1. Физические основы метода. Аппарат МРТ

В основе ядерно-магнитного резонанса лежит свойства частиц, в частности протонов ядер водорода, к вращению (спин) вокруг оси собственного магнитного поля. Используются для исследование именно протоны ядер водорода поскольку высока чувствительность к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях. При помещении их в мощное, статичное, однородное внешнее магнитное поле все частицы располагаются вдоль линий этого магнитного поля, и в зависимости от их энергетического уровня, они располагаются параллельно или антипараллельно этим линиям. Одновременно частицы находясь в магнитном поле прецессируют, то есть они вращаются по конусу относительно линий магнитного поля наподобие вращения волчка, когда он замедляется верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Вся совокупность частиц расположенных в магнитном поле вдоль его линий образуют продольную намагниченность, то есть суммарный вектор магнитных полей сонаправленных частиц.

В этих условиях частицы дополнительно подвергают воздействию радиочастотной энергии, которая поглощается частицами, переводя их в высокоэнергетическое состояние (они меняют своё положение на антипараллельное), что приводит к снижению продольной и увеличению поперечной намагниченности. При прекращении воздействия РЧ энергии частицы возвращаются в своё первоначальное состояние (релаксация) и отдают энергию, образуя электрическое волны по законам магнитной индукции. Для максимальной поглощаемости и отдаче энергии частота облучения должна иметь определённое значение, зависящее от параметров ядра и мощности магнитного поля. То есть необходимо чтобы частицы вошли в резонанс с воздействующей на них частотой, это частота Лармора.

Выделяют два варианта релаксации: продольная и поперечная. Продольная релаксация - это возвращение в исходное положение частиц, вдоль линий внешнего постоянного магнитного поля, с увеличением продолной намагниченности. А поперечная релаксация это уменьшение до нуля суммарного вектора поперечной намагниченности. Время продольной релаксации (Т1) в 2-10 раз больше времени поперечной релаксации (Т2). Именно отдача энергии во время релаксации в виде электромагнитных волн регистрируется приёмными радиочастотными катушками, датчики регистрируют амплитуду, частоту, фазу волн. Данная информация в дальнейшем обрабатывается различными программами, методиками, последовательностями, и в конечном итоге преобразуется в двухмерное изображение среза. Изображение строится на основании разницы содержания водорода в различных тканях, что проявляется в разнице времени продольной релаксации (Т1), и поперечной релаксации (Т2) и других их видов и вариантах (Т*2, спиновой плотности…). В модальности Т1 ткань, обогащенная водой, (например, спинномозговая жидкость - СМЖ) проявляется выраженным черным цветом. В модальности Т2 более выраженная степень обогащения тканей водой проявляется более светлым фоном (например, СМЖ будет белой).

Серое вещество мозга, которое содержит много воды, в модальности Т1 выглядит чернее, а в Т2 - белее, чем белое вещество коры головного мозга. Эти два способа комплементарны, и ни один из них не проявляет негативных свойств по отношению друг к другу.

Рис. 1. Компоненты МР томографа

Аппарат МРТ состоит из следующих основных компонентов (рис. 1): магнит, создающий мощное, постоянное, однородное магнитное поле, - градиентная катушка, создающая переменное поле, что обеспечивает фокусировку и выбор вида и уровня среза, - радиочастотные катушки, передающие для создания возбуждения и приёмная для регистрации сигнала, - и компьютер с усилителями, преобразователями, детектором, источником импульсов, интегрирующий все компоненты системы в один аппарат, обеспечивая его синхронную, слаженную работу.

Один из основных компонентов - магнит. Выделяют:

1. Постоянные магниты. Построены из ферромагнитных материалов. Они не потребляют электрической мощности для создания магнитного поля, не нуждаются в охлаждении. Но вес постоянных магнитов огромен, а индукция создаваемого поля невелика - до 0,3 Тл.

2. Резистивные магниты, или электромагниты. Представляют собой соленоид, или витки провода, по которым пропускают сильный электрический ток. Для таких магнитов можно добиться высокой однородности магнитного поля, но они потребляют большое количество электроэнергии и требуют мощной системы охлаждения. Верхняя граница величины магнитного поля резистивных магнитов в настоящее время составляет примерно 0,7 Тл, но на практике используются аппараты с полем до 0,3 Тл.

3. Сверхпроводящие магниты. Представляют собой разновидность резистивных магнитов, в которых для создания очень сильного тока и соответствующего магнитного поля используется явление сверхпроводимости - резкое падение электрического сопротивления некоторых материалов практически до нуля вблизи абсолютного нуля температуры. Такие магниты требуют специальных многоконтурных систем охлаждения на жидком азоте и гелии, стоимость их эксплуатации высока, но они способны создать однородные поля до 9,4 Тл и выше.

4. Гибридные магниты. Сочетание резистивного и постоянного магнитов. В таких системах получают более сильные, чем в постоянных магнитах, поля (= 0,5 Тл); они дешевле сверхпроводящих, но уступают им по величине поля.

Именно магнит определяет характеристику томографа, поскольку мощность магнита определяет частоту Лармора, и, следовательно, четкость и информативность среза. В зависимости от мощности выделяют:

1. со сверхслабым полем 0,01 Тл < В < 0,1 Тл;

2. со слабым полем 0,1 Тл < В < 0,5 Тл;

3. со средним полем 0,5 Тл < В < 1,0 Тл;

4. с сильным полем 1,0 Тл < В < 2,0 Тл;

5. со сверхсильным полем В >2,0 Тл;

Оптимальная сила поля для клинического отображения лежит в пределах от 0,5 до 2,0 Тл, т.к. высокие поля дают лучшее соотношение сигнал/шум.