигналу ядерного магнітного резонансу як спаду вільної індукції (пояснення у тексті).

На наступному етапі зразок за допомогою передавальної котушкиопромінюють радіочастотним полем E 0, частота якого (її ще називають резонансною частотою МРТ-системи) (рис.2.1.1 БÒВ) зазвичай становить кілька десятків мегагерц (табл. 2.1.1).

За рахунок дії радіочастотного імпульсу обертання всіх спинів синхронізується(стають когерентними), тобто їх фаза fстає однаковою f=f 0, і в площині XYвиникає сумарний сигнал магнітних моментів ядер водню або поперечна сумарна намагніченістьзразка (рис.2.1.1-В). Якщо у просвіті магніту розміщено приймальна радіочастотна котушка(радіоантена), здатна виміряти радіосигнал у цій площині, то обертання сумарного вектора намагніченості зразка в площині XYвикличе виникнення у приймальній котушці змінного струму, який може бути зафіксований. Вимірювання електричних коливань після вимкнення збудливого радіочастотного імупльсу таким прийомним контуром фактично означає вимірювання сигналу ЯМР протонів тканин організму. Сам сигнал магнітного резонансу ядер водню (його ще називають сигналом вільної індукції або ССІ (рис. 2.1.1-В) має загасаючий характер, який відображає повернення спинової системи до вихідного (до подачі збуджуючого радіочастотного імпульсу) стану, тобто відбувається ЯМР-релаксація(рис.2.1.1 ВÒБ) магнітноактивних ядер: за рахунок розсіювання накопиченої енергії в оточення спинів, зване ґратами, до вихідного значення повертається кут відхилення спинів ( спин-решіткова релаксація) і порушується взаємна синхронізація обертання спинів, тобто взаємини між окремими спинами ( спин-спинова релаксація). Зазначені процеси кількісно характеризуються часом спін-решіткової Т 1або спин-спінової Т 2 релаксації, а точніше швидкостями спін-решіткової W 1або спін-спиновий W 2 релаксації. Часи релаксації в тканинах залежать від температури, рухливості ядер водню (у рідинах вони довші, ніж у м'яких тканинах) та від наявності парамагнітних або феромагнітних релаксаційних центрів (що більша концентрація таких парамагнітних або феромагнітних речовинтим коротше вермена релаксації ядер водню). Час спін-спінової релаксації Т 2 також залежить ще й від мікрокружіння протонів (рН, йонної сили розчину і т.д.), що робить цю характеристику протонів тканин більш чутливою до розвитку патологічного процесу, ніж час Т 1 . Зазначимо, що час релаксації тканин організму людини залежать і від віку. При мієлінізації головного мозку людини протягом першого року життя співвідношення часів релаксації сірої та білої речовини мозку змінюється на зворотне, яке зберігається потім протягом усього життя (рис. 2.1.2): часи релаксації білої речовини головного мозку новонародженого більше, ніж у сірого а вже у віці старше 1 року біла речовина головного мозку релаксує швидше.

Малюнок 2.1.2. Часи релаксації білої та сірої речовини головного мозку протягом життя людини зменшуються. Звернути увагу варто на перехрестя рівнів часів релаксації в перший рік життя.

Самі часи релаксації з віком зменшуються, причому вміст води в головному мозку зменшується з 93-95% відразу після народження до 82-84% до кінця другого року життя.

Отже, резонансна частота всіх ядер водню об'єкта w oмайже однакова і прямопропорційна велич напруженості магнітного поля B o. Якщо в цих умовах по одній з осей створити магнітне поле, напруженість якого буде лінійно змінюватися вздовж цієї осі, то частота прецесії протонів wбуде лінійно пов'язана з їх розташуванням (координатою) обраної осі. Тобто буде здійснено частотне просторове кодування положення точокпо одній із осей (рис. 2.1.3). Таку лінійну зміну магнітного поля створюють накладенням додаткового градієнтного магнітного поля Gабо, іншими словами, включенням градієнта магнітного поляу певному напрямку.

Щоб дізнатися резонансну частоту протонів wвиміряний змінний ССІ (ЯМР-сигнал) обробляють, використовуючи перетворення Фур'є (Fourier Transformationабо FT). Фур'є-перетвореннядозволяє з'ясувати конкретний внесок ядер з різними резонансними частотами у формуванні отриманого вимірювання ЯМР-сигналу. В результаті такої обробки замість залежності виміряної амплітуди загасаючого ЯМР-сигналу від часу виходить розподіл вкладів (кількості) магнітних ядер від їхньої резонансної частоти. Такий розподіл називається спектром ЯМР. Амплітуда піку (точніше площа під кривою спектральної лінії) прямопропорційна концентрації ядер з цією частотою прецесії, а положення піку на спектрі однозначно визначається частотою цієї прецесії. Самі часи релаксації з віком зменшуються, причому вміст води в головному мозку зменшується з 93-95% відразу після народження до 82-84% до кінця другого року життя.

Малюнок 2.1.3. Увімкнення градієнта магнітного поля Gу напрямі «голова-ноги» призводить до того, що частота протонів кожного шару (зрізу) у цьому напрямі відрізняється один від одного на величину Dwпропорційну величині зміни магнітного поля DG. Резонансна частота w oзалишається колишньою лише в одному шарі. В результаті по резонансній частоті протонів шару можна точно визначити його розташування за напрямом зміни напруженості магнітного поля, тобто його координату по цій осі.

Малюнок 2.1.4. При вимірі ЯМР-сигналу трьох однакових об'єктів, розташованих по-різному на осі X, без градієнта магнітного поля ( А) отримуємо однорідний ЯМР-сигнал, який після Фур'є-перетворення, дасть одну спектральну лінію (пік) великої апмлітуди (резонансна частота одна і та ж у всіх трьох зразків). У присутності градієнта магнітного поля ( Б) кожен із зразків матиме свій пік (свою частоту) на спектрі у відповідності з їх розташуванням вздовж осі X. Аплітка кожного з піків буде втричі менше, ніж амплітуда великого піку на діапазоні до включення градієнта.

Фактично просторове частотне кодування дозволяє отримати одну з проекцій майбутнього зображення об'єкта, а точніше розподіл ЯМР-сигналу по одній з осей тривимірного простору за рахунок формування ЯМР-спектру. Так, якщо розмістити в постійному магнітному полі три однакові пробірки з водою в ряд по осі X(Рис. 2.1.4 - А), то на ЯМР-спектрі буде отримано один пік, що містить ЯМР-сигнали всіх трьох пробірок, так як їх резонансна частота буде однакова. При створенні лінійної зміни магнітного поля по цій осі на ЯМР-спектрі будуть отримані три піки, взаємне розташуванняяких однозначно відображатиме розташування пробірок по осі X(Рис. 2.1.4 - Б). Таким чином, ЯМР-спектр буде «проекцією» розташування пробірок по осі. X.

Змінюючи напрямок градієнта магнітного поля по всьому тривимірному простору, можна отримати цілу серію таких «проекцій» (рис.2.1.5), за якими (як у рентгенівській комп'ютерній томографії) можна відновити зображення об'єктів (метод зворотних проекцій). Однак така процедура вимагатиме дуже великого часу, тому що в кожній з трьох площин необхідно буде отримати безліч проекцій: треба пройти від 0 до 180 о з кроком порядку 1-2 про, який, взагалі кажучи, буде залежати від заданого дозволу.

Малюнок 2.1.5. Отримання ЯМР-спектрів з двох осей Xі Y(А) дозволяє визначити розташування об'єктів на площині XY. Багаторазове повторенняцієї процедури в усіх напрямках (Б) дасть можливість визначити форму вихідних об'єктів.

У той же час, включення градієнта магнітного поля впливає не тільки на резонансну частоту ядер. w, але і на їхню фазу f. За рахунок цього ефекту в присутності градієнта магнітного поля розфазування спинів відбувається набагато швидше, тобто спин-спинова релаксація прискорюється. В той же час швидкість зміни фази спинів безпосередньо залежить від величини магнітного поля в даній точці, а це означає, що конкретна фаза спинів у напрямку дії градієнта магнітного поля залежить від їхнього розташування в просторі (рис.2.1.6).

Малюнок 2.1.6. За відсутності градієнта магнітного поля зміни фази (А) незначні. При постійній тривалості дії градієнта магнітного поля, змінюючи його полярність (Б) або амплітуду (В), можна керувати величиною фазового кута.

Внаслідок дії цього фазокодуючого градієнтафазовий кут спинів містить інформацію про координати ядер у просторі за напрямом його дії, а сама процедура може бути використана для фазового просторового кодування.

Таким чином, за допомогою частотногота/або фазовогопросторового кодуванняможна однозначно зіставити амплітуду ЯМР сигналу тієї чи іншої точки з її координатами у просторі.

Однак, вимірювання ССІ в умовах градієнтних магнітних полів має певні технічні труднощі, так як цей сигнал дуже слабкий і відносно швидко згасає (через прискорену спінову релаксацію). Для того, щоб його виміряти в цих умовах, доводиться повторно формувати цей сигнал за наявності градієтнів магнітних полів. Існують два способи формування такого сигналу: за допомогою одержання спінової луни або формуючи градієнтну луну.

Спінова лунаформується за рахунок включення через деякий час t після подачі першого збуджуючого радіочастотного 90 -імпульсу додаткового 180 про -імпульсу, який «розвертає» релаксуючі спини на 180 про, і вони виявляються дзеркально відбитими по відношенню до площини XY(в цю площину спини повертаються після подачі 90 про -імпульсу), де через час t спини знову зберуться, формуючи сигнал спинової луна. При цьому вплив на релаксацію неоднорідності магнітного поля нівелюється. Найбільш вдалою аналогією поведінки спинів може бути приклад з бігунами (рис.2.1.7), які після старту (збудливий 90 про -імпульс) біжать з різною швидкістю (швидкість спін-спінової релаксації та дія неоднорідності поля).

Малюнок 2.1.7. Отримання спинового луна: всі учасники (спини) стартують одночасно (після 90 про -імпульсу) і віддаляються один від дурга за рахунок різної швидкості бігу (спін-спінової релаксації та неоднорідності магнітного поля). «Збираючий» 180 про імпульс дзеркально відображає учасників забігу щодо лінії старту, і швидші бігуни наздоженуть повільніших тільки на лінії старту.

Однак після « дзеркального відображення» («збирає» 180 про -імпульс) по відношенню до лінії старту (площина XY) ті з бігунів, які були швидше і втекли далі, виявляються далі від лінії старту і наздоганяють повільніших. Враховуючи, що всі фактори, що впливали на біг спортсменів при їхньому старті, продовжують діяти в тому ж напрямку і після відбиття, їхня дія на швидкість бігу нівелюється, і бігуни досягають лінії старту одночасно.

Градієнтна лунаодержують різко змінюючи полярність градієнта магнітного поля, внаслідок чого змінюється на протилежний напрямокрелаксації спинів, при цьому швидко релаксуючі (через спін-спінову релаксацію та дії градієнта та неоднорідності магнітного поля) спини виявляються далі від вихідного становища, До якого через зміну напряму прагнуть спини. При цьому вплив градієнтів та недонорідності магнітного поля не тільки не нівелюється, а й додатково прискорює поперчену релаксацію ядер. У вже наведеній аналогії з бігунами (рис. 2.1.8) після старту (збудливий радіочастинний імпульс) відстань між учасниками забігу збільшується за рахунок різної швидкості (швидкість спінової релаксації та дія неоднорідності магнітного поля).

Малюнок 2.1.8. Отримання градієнтної відлуння: всі учасники (спини) стартують одночасно (збудливий радіочастотний імпульс) і віддаляються один від дурга за рахунок різної швидкості бігу (спін-спінової релаксації та неоднорідності магнітного поля). Після розвороту бігунів дома (перемикання знака градієнта) швидші бігуни виявляються далі від лінії старту, ніж повільні. В результаті швидкі спортсмени наздоженуть повільніших лише на лінії старту.

У деякий момент (перемикання полярності градієнта) бігуни розвертаються на місці і біжать назад до лінії старту, при цьому швидші спортсмени виявляються за повільнішими і змушені їх наздоганяти. У цьому випадку фактори, що «заважають» бігу, діють у різних напрямкахі не нівелюються: наприклад, якщо вітер до розвороту дув у спину, то при бігу в зворотний бікдутиме в обличчя. Завдяки зміні напрямку релаксації збудливий радіочастотний імпульс при формуванні градієнтної луни може бути менше 90 про, що є необхідною умовоюпри використанні спінової луни. Радіочастотні імпульси та імпульсний градієнт магнітного поля включаються в певному порядку, що отримав назву імпульсної послідовності (ІП). Час від одного збудливого радіочастотного імпульсу до іншого(тобто від одного пакету імпульсівдо початку іншого) називають часом повторення (Repetition Timeабо TR). Час від початку релаксації спинів до максимального значеннялуна-сигналуназивають часом луна (Echo Time або TE).При порівнянні імпульсних послідовностей спинової луна та градієнтна луна (рис. 2.1.9) звертає увагу, що за рахунок більш швидкої релаксаціїградієнтна луна дозволяє використовувати більше короткі часи TRі TE.

Малюнок 2.1.9. Після подачі збудливого 90 про -імпульсу сигнал спинної луна формується через час TEза рахунок включення 180 про радіочастотний імпульс ( А). При градієнтному луні джерелом формування луна-сигналу є зміна полярності градієнта ( Б).

Незалежно від обраного способу отримання луна-сигналу для формування повноцінного зображення при магнітно-резонансної томографії (МРТ) необхідно отримати інформацію про розподіл ЯМР-сигналу, який буде являти собою той чи інший луна-сигнал, в кожній точці тривимірного простору. При 2D МРТ спочатку збуджують один зріз (див. рис. 2.1.10), за рахунок подачі селективного збудливого радіочастотного імпульсу в присутності зрізу градієнта магнітного поля.Чим більша величина градієнта магнітного поля, тим тонше буде товщина зрізу і менше співвідношення сигнал/шум. Збільшення кількості зрізів збільшить час дослідження.

Малюнок 2.1.10. Внаслідок включення селективного збудливого радіочастотного імпульсу з частотою wпро у присутності градієнта магнітного поля G проу напрямі «голова-ноги» протони тільки одного зрізу формуватимуть ЯМР-сигнал, тому що тільки для цього зрізу є точна відповідність умовам магнітного резонансу – тільки його частота дорівнює wо. Для вимірювання сигналу сусіднього зрізу слід повторити процедуру, змінивши величину градієнта магнітного поля.

Малюнок 2.1.11. Для отримання повноцінного двовимірного МРТ зображення використовується подача трьох градієнтних імпульсних магнітного поля в трьох взаємно перпендикулярних напрямках:

А.Для збудження протонів обраного зрізу спільно з збуджуючим 90 про радіочастотним імпульсом з частотою wпро вмикається імпульсний зрезвибираючий градієнт, що створює умови для ЯМР на частоті wтільки в одному з зрізів (позначено стрілками). Потім, подаючи в перепендикулярному один одному напрямку імпульсні фазокодуючий і частотнокодуючий градієнти магнітного поля, вимірюють ЯМР-сигнал кожної точки цього зрізу окремо. Для цього вимірювання за допомогою 180 про радіочастотного імпульсу і нового імпульсу зрізу градієнта формують сигнал спинового луна, фіксація величини якого відбувається в присутності імпульсного частотнокодуючого градієнта магнітного поля.

Б. Двовимірний розподілточок зрізу отримують за рахунок одночасного включення в перепендикулярному один одному напрямках фазокодуючого і частотнокодуючого градієнтів магнітного поля, в результаті чого кожна точка цього зрізу отримує свій фазовий кут і частоту, що однозначно визначають її розповсюдження в зрізі.

Після вибору зрізу в перпендикулярній площиніподаються фазокодуючий(або готуючий) та частотнокодуючий(або зчитуючий) градієнти (рис. 2.1.11-А), які дозволяють однозначно пов'язати (закодувати) виміряні ехо-сигнали з їх розподілом у вибраному зрізі. Внаслідок дії фазокодуючого градієнтапротони у вибраному зрізі розташовані у різних рядках або шарах мають різний фазовий кут, а за рахунок частотнокодуючого градієнтау перпендикулярному напрямку (за довжиною цього «фазово-однорідного» рядка) частота протонів лінійно змінюється відповідно до величини градієнта (рис.2.1.11-Б). Для отримання інформації про всі рядки зрізу необхідно повторювати всю процедуру в залежності від обраної матриці накопичення в напрямку дії градієнта фазокодуючого магнітного поля (наприклад, при матриці МР-томограми розмірністю 256х256 пікселів або пікселнеобхідно проведення 256 циклів для кожного зрізу), що суттєво подовжує час дослідження. Але при цьому чим більше фазокодуючих циклів доводиться проводити, тим вище буде відношення сигнал/шум.

Розмірність матриці накопичення за напрямком частотнокодуючого градієнта прямо не впливає на час дослідження, але при її збільшенні зменшується відношення сигнал/шум, що вимагає більшого числанакопичень, а значить і більшого часу. Вся отримана інформація після двовимірного перетворення Фур'є подається у вигляді ряду (відповідно до обраної кількості зрізів) 2D томограм. Крім того, час накопичення очевидно залежить і від кількості зрізів, тому що для отримання зображень всіх зрізів процедуру слід повторити відповідно до цього числа.