Главная страница
qrcode

Лекция Магнитно-резонансная томография


НазваниеЛекция Магнитно-резонансная томография
Дата14.11.2019
Размер2.05 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файла1. Магнитно-резонансная томография.docx
ТипЛекция
#65113
Каталог

Лекция 1. Магнитно-резонансная томография
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - метод лучевой диагностики, основанный на получении послойных и объемных изображений тела с помощью ядерного магнитного резонанса.

С 70-х годов, когда принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) впервые стали использовать для исследования человеческого тела, и до сегодняшних дней этот метод медицинской визуализации неузнаваемо изменился и продолжает быстро развиваться. Совершенствуется не только техническое и программное обеспечение, но и методики получения изображений, а также специальные контрастные препараты. Все это позволяет постоянно находить новые сферы применения МРТ. Если сначала область ее использования ограничивалась лишь исследованиями центральной нервной системы, то сейчас ее успешно применяют и в других областях медицины.

Появление МРТ стало возможным после ряда открытий, сделанных учеными-физиками. В 1946 г. двое исследователей из США - Феликс Блох и Эдвард М. Парселл - описали физико-химическое явление, основанное на магнитных свойствах некоторых ядер периодической системы Менделеева и названное «ядерным магнитным резонансом» (ЯМР). В 1952 г. за это открытие оба ученых получили Нобелевскую премию по физике. Известно, что известный советский физик Е. К. Завойский (1907-1976), работавший в Казани и открывший электронный парамагнитный резонанс (1944), в своих экспериментах в 1940-1941 гг. получил также и сигнал ЯМР. Однако из-за несовершенства оборудования и ограничений в финансировании ему не удалось развить это направление, и в дальнейшем он занялся другими областями физики. Вторая мировая война и отсутствие публикаций в западной научной литературе помешали оценить этот период работы Е. К. Завойского, который лишь недавно получил должное признание в мире.

Феномен ЯМР в течение долгого времени использовали физики, химики и биологи. На его основе была создана методика магнитно-резонансной спектроскопии (МРС), позволяющая на основании спектров оценивать in vivo и in vitro наличие и содержание различных веществ в органах и тканях. Однако в те годы исследователям не удавалось локализовать сигнал ЯМР в пространстве, поэтому получить изображение было практически невозможно.

В 1971 г. физик П. Лаутербур из Нью-Йоркского университета (США) предложил методику пространственной локализации MP-сигнала, основанную на использовании слабых градиентных магнитных полей и метода восстановления изображений по обратным проекциям, который уже применяли в КТ. На получение первого изображения ушло 4 ч 45 мин. Через год были получены первые томограммы животных и человека.

Потребовалось 8 лет для появления в клинике первых МР-томографов для исследования всего тела (1980).

После включения ЯМР в число методов лучевой диагностики прилагательное «ядерный» было исключено, чтобы оно не ассоциировалось у населения с ядерным оружием или ядерными электростанциями, с которыми ЯМР не имеет ничего общего. В связи с этим в наши дни в медицинской практике используют термин «магнитно-резонансная томография».

В краткой форме принципы получения изображений при МРТ выглядят следующим образом.

ЯМР - это физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер, находящихся в магнитном поле, поглощать внешнюю энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия радиочастотного импульса. При этом напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного импульса должны строго соответствовать друг другу.

Наиболее интересными для магнитно-резонансной томографии являются ядра 'Н, 13С, l9F, 23Na и 31Р, которые обладают магнитными свойствами, что отличает их от немагнитных изотопов. Протоны ('Н) наиболее распространены, потому что двумя основными компонентами тканей живых существ являются
Для каждого протона, который вращается вокруг собственной оси, характерен небольшой магнитный вектор намагниченности. Это обусловлено тем, что вращающиеся заряженные частицы создают локальное магнитное поле. Вращающиеся магнитные моменты ядер называют спинами (рис. 1). Когда атомные ядра, обладающие магнитными свойствами, помещаются во внешнее магнитное поле, они могут поглощать электромагнитные волны определенных частот, зависящих от типа ядер, напряженности магнитного поля, физического и химического окружения ядер. Поглощение и испускание таких радиочастотных (электромагнитные) волн - основные принципы в МРТ и МР-спектроскопии.

В присутствии внешнего магнитного поля поведение ядра можно сравнивать с вращающимся волчком. Под действием магнитного поля вращающееся ядро совершает сложное движение: оно вращается вокруг своей оси, кроме того, сама ось вращения совершает конусообразные круговые движения (прецессирует), отклоняясь от вертикального направления.


Рис. 1. Образование магнитного момента (спин) вращающегося протона ('Н). S и N - полюса магнитного поля протона; стрелка и - магнитный момент (спин); полукруглые стрелки - направление вращения атомного ядра.
Во внешнем магнитном поле ядра, обладающие магнитными свойствами подобно протонам, могут находиться либо в стабильном энергетическом состоянии (нижний уровень), либо в возбужденном состоянии (верхний уровень) с более высокой энергией. Разность энергий этих двух состояний настолько мала, что количество ядер на каждом из этих уровней почти идентично. В связи с этим результирующий сигнал ЯМР, зависящий именно от различия населенностей этих двух уровней протонами, будет очень слабым. Чтобы обнаружить эту макроскопическую намагниченность, необходимо отклонить ее вектор от оси постоянного магнитного поля, что достигается с помощью импульса внешнего радиочастотного (электромагнитное) излучения. Радиоволны, являясь квантами энергии, вызывают переход спинов на уровень с более высокой энергией. Частота этих волн должна иметь определенную величину (так называемая ларморовская частота), чтобы под их воздействием вектор намагниченности отклонился от направления внешнего магнитного поля. При возвращении системы к равновесному состоянию излучается поглощенная энергия (MP-сигнал), которая может быть обнаружена, обработана и использована для построения МР-изображений (томограмм).

Чтобы разделить принятый сигнал на частотные компоненты, его нужно обработать с помощью специального математического процесса, называемого преобразованием Фурье.

Для получения сигнала магнитного резонанса используют комбинации радиочастотных импульсов различной длительности и формы. Сочетая разные импульсы, формируют так называемые импульсные последовательности, с помощью которых можно получить изображения. Наиболее распространенными видами импульсных последовательностей являются «спинэхо», «инверсия-восстановление» и «градиентное эхо».

Существуют специальные импульсные последовательности для получения сигнала только от неподвижной (MP-гидрография, МР-миелография, МР-холангиография) либо движущейся жидкости (MP-ангиография).

С целью выбора ориентации и толщины слоя в МРТ используют так называемые градиентные магнитные поля. Радиочастотные импульсы индуцируют MP-сигналы только в том случае, если частота импульсов точно соответствует ларморовской частоте протонов. Данный факт позволяет получать MP-сигналы из выбранного тонкого слоя тканей (среза). Специальные (градиентные) катушки, расположенные внутри главного магнита, создают небольшие дополнительные магнитные поля таким образом, что сила поля линейно возрастает в одном направлении. Передавая радиочастотные импульсы с установленным заранее узким диапазоном частот, можно получать MP-сигналы только от выбранного слоя ткани. Ориентация градиентов магнитного поля и соответственно направление срезов могут быть легко заданы в любом направлении. Получаемые от каждого объемного элемента изображения (воксель) сигналы имеют свой, единственный и распознаваемый, код. Этим кодом являются частота и фаза сигнала. На основании этих данных можно строить двухмерные или трехмерные изображения.

Ткани с большими суммарными магнитными векторами будут индуцировать сильный сигнал и выглядеть на изображении яркими, а ткани с малыми магнитными векторами - индуцируют слабый сигнал и будут выглядеть темными. Величина магнитного вектора в тканях определяется прежде всего плотностью протонов. Анатомические области с малым количеством протонов (например, воздух или компактная кость) индуцируют очень слабый MP-сигнал и всегда представляются на изображении темными.
Время релаксации тканей - Т1 и Т2, являясь константами, зависит от силы поля и вида тканей, а та играет важную роль в формировании контраста на MP-изображении. В МРТ приняты понятия «Т1-взвешенное изображение», «Т2-взвешенное изображение», «протонно-взвешенное изображение», т. е. изображения, на которых различия между тканями обусловлены преимущественно вкладом одного из этих факторов.

Регулируя параметры импульсных последовательностей, рентгенолаборант может влиять на контрастность изображений, не используя контрастные средства. В связи с этим в MP-томографии существует значительно больше возможностей для изменения контраста на изображениях, чем при рентгенографии, КТ или УЗИ. Конечно, введение специальных контрастных веществ может еще более изменить контрастность между нормальными и патологическими тканями.

Для построения изображений в клинических условиях требуется взаимодействие множества разнообразных процессов. Компонентами, из которых устроен MP-томограф, являются магнит, градиентные катушки, передатчик РЧ-импульсов и РЧ-приемник, источник питания и системы охлаждения, вспомогательные электронные блоки, компьютер для обработки сигналов и построения изображений, устройства для записи и архивирования данных. На рис. 2 приведена принципиальная схема МР-томографа.

Основной частью MP-томографа является специальный магнит, который создает постоянное (статическое) однородное магнитное поле, напряженность которого может различаться в несколько раз в соответствии с назначением оборудования.


Рис. 2. Устройство МР-томографа.

1 - магнит; 2 - радиочастотные катушки; 3 - пациент в тоннеле магнита.
Обычно МР-томографы классифицируют в зависимости от напряженности магнитного поля. Силу магнитного поля измеряют в теслах (Тл) или гауссах (1Тл = 10 000 гаусс). Сила магнитного поля Земли варьирует от 0,7 гаусса на полюсе до 0,3 гаусса на экваторе. Для клинической МР-томографии используют магниты с полями от 0,1 до 3 Тл, чаще всего - МР-системы с полем 0,2-0,35; 0,5; 1 и 1,5 Тл. Линейной зависимости между силой поля и качеством изображений нет, но системы с высоким полем (1-1,5 Тл) дают больше возможностей для клинических и научных исследований. По силе поля обычно используют следующую классификацию томографов.


Магнитно-резонансные томографы для клинического применения бывают двух типов - закрытые (рис. 3, а) и открытые (рис. 3, б).


Рис. 3. Внешний вид МРТ.

а - с закрытым типом магнита; б - с открытым типом магнита.
По устройству магниты бывают разных типов, наиболее распространены так называемые сверхпроводящие магниты. Катушки таких магнитов охлаждаются жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю (-263 - -269° С). При этом материал теряет электрическое сопротивление, отсюда название - сверхпроводящие магниты. Через такие катушки можно пропускать очень большие токи, создавая высокостабильные магнитные поля. После первого пропускания тока сверхпроводящий магнит практически не потребляет электрической энергии.

Роль приемников и передатчиков сигналов при МРТ играют специальные катушки. С помощью большой приемопередающей катушки, которая всегда встроена в магнит, можно исследовать большие отделы тела. Для улучшения качества отдельных изображений и изучения небольших структур (головной мозг, шея, суставы, орбиты и т. д.) дополнительно используют специальные поверхностные катушки (рис. 4).


Рис. 4. Специальная дополнительная катушка для исследования головного мозга.
Магнитно-резонансный томограф для получения изображения использует радиочастотные импульсы, поэтому для его защиты от внешних радиочастотных помех комнату, где он располагается, полностью экранируют медной сеткой или металлическими листами. Это приспособление называют клеткой Фарадея.

Как и в случае с КТ, первой областью применения МРТ стал головной, а затем и спинной мозг. Томограммы головного мозга позволяют получить великолепное изображение всех структур мозга, не прибегая к дополнительному введению контраста (рис. 5). Благодаря технической возможности метода получать изображение во всех плоскостях МРТ совершила революцию в исследовании спинного мозга, позвоночника, особенно межпозвоночных дисков (рис. 6).

В настоящее время MP-томографию все шире используют для исследования суставов, органов малого таза, молочных желез, сердца и сосудов. Для этих целей разработаны дополнительные специальные катушки и математические методы построения изображения.

Так, например, методика исследования с подавлением яркого сигнала от жировой ткани позволила расширить область применения метода. Это хорошо видно при MP-маммографии, где отсутствует яркий сигнал от жировой ткани, что помогает визуализировать все детали строения железы (рис. 7).

К новым методикам относят импульсные последовательности, при которых яркий сигнал дает только движущаяся жидкость (МР-ангиография) или, наоборот, только неподвижная жидкость (MP-гидрография). На этих последовательностях работают методики получения сигнала только от цереброспинальной жидкости - МТ-миелография, от мочи в выделительной системе - МРурография (рис. 8) и др.


Рис. 5. MP-томограмма головного мозга.

а - поперечная (аксиальная). Т2-взвешенное изображение: 1 - цереброспинальная жидкость в субарахноидальном пространстве, 2 - серое вещество мозга, 3 - белое вещество мозга, 4 - цереброспинальная жидкость в передних рогах боковых желудочков, б - сагиттальная MP-томограмма головного мозга. TT-взвешенное изображение: 1 - серое вещество мозга, 2 - белое вещество мозга, 3 - цереброспинальная жидкость в теле бокового желудочка, 4 - ствол мозга, 5 - мозжечок.


Рис. 6. Сагиттальная MP-томограмма шейного отдела спинного мозга и позвоночника. Т2-взвешенное изображение.

1 - тело позвонка; 2 - межпозвоночный диск; 3 - цереброспинальная жидкость; 4 - спинной мозг.


Рис. 7. МР-томограмма молочной железы с подавлением сигнала от жировой ткани. 1 - млечные протоки; 2 - железистая ткань.

Рис.8. фронтальной проекции. Программа МР-урографии.

1 - чашки и лоханка правой почки; 2 - мочеточник; 3 - сигнал от ликвора.
Получение сигнала только от движущейся жидкости (кровь) позволяет выполнять программу МР-ангиографии без дополнительного введения контрастного агента. Как правило, этого бывает достаточно для оценки состояния крупных сосудов. Для усиления изображения и изучения мелких сосудов при МР-ангиографии внутривенно вводят 15-20 мл контрастного вещества на основе гадолиния (рис. 9).

С помощью специальной техники быстрых последовательностей можно записать изображения сердца в разные фазы сердечного цикла. Исследование проводят при синхронизации с ЭКГ во время одной задержки дыхания. Полученные последовательные изображения сердца можно изучать на экране во время движения. При этом анализируют параметры объема полостей сердца, фракцию выброса левого желудочка, сократительную способность миокарда, направление потоков крови и т. д. Фактически проводят анатомо-функциональное изучение сердца без дополнительного применения контрастных веществ. Такое исследование называют кино-МРТ (рис. 10).


Рис. 9. МР-томограмма сосудов брюшной полости и забрюшинного пространства. Исследование выполнено с гадолинием. Хорошо видны не только крупные сосуды (аорта, подвздошные артерии), но и почечные артерии.

Рис. 10. MP-томограммы сердца по длинной оси. Программа кино-МРТ.

а - изображение в диастолу: 1 - правый желудочек, 2 - левое предсердие, 3 - левый желудочек, 4 - стенка левого желудочка; б - изображение в систолу: изменение объема полостей и утолщение стенок левого желудочка.
Вместе с тем своевременное использование методики контрастирования в сложных случаях позволяет однозначно трактовать получаемые данные или изучать дополнительно кровоснабжение (перфузию) органов. На рис. 11, а представлена сагиттальная томограмма головного мозга до введения контрастного вещества. После его введения на основе гадолиния он накопливается в патологическом очаге, что может быть связано с нарушением гематоэнцефалического барьера или образованием новых сосудов в опухоли. В любом случае контраст накапливается в опухолевой ткани, меняет время релаксации этой ткани и становится хорошо видимым (рис.11, б).


Рис. 11. Сагиттальная MP-томограмма головного мозга.

а - Т1-взвешенное изображение до введения контрастного вещества. Отчетливых патологических изменений не видно; б - Т1-взвешенное изображение после введения контрастного препарата (стрелка - яркий сигнал от опухоли в проекции шишковидной железы).
Современные МР-томографы позволяют не только получать анатомическое изображение или изучать движение сердца, но и видеть участки активации серого вещества головного мозга при выполнении обследуемым различных заданий. Это могут быть задания на движение пальцами определенной руки (изучение двигательной активности) или повторение про себя определенных слов (изучение речевой коры). MP-томография до и во время выполнения задания помогает выявить и зафиксировать разницу в оксигенации соответствующих участков коры. Такие методики названы функциональной МРТ (рис. 12).


Рис. 12. Поперечная MP-томограмма мозга. Программа функциональной МРТ. Картирование зон речевой коры.

1 - область яркого сигнала в левом полушарии.
Помимо МРТ, в качестве метода диагностики и для научных исследований используют магнитно-резонансную спектроскопию.

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) - это неинвазивный метод диагностики, который качественно и количественно определяет химический состав органов и тканей, используя такие физические явления, как ядерный магнитный резонанс и химический сдвиг.

Химический сдвиг - явление, заключающееся в том, что ядра одного и того же химического элемента в зависимости от молекулы, в состав которой они входят, и положения, которое они в ней занимают, обнаруживают поглощение электромагнитной энергии в различных участках магнитно-резонансного спектра.

Явление химического сдвига предполагает получение MP-спектра - графика, отражающего зависимость между химическим сдвигом (ось абсцисс) и интенсивностью сигналов (ось ординат), испускаемых возбужденными ядрами. Интенсивность сигналов зависит от количества ядер, которые излучают эти сигналы. Анализируя спектр, мы можем получить информацию как о веществах, которые находятся в том или ином изучаемом нами объекте (качественный химический анализ), так и о их количестве (количественный химический анализ). С помощью такого исследования удается дифференцировать доброкачественные опухоли от злокачественных и определять их гистологический тип (рис. 13). Можно дифференцировать очаговые и диффузные заболевания головного мозга и выявлять небольшие злокачественные опухоли предстательной железы.


Рис. 13. Протонные MP-спектрограммы различных опухолей головного мозга.
MP-спектроскопию чаще всего проводят по ядрам фосфора и водорода (протонам), реже - по ядрам углерода, натрия и фтора.

МРС - многообещающая методика, но из-за технических трудностей проведения и интерпретации, а также длительности исследования ее редко применяют в клинической практике.

Учитывая все более активное внедрение методик МРТ в клиническую практику, следует остановиться на вопросах безопасности при МРТ. Хотя метод не использует ионизирующее излучение, однако пациент во время исследования находится в высоком постоянном магнитном поле, подвергается радиочастотным излучениям и действию переменного магнитного поля.

Следует помнить, что на различные металлы, находящиеся в теле пациента (пули, осколки, крупные имплантаты), и все электронно-механические устройства (протез внутреннего уха, водитель сердечного ритма, инсулиновый насос и пр.) воздействует магнитное поле. Эти предметы и устройства под действием магнитного поля могут смещаться или прекращать нормальную работу, поэтому у пациентов возможны различные осложнения или даже смертельный исход (остановка водителя сердечного ритма).

Кроме того, при нахождении длительное время в закрытом пространстве магнита может возникнуть боязнь закрытых пространств - клаустрофобия.

В связи с этим все пациенты, направляемые на МР-исследование, должны быть информированы о возможных нежелательных последствиях и характере процедуры. Лечащие врачи и врачирентгенологи перед исследованием обязаны опрашивать пациента на предмет наличия указанных выше предметов, ранений и операций.
Абсолютные и относительные противопоказания к МР-исследованию


Непосредственно перед исследованием пациент полностью переодевается в специальный костюм (халат) для исключения попадания металлических вещей из карманов одежды.

Технические особенности процедуры позволили выработать абсолютные и относительные противопоказания к проведению исследования.

К абсолютным противопоказаниям к исследованию относят состояния, при которых проведение МРТ создает угрожающую для жизни больного ситуацию. К такой категории и относят всех пациентов с наличием не только электронномеханических устройств в теле, но и металлических хирургических имплантатов (гемостатические клипсы) на артериях головного мозга. Смещение имплантатов вследствие магнитного притяжения угрожает кровотечением. Наличие металлических предметов в других частях тела имеет меньшую угрозу и обсуждается в каждом случае перед исследованием. Следует помнить, что нахождение металлического предмета даже в не опасной для жизни зоне может приводить к артефактам на изображении и затруднять интерпретацию результатов.

Большинство небольших металлических объектов (искусственные зубы, хирургический шовный материал, некоторые виды искусственных клапанов сердца) не являются противопоказанием к проведению исследования, а клаустрофобия является препятствием для проведения исследования в 1- 4% случаев. Частично преодолеть проблему клаустрофобии можно, с одной стороны, с помощью приборов с открытыми магнитами, с другой - с помощью беседы с пациентом, во время которой ему подробно объясняют устройство томографа и ход обследования.

МРТ беременных выполняют только в тех случаях, когда этот метод нельзя заменить другими или имеются жизненные показания к его использованию. Хотя свидетельств повреждающего действия МРТ на эмбрион или плод не получено, однако рекомендовано избегать МРТ в первые 3 мес беременности.

Движения пациента во время MP-исследования вызывают помехи (артефакты), поэтому обследование больных с острой патологией, нарушенным сознанием, спастическими состояниями, деменцией и детей нередко бывает затруднительным. При входе в отделение, где установлены МР-томографы, всегда имеются предупреждающие знаки и надписи (об опасности магнитного поля для пациентов с искусственными водителями ритма, возможности размагничивания носителей информации - дискет, кредитных карт и др.).

Как и другие методики лучевой диагностики, МРТ имеет достоинства, но не лишена и недостатков.

К основным достоинствам МРТ относят неинвазивность, безвредность (отсутствие лучевой нагрузки), трехмерный характер получаемых изображений, естественный контраст от движущейся крови, широкое поле изображения, высокое пространственное разрешение, отсутствие артефактов от костных тканей и высокая дифференциация мягких тканей.

Наиболее существенными недостатками МРТ являются достаточно длительное (обычно от нескольких минут до десятков минут) время исследования, невозможность надежного выявления камней, кальцинатов, достаточно высокая стоимость оборудования и сложность его эксплуатации, специальные требования к установке приборов (защита от помех). На MP-томографах невозможно обследовать больных с выраженной клаустрофобией, искусственными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами и пр.

МРТ - современная передовая методика визуализации в лучевой диагностике. Адекватный выбор методики и своевременное выполнение исследования во многих случаях позволяют установить правильный диагноз и своевременно приступить к лечению.
перейти в каталог файлов


связь с админом