Магнитно резонансная спектрометрия. Лучи магнитно-резонансная спектроскопия. Функциональная магнитно-резонансная томография

26.07.2019

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод получения изображений внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Физика метода

Человеческое тело содержит большое количество протонов — ядер атома водорода: в составе воды, в каждой молекуле органического вещества — белках, жирах, углеводах, мелких молекулах... Протон же - один из немногих атомов, у которого есть собственный магнитный момент или вектор направления. При отсутствии внешнего мощного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы случайным образом, то есть стрелки векторов направлены в разные стороны.

Если же поместить атом в сильное постоянное магнитном поле все меняется. Магнитный момент ядер водорода ориентируется либо сонаправленно направлению магнитного поля, либо в противоположном направлении. Во втором случае энергия состояния будет чуть выше. Если же теперь воздействовать на этим атомы электромагнитым излучением резонансной частоте (к счастью для нас, это частота радиоволн, абсолютно безопасная для человека), то часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный. А после отключения внешнего магнитного поля они вернутся в исходное положение, выделяя энергию в виде электромагнитного излучения, которое и регистрируется томографом.

Ориентация магнитных моментов ядер а ) в отсутствии б ) при наличии внешнего магнитного поля

Эффект ЯМР можно представить не только на протонах, но и на любых изотопах, имеющих ненулевой спин (то есть вращающихся в определенном направлении), чья встречаемость в природе (или в организме человека) достаточно велика. К таким изотопам можно отнести 2 Н, 31 Р, 23 Na, 14 N, 13 C, 19 F и некоторые другие.

История МРТ

В 1937 году Изидор Раби , профессор Колумбийского университета изучил интересное явление, при котором атомные ядра образцов, помещённые в сильное магнитное поле, поглощали радиочастотную энергию. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.

Позже две группы физиков из США, одна под руководством Феликса Блоха , другая — Эдварда М. Парселла , впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса от твёрдых тел. За это оба в 1952 также удостоились Нобелевской премии физике.

В 1989 Норман Фостер Рамсей получил Нобелевскую премию по химии за теорию химического сдвига, которую сформулировал в 1949 году. Суть теории в том, что ядро атома можно опознать по изменению резонансной частоты, а любую молекулярную систему может описать её спектр поглощения. Эта теория стала основой магнитно-резонансной спектроскопии. В период с 1950 по 1970 годы ЯМР использовался для химического и физического молекулярного анализа в спектроскопии.

В 1971 году физик Раймонд Дамадьян (США) открыл возможность применения ЯМР для обнаружение опухолей. Он продемонстрировал на крысах, что сигнал водорода от злокачественных тканей сильнее, чем от здоровых. Дамадьян и его команда потратили 7 лет на разработку и создание первого МР-сканера для медицинского отображения человеческого тела.

Доктор Дамадьян при попытке получить собственное МРТ изображение

В 1972 году химик Пол Кристиан Лотербур (США) сформулировал принципы отображения ядерного магнитного резонанса, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерного изображения.

В 1975 г. Ричард Эрнст (Швейцария) предложил использовать в магнитно-резонансной томографии фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразования, метод, который используется в МРТ и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст удостоился Нобелевской премии по химии за достижения в области импульсной томографии.

В 1976 Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI) — самую скоростную методику, основанную на сверхбыстром переключении градиентов магнитного поля. Благодаря этому время получения изображения уменьшилось с нескольких часов до нескольких десятков минут. Именно Питер Мэнсфилд вместе с Полом Лотенбуром в 2003 году получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине за изобретение метода магнитно-резонансной томографии. Кстати, любопытно, что с Лотенбуром над созданием метода МРТ работал правнук Альфреда Нобеля, Микаэль Нобель.

Итак, 3 июля 1977 , спустя почти 5 часов после начала первого теста, наконец, получили первое изображение среза человеческого тела на первом прототипе магнитного резонансного сканера.

Первое МРТ-изображение среза человеческого тела. Получено 3 июля 1977 года

Устройство томографа

МР-томограф состоит из следующих блоков: магнит, градиентные, шиммирующие и радиочастотные катушки, охлаждающая система, система приема, передачи и обработки данных, система экранирования (см. рис.)

Схема МР - томографа

Магнит — самая, собственно, важная и дорогая часть томографа, создающая сильное устойчивое магнитное поле. Магниты в МР-томографе бывают самые разные: постоянные, резистивные, сверхпроводящие и гибридные.

В томографе с постоянным магнитом поле создается между двумя полюсами, сделанными из ферромагнитных материалов (ферромагнетик — вещество, обладающее магнитными свойствами в отсутствии внешнего магнитного поля). Плюс такого томографа в том, что он не требует дополнительной электроэнергии или охлаждения. Однако создаваемое таким типом томографов поле не превышает по своей индукции 0,35 Тл (Тесла, Тл — единица измерения силы магнитного поля. Надо сказать, что и 0,35 Тл — это мощное магнитное поле, в 10000 раз мощнее магнитного поля Земли). Недостатки постоянных томографов — высокая стоимость непосредственно самого магнита и поддерживающих структур, а также проблемы с однородностью магнитного поля.

В резистивных магнитах поле создается пропусканием сильного электрического тока по проводу, намотанному на железный сердечник. Сила поля таких МРТ примерно чуть больше — 0,6 Тл. Но эти томографы нуждаются в хорошем охлаждении и в постоянном электропитании для поддержания однородности магнитного поля.

В гибридных системах для создания магнитного поля используются и проводящие ток катушки, и постоянно намагниченный материал.

Для создания полей свыше 0,5 Тл обычно необходимы сверхпроводящие магниты, которые очень надежны и дают однородные и стабильные во времени поля. В таком магните поле создается током в проводе из сверхпроводящего материала, не имеющего электрического сопротивления при температурах вблизи абсолютного нуля (-273,15°C). Сверхпроводник пропускает электрический ток без потерь. В МРТ обычно используется провод из ниобий-титанового сплава длиной в несколько километров, вложенный в медную матрицу. Охлаждается эта система жидким гелием. Более 90% производящихся сегодня МР-томографов составляют модели со сверхпроводящими магнитами.

Внутри магнита расположены градиентные катушки, предназначенные для создания небольших изменений главного магнитного поля. Приложенные в трех взаимно перпендикулярных направлениях, градиентные поля позволяют точно локализовать зону интереса в трехмерном пространстве.

Шиммирующая катушка — это катушка с малым током, создающая вспомогательные магнитные поля для компенсации неоднородности главного магнитного поля томографа из-за дефектов основного магнита или присутствия намагниченных объектов в поле исследований.

Радиочастотная (РЧ ) катушка представляет собой одну или несколько петель проводника, создающих магнитное поле, необходимое для поворота спинов на 90° или 180° и регистрирующих сигнал от спинов внутри тела.

Еще недавно клинической практике верхний предел напряженности магнитного поля составляет 2 Тл, однако сегодня на рынок выходят уже семитесловые томографы.

Типы МРТ

По виду конструкции МР-томографы могут быть открытые и закрытые. Первые МРТ-сканеры конструировались как длинные и узкие туннели. МРТ открытой конструкции имеют горизонтальные или вертикальные противостоящие магниты и имеют больше пространства вокруг пациента. Существуют системы для исследования пациентов в вертикальном положении.

МРТ-сканер с вертикальным положением пациента

МРТ-сканер открытого типа

МРТ -сканер закрытого типа

Диффузионно-тензорная МРТ. Этот метод определяет направление и тензор (силу) диффузии молекул воды в тканях: клетках, сосудах, нервных волокнах. Метод не требует использования контрастного вещества и поэтому абсолютно безопасен. На основе полученных в ходе томографии данных строят карты диффузии. Данный метод хорошо подходит для исследования ЦНС, позволяет хорошо визуализировать проводящие структуры мозга. Тензорную МРТ иногда называют трактографией.

Изображение проводящих путей мозга, получено с помощью диффузионно-тензорной МРТ

МР-ангиография. Метод визуализации кровеносных сосудов, основан на отличии сигнала движущихся протонов в крови от сигнала протонов окружающих неподвижных тканей.

МР-ангиография сосудов головы

Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга. Этому методу на портале будет посвящен отдельный материал.

МР-спектроскопия. Метод позволяет определить наличие определённых метаболитов (лактата, креатинина, N-ацетиласпартата и многих других) в тканях, органах и полостях, что позволяет делать выводы о наличии заболевания, его динамике.

Применение МРТ

МРТ позволяет увидеть любые внутренние органы человека, не нанося ему вреда. Высокая разрешающая способность, безопасность делают МРТ весьма популярным и перспективным методом исследования в клинической практике, несмотря на довольно высокую стоимость.

Помимо исследования больших объектов — человека, животных, для исследователей есть и другие способы использования магнитного резонанса. Например, МР-микроскопия. Для химиков, физиков и биологов МР-микроскопия возможно самый мощный инструмент изучения веществ на молекулярном уровне. Можно локализовать в 3D объеме магнитные ядра, позволяющие получать изображения и наблюдать объекты с разрешением, достигающим 10 -6 м.

ЯМР-микроскопия сегодня уже применяется для обнаружения микродефектов в различных объектах. Для химиков метод позволяет идентифицировать составы сложных смесей.

Источники:

1. Хорнак Дж. П. Основы МРТ. 2005

2. Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 132 с.

3. McRobbie D. W. et al. MRI from Picture to Proton. - Cambridge university press, 2006.

4. http://www.fonar.com/nobel.htm

5. Александр Грек. Мозги на просвет: Цветные мысли. Популярная механика // 2008 — № 2(64) — стр. 54-58

6. http://www.bakuprightmri.com

7. http://mri-center.ru/mrt-otkritogo-tipa

8. Окользин А. В. Магнитно-резонансная спектроскопия по водороду в характеристике опухолей головного мозга //Онкология. - 2007. - Т. 8.

Дарья Прокудина

Протонная магнитно-резонансная спектроскопия – это развивающийся метод, способный выявлять заболевания головного мозга, сердечной мышцы посредством регистрации метаболического накопления глутамата, ацетилхолина, креатинина, ацетиласпартата и ряда других соединений. Сравнение активности веществ в норме и при патологии позволяет установить ранний диагноз, динамические оценить качество лечения через определенные временные промежутки.

Процедура МРТ головного мозга с МР спектроскопией – что это такое

Способ позволяет изучить функциональность головного мозга. Другие МР процедуры показывают анатомию органа. Сочетание функциональной и морфологической информации повышает информативность диагностики.

МР-спектроскопия позволяет изучить скорость движения молекул веществ, проводить дифференцировку разных тканей – серого и белого вещества, мышц, жира, крови. Регистрация транспорта ионов калия, натрия через мембрану определяет активность фагоцитоза – уничтожения защитными клетками чужеродных агентов. Сочатение с МРТ трактографией позволяет верифицировать состояние внутримозговых желудочков, перивентрикулярных пространств.

Отслеживание накопления кислорода позволяет зарегистрировать участки повышенной возбудимости, выявить места разрушения гематоэнцефалического барьера, анализировать гормональную активность, проницаемость тканей.

Методы молекулярной нейровизуализации только развиваются – трактография, перфузионная диффузионная МРТ и МР-спектроскопия. Применяются обычно после нативной магнитно-резонансной томографии головного мозга. Только онкологи пользуются нейровизуализационными методами для оценки изменений мозговой ткани во время лечения опухолей.

Как делают протонную МР-спектроскопию

Неинвазивная МРТ головного мозга с МР спектроскопией разработана в 1951 году. Ученые использовали метод для регистрации измененной частоты протонов разных веществ под влиянием сильного магнитного поля. Полувека наблюдения за атомами протонов ацетиласпартата, холина, миоинозитола, лактата, жировых соединений, глутамина позволило использовать информацию в медицине для выявления внутримозговых изменений, патологии сердечной мышцы.

Информативность имеют физиологические и патологические химические сдвиги соединений. Для примера, приводим протонный МР-спектр веществ в норме:

Холин – 3,2 ppm;
Ацетиласпартат – 2 ppm;
Миоинозитол – 3,56 ppm;
Жировые соединения – 1-1,2 ppm;
Глутамат – 2,2-2,5 ppm;
Креатинин – 3-3,9 ppm.

Инновационные разработки помогли совершенствовать метод. Существует 3 разновидности магнитно-резонансной спектроскопии:

Одновоксельная;
Мультивоксельная;
Мультиядерная.

Разделение основано на регистрации протонных спектров одного или нескольких участков мозговой паренхимы одновременно. При одновоксельной МР-спектроскопии изучается единичный участок. Изучение спектров химического сдвига метаболитов заданной зоны помогает оценить биохимические процессы.

Мультивоксельный тип предполагает спектроскопический анализ разных сегментов. Подход применяется для оценки функциональности разных центров – чувствительных, двигательных, речи, слуха, зрения.

Мультиядерная МР спектроскопия оценивает химические сдвиги протонов углерода, фосфора, ряда других химических соединений одновременно. Распределение пиков повышает информативность исследования.

Информация анализируется путем просмотра параметрической карты среза. Каждый отдельный участок имеет несколько анатомических образований. Отслеживание биохимических спектров не позволяет дифференцировать ткань, но знание патофизиологии помогает предположить локализацию патологии.

Основные разработки МР-спектроскопии проводятся в области онкологии. С помощью процедуры нельзя предсказать тип новообразования. Наблюдения показали измененное соотношение метаболизма холина-креатинина, N-ацетиласпартата и креатина у большинства злокачественных образований. Некоторые раки сопровождаются повышением пика лактата.

Что показывает МР спектроскопия

Опробовано спектроскопическое обследование при верификации нейроэпителиальных опухолей, эпендимом, астроцитом. Метаболические сдвиги четко указывают тип новообразования. Онкологи применяют МР-спектроскопию для диагностики наличия/отсутствия клеток образования после операционного удаления очага. Обследования верифицирует признаки гибели злокачественной ткани после химиотерапии, лучевого облучения.

Динамический онкологический контроль лучше делать двумя методами – перфузионно-взвешенная МРТ в сочетании с 1 H-МР-спектроскопией. Подход выявляет участок некроза посредством обнаружения широкого протонного пика лактат-липидных соединений в пределах от 0,5 до 1,8 ппм. Одновременно прослеживается редукция сдвига других веществ, «мертвый пик».

Очередная область использования спектроскопии – дифференциальная диагностика демиелинизирующих процессов (рассеянный склероз), инфекций, травматических повреждений. Абсцессы мозга верифицируются по обнаружению спектров лейцина, валина, сукцината, липид-лактатного комплекса. Литературные источники приводят информацию о возможности использования обследования для оценки метаболизма при черепно-мозговых травмах, эпилепсии, инсультах.

Контрастное МРТ головного мозга показывает состояние сосудов, верифицирует злокачественные и доброкачественные новообразования вначале развития.

Регистрация сдвигов валина, лейцина свидетельствует о распаде тканей при болезнях, бактериальных инфекциях. Продуктом бактериального гликолиза является накопление сукцината, ацетата. Изменение МР-спектров веществ позволяет предположить характер нозологии (органический, инфекционный, воспалительный).

Какие болезни выявляет протонная спектроскопия:

Глиома изменяет пики распределения липидов, лактата, холина, креатинина, N-ацетиласпартата;
Неглиальные новообразования сдвигают холин, ацетиласпартат;
Инфаркты, инсульты регистрируются по повышению лактата, уменьшению других метаболитов;
Инфекционные процессы приводят к повышению ацетата, аланина, лактата. Токсоплазмоз характеризуется снижением холина;
Болезни белого вещества сопровождаются понижением миоинозитола, увеличением N-ацетиласпартата;
Диагностика печеночной лейкоэнцефалопатии базируется на изучении увеличения глутамина, регистрации сниженного миоинозитола;
Астроцитома разной степени злокачественности с локализацией в лобной доле при нативном МРТ характеризуется сигналом высокой силы. С помощью 2D мультивоксельной спектроскопии удается выявить повышение индекса холин/N-ацетиласпартата более единицы.

Цветное картирование дополняет информативность контрастной, нативной МР-томографии. Исследование имеет блестящие перспективы медицинского развития.

Протонная магнитно-резонансная спектроскопия (ПМРС) – один из наиболее молодых и быстро развивающихся методов лучевого исследования головного мозга, позволяющих определять содержание основных метаболитов (холин, N-ацетиласпартат, креатин, глютамат/глутамин, лактат) в интересующих участках органа и их соотношение.

История и этимология

МРС впервые использовали при исследовании эритроцитов в 1973 году Мун и Ричардс, а в 1974 году при помощи МРС Хаулт исследовал бедренную мышцу мыши.

Пики .

Лактат: резонирует на 1,3 ppm

Липиды: резонирует на 1,3 ppm

Аланин: резонирует на уровне 1,48 ppm

N-ацетиласпартат (NАА): резонирует на 2.0 ppm

Глутамин/глутамат: резонанс на 2.2-2.4 ppm

ГАМК: резонирует на 2.2-2.4 ppm

2-гидроксиглутарат: резонирует на уровне 2,25 ppm

Цитрат резонирует 2,6 ppm

Креатин: резонирует на 3.0 ppm

Холин: резонирует на 3.2 ppm

Мио-инозитол: резонанс на 3.5 ppm

ppm — pars per million

Как лучше запомнить?

Вспомнить шоколадку с названием My ChoCrNaaLa

My: Myo-inositol 3.5 — Мио-инозитол

Cho: Choline 3.2 — Холин

Cr: Creatine 3.0 — Креатин

Naa: Naa 2.0 — N-ацетиласпарта

L: Lactate 1.3 — Лактат

Патология

Глиома

МРС помогает предсказать степень дифференцировки. Чем выше степень дифференцировки, тем ниже пик N-ацетиласпартата и креатина, но выше пики холина, лактата и липидов.

Не-глиальные опухоли

Незначительные изменения пика NAA.

Лучевая терапия

Дифференциация изменений головного мозга на фоне лучевой терапии от опухоли всегда проблематична, но при рецидиве опухоли пик холина чаще повышен в то время, как после лучевой терапии пик NAA, холина и креатина будет низким.

Ишемия и инфаркт

Пик лактата будет повышаться, как только клетки головного мозга переходят на анаэробный метаболизм. Пик липидов и всех остальных пиков будет снижаться.

Инфекция

Пик NAA отсутствует при всех патологических процессах, разрушающих ткань головного мозга. При абсцессе пик лактата, аланина, ацетата повышен. Пик холина низкий или отсутствует при токсоплазмозе, а при лимфоме повышен, данный показатель используют для отличия одного патологического процесса от другого.

Заболевания белого вещества мозга (лейкодистрофии)

Прогрессирующая мультифокальная лейкоэнцефалопатия повышение Мио-инозитол. Болезнь Канавана повышение NAA.

Печеночная лейкоэнцефалопатия

При печеночной лейкоэнцефалопатии снижение пика миоинозитола и в меньшей степени холина. Глутамин увеличивается.

Митохондриальные заболевания.

Синдром Лея: повышение пика холина, снижение NAA и реже повышение пика лактата.

Примеры

РИС. 1.

Астроцитома низкой степени злокачественности в левой лобной доле. Зона повышенного по Т2 ВИ сигнала без чётких контуров в левой лобной доле. 2D мультивоксельная МР-спектроскопия. В спектре патологического участка определяется высокий пик холина, снижение пика N-ацетиласпартата и наличие пика лактата. На цветной карте отра- жается распределение соотношения Cho/NAA. В патологической зоне отмечается повышение индекса Cho/NAА выше 1.0 (красный цвет).

РИС. 2.

Глиобластома. 2D мультивоксельная МР-спектроскопия.

А. Цветная карта распределения соотношения Cho/NAA. Отмечается повышение индекса Cho/NAA выше 1.80 в зоне опухоли (красный цвет). Метаболические изменения распространяются далеко за пределы патологической зоны. Б. Цветная карта распределения NAA. Отмечается сни- жение содержания NAA выше в зоне опухоли (синий цвет).

РИС. 3.

Астроцитома низкой степени злокачественности.

А. 2D мультивоксельная МР-спектроскопия, карта распределения соотношения Cho/Cr. Отмечается повышение индекса Cho/Cr в зоне опухоли выше 1.0. Б. Т2 взвешенные изображения. В левой теменной доле зона повышенного МР-сигнала без чётких контуров. В. Отсутствие контрастного усиления на Т1 ВИ. Г. ADC карта. Д. Диффузионно-взвешенные изображения.

РИС. 4.

Солитарный метастаз.

Объёмное образование с распадом в центре, солидный компонент интенсивно накапливает контрастное вещество. В спектре опухоли определяется повышение пика холина, отсутствие пика N-ацетиласпартата, невысокий пик лактата. На 2D мультивоксельной карте распределения холина отмечаются высокие интегральные показатели этого метаболита.

РИС. 5.

Состояние после перенесенной длительной комы.

Диффузное снижение N-ацетиласпартата с обеих сторон.

РИС. 6.

Эписиндром неопухолевой этиологии. Фокальная кортикальная дисплазия. А, Б, В, Г. Протонная МР-спектроскопия. Карты распределения Cho/Cr, Cho, NAA, Lac. Отмечается снижение N-ацетиласпартата при нормальных показателях Cho/Cr, Cho, Lac.

Д, Е, Ж. Повышение МР-сигнала по Т2 ВИ от медиальных отделов правой височной кости. З, И. Метаболические изменения с обеих сторон.

РИС. 7.

Состояние после удаления астроцитомы . Признаки продолженного роста. А. Т2 взвешенные изображения. Б. Т2 FLAIR. В. Протонная МР-спектроскопия. Карта распределения NAA. Снижение содержания N-ацетиласпартата. Г. Карта распределения Cho/NAA. Повышение индекса Cho/NAA. Д. Карта распределения Cho/Cr. Повышение индекса Cho/Cr. Е. Протонная МР спектроскопия. Увеличение пика холина, сни- жение пика N-ацетиласпартата. Ж. Т2 ВИ корональная проекция. З. Т1 ВИ сагиттальная проекция.

РИС. 8.

Состояние после удаления астроцитомы правой височной доли. А. Т2 взвешенные изменения. Кзади от послеоперационной кисты име- ется подозрительный на рецидив участок. Б. Протонная МР-спектроскопия. Снижение пиков холина, креатина и N-ацетиласпартата. В, Г, Д, Е. Карты распределения метаболитов: Cho, NAA, Cho/Cr Lac соответственно. Снижение содержания Cho, NAA. Lac и индекс Cho/Cr в пределах нормы.

Для справки:

PPM — это pars per million, т.е. миллионная доля от резонансной частоты данного ядра (например для водорода в поле с магнитной индукцией в 1,5 Тл размерность 1 ppm будет равна 63.87 Герц, при 3 тесла уже 127,74 Гц. За 0 ppm принята частота тетраметилсилана, что пришло из аналитической химии.

Источник

Radiopaedia
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТОННОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ЦЕРЕБРАЛЬНОЙ НЕЙРООНКОЛОГИИ — И.А. Лобанов1, И.А. Медяник2, А.П. Фраерман2, Б.Е. Шахов3, Л.Я. Кравец2, Д.Н. Никитин2,

А именно на возбуждении их определённым сочетанием электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Панов В.О. Физические основы МРТ.flv

✪ Лекция по МРТ.flv

✪ Исследование магнитного резонанса - МР скрининг всего тела!

✪ Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Субтитры

История

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год , когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса» . Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. За изобретение метода МРТ оба исследователя в 2003 году получили Нобелевскую премию по медицине .

Однако имеются сведения о том, что само устройство МРТ было изобретено американским учёным, доктором Реймондом Дамадьяном . Кроме того, В. А. Иванов в 1960 году направил в Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий заявку на патент «Способ определения внутреннего строения материальных тел» за номером 0659411/26 (включая методику и устройство прибора), в которой были сформулированы принципы метода МРТ и приведена схема томографа .

Некоторое время существовал термин ЯМР -томография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии . В новом термине исчезло упоминание о «ядерном» происхождении метода, что и позволило ему войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также известно и используется.

В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также американский учёный армянского происхождения Реймонд Дамадьян , один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера.

Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные технологии МРТ делают возможным неинвазивно (без вмешательства) исследовать работу органов - измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ (фМРТ)).

Метод

Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона , который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторных направлений, которые могут находиться только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода. Иногда могут также использоваться МР-контрасты на базе гадолиния или оксидов железа .

Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время релаксации предварительно возбужденных протонов.

Первые томографы имели индукцию магнитного поля 0,005 Тл , однако качество изображений, полученных на них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (обычно до 1-3 Тл, в некоторых случаях до 9,4 Тл), так и постоянные магниты (до 0,7 Тл). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие в жидком гелии , а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодимовые . Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР-томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Однако, постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ - так называемая интервенционная МРТ.

Как правило, точность снимков мрт полученных на томографах 3 Тесла не отличается от точности снимков мрт полученных на томографах 1.5 Тесла [ ] . Четкость изображения в этом случае скорее зависит от настройки томографа. В то же время разница между 1.5 Тесла и 1.0 Тесла, и тем более 0.35 Тесла, может быть очень значительной. На оборудовании мрт ниже 1 Тесла нельзя качественно сделать мрт брюшной полости (мрт внутренних органов) или мрт малого таза, так как мощность таких аппаратов слишком низкая, чтобы получать снимки высокого разрешения. На низкопольных аппаратах (напряженностью менее 1 Тесла) можно проводить только исследования мрт головы, мрт позвоночника и мрт суставов с получением снимков обычного качества.

Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Современные технологии и внедрение компьютерной техники обусловили возникновение такого метода, как виртуальная эндоскопия, который позволяет выполнить трёхмерное моделирование структур, визуализированных посредством КТ или МРТ. Данный метод является информативным при невозможности провести эндоскопическое исследование, например при тяжёлой патологии сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Метод виртуальной эндоскопии нашёл применение в ангиологии , онкологии , урологии и других областях медицины.

Результаты исследования сохраняются в лечебном учреждении в формате DICOM и могут быть переданы пациенту или использованы для исследования динамики лечения.

До и во время процедуры МРТ

Перед сканированием требуется снять все металлические предметы, проверить наличие татуировок и лекарственных пластырей . Продолжительность сканирования МРТ составляет обычно до 20-30 минут, но может продолжаться дольше. В частности, сканирование брюшной полости занимает больше времени, чем сканирование головного мозга.

Так как МР томографы производят громкий шум, обязательно используется защита для ушей (беруши или наушники) . Для некоторых видов исследований используется внутривенное введение контрастного вещества .

Перед назначением МРТ пациентам рекомендуется узнать: какую информацию даст сканирование и как это отразится на стратегии лечения, имеются ли противопоказания для МРТ, будет ли использоваться контраст и для чего. Перед началом процедуры: как долго продлится сканирование, где находится кнопка вызова и каким способом можно обратиться к персоналу во время сканирования .

МР-диффузия

МР-диффузия - метод, позволяющий определять движение внутриклеточных молекул воды в тканях.

Диффузионно-взвешенная томография

Диффузионно-взвешенная томография - методика магнитно-резонансной томографии, основанная на регистрации скорости перемещения меченных радиоимпульсами протонов. Это позволяет характеризовать сохранность мембран клеток и состояние межклеточных пространств. Первоначально и наиболее эффективное применение при диагностике острого нарушения мозгового кровообращения, по ишемическому типу, в острейшей и острой стадиях. Сейчас активно используется в диагностике онкологических заболеваний.

МР-перфузия

Метод позволяющий оценить прохождение крови через ткани организма .

В частности существуют специальные характеристики, указывающие на скоростной и объемный приток крови, проницаемость стенок сосудов, активность венозного оттока, а также другие параметры, которые позволяют дифференцировать здоровые и патологически изменённые ткани:

Прохождение крови через ткани мозга
Прохождение крови через ткани печени

Метод позволяет определить степень ишемии головного мозга и других органов.

МР-спектроскопия

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) - метод позволяющий определить биохимические изменения тканей при различных заболеваниях по концентрации определённых метаболитов. МР-спектры отражают относительное содержание биологически активных веществ в определённом участке ткани, что характеризует процессы метаболизма . Нарушения метаболизма возникают, как правило, до клинических проявлений заболевания, поэтому на основе данных МР-спектроскопии можно диагностировать заболевания на более ранних этапах развития.

Виды МР спектроскопии:

МР спектроскопия внутренних органов (in vivo)
МР спектроскопия биологических жидкостей (in vitro)

МР-ангиография

Функциональная МРТ

Функциональная МРТ (фМРТ) - метод картирования коры головного мозга, позволяющий определять индивидуальное местоположение и особенности областей мозга, отвечающих за движение, речь, зрение, память и другие функции, индивидуально для каждого пациента. Суть метода заключается в том, что при работе определённых отделов мозга кровоток в них усиливается. В процессе проведения ФМРТ больному предлагается выполнение определённых заданий, участки мозга с повышенным кровотоком регистрируются, и их изображение накладывается на обычную МРТ мозга.

МРТ позвоночника с вертикализацией (осевой нагрузкой)

Сравнительно недавно появилась инновационная методика этого исследования пояснично-крестцового отдела позвоночника - МР-томография с вертикализацией. Суть исследования состоит в том, что сначала проводится традиционное МРТ-исследование позвоночника в положении лежа, а затем производится вертикализация (подъём) пациента вместе со столом томографа и магнитом. При этом на позвоночник начинает действовать сила тяжести, а соседние позвонки могут сместиться друг относительно друга и грыжа межпозвонкового диска становится более выраженной. Также этот метод исследования применяется нейрохирургами для определения уровня нестабильности позвоночника с целью обеспечения максимально надежной фиксации. В России пока это исследование выполняется в единственном месте.

Измерение температуры с помощью МРТ

МРТ-термометрия - метод, основанный на получении резонанса от протонов водорода исследуемого объекта. Разница резонансных частот дает информацию об абсолютной температуре тканей. Частота испускаемых радиоволн изменяется с нагреванием или охлаждением исследуемых тканей.

Эта методика увеличивает информативность МРТ исследований и позволяет повысить эффективность лечебных процедур, основанных на селективном нагревании тканей. Локальное нагревание тканей используется в лечении опухолей различного происхождения.

Особенности применения медицинского оборудования в помещениях, где проводится МРТ

Сочетание интенсивного магнитного поля, применяемого при МРТ сканировании, и интенсивного радиочастотного поля предъявляет экстремальные требования к медицинскому оборудованию, используемому во время исследований. Оно должно иметь специальную конструкцию и может иметь дополнительные ограничения по использованию вблизи установки МРТ.

Противопоказания

Существуют как относительные противопоказания, при которых проведение исследования возможно при определённых условиях, так и абсолютные, при которых исследование недопустимо.

Абсолютные противопоказания

установленный кардиостимулятор (изменения магнитного поля могут имитировать сердечный ритм)
ферромагнитные или электронные имплантаты среднего уха
большие металлические имплантаты, ферромагнитные осколки
ферромагнитные аппараты Илизарова .

Относительные противопоказания

Дополнительным противопоказанием для МРТ является наличие кохлеарных имплантатов - протезов внутреннего уха. МРТ противопоказана при некоторых видах протезов внутреннего уха, так как в кохлеарном имплантате есть металлические части, которые содержат ферромагнитные материалы.

Если МРТ выполняется с контрастом, то добавляются следующие противопоказания:

См. также

Примечания

ISBN 978-0-521-86527-2 глава 8 Getting in tune: resonance and relaxation
Филонин О. В. Общий курс компьютерной томографии / Самарский научный центр РАН. - Самара, 2012. - 407 с. - ISBN 978-5-93424-580-2 .
Lauterbur PC (1973). “Image Formation by Induced Local Interactions: Examples of Employing Nuclear Magnetic Resonance”. Nature . 242 (5394): 190-191. Bibcode :1973Natur.242..190L . DOI :10.1038/242190a0 .
Реймонд Ваган Дамадьян, учёный и изобретатель (неопр.) . 100lives.com. Дата обращения 25 мая 2015.
The Nobel Prize vs. the Truth of History (англ.) . fonar.com. Дата обращения 12 мая 2015.
MacWilliams B (November 2003). “Russian claims first in magnetic imaging ”. Nature . 426 (6965): 375. Bibcode :2003Natur.426..375M . DOI :10.1038/426375a . PMID . Внешняя ссылка в |title= (

Развитие нейрорентгенологии идёт по пути "от изучения анатомии к изучению функций головного мозга". Сегодня МРТ позволяет не только дифференцировать типы тканей (кровь, жировую, мышечную ткань, белое и серое вещество мозга и т.д.), но и оценивать скорость и направление движения молекул воды; различать ткани, отличающиеся по транспорту молекул и ионов (К+, Na+) ; по рН среды и активности фагоцитоза. По количеству кислорода в крови МРТ позволяет выявить области мозга с повышенной активностью, обнаружить участки нарушения гематоэнцефалического барьера, количественно оценить проницаемость тканей, состояние рецепторов, гормональную активность, наличие конкретного антигена или белковых структур в тканях.

Диффузионную МРТ, МР трактографию, перфузионную, функциональную МРТ и MP-спектроскопию относят к методам молекулярной визуализации.

MP-спектроскопия - это неинвазивная методика, основанная на свойстве ядер атомов водорода индуцировать МР сигналы в магнитных полях высокой напряженности, после воздействия радиочастотного импульса. Последующий анализ этих данных позволяет судить о наличии и концентрации в тканях различных метаболитов, а также об их изменениях при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день этот метод является единственным способом неинвазивно провести исследование обмена веществ (метаболизма) внутренних органов, в частности головного мозга. Нарушения этих процессов происходят еще до клинических проявлений болезни, поэтому магнитно-резонансная спектроскопия позволяет диагностировать заболевания на самых ранних этапах развития.

MP-спектроскопию в настоящее время довольно широко используют для оценки различных объёмных образований головного мозга. Данные MP-спектроскопии не позволяют с уверенностью предсказать гистологический тип новообразования, тем не менее, опухолевые процессы в целом характеризуются низким соотношением NAA/Cr, увеличением соотношения Cho/Cr и, в некоторых случаях, появлением пика лактата. В большинстве исследований МР- спектроскопию применяли в дифференциальной диагностике астроцитом, эпендимом и примитивных нейроэпителиальных опухолей, предположительно определяя тип опухолевой ткани.

В медицинской практике важно использовать MP-спектроскопию в послеоперационном периоде для диагностики продолженного роста новообразования, рецидива опухоли либо лучевого некроза. В сложных случаях МР-спектроскопия становится полезным дополнительным методом в дифференциальной диагностике наряду с данными перфузионно-взвешенных изображений. Характерным признаком некроза служит наличие так называемого мёртвого пика, широкого лактат-липидного комплекса на фоне полной редукции пиков остальных метаболитов.

Очень широко используют информативность МР-спектроскопии в дифференциальной диагностике первичных опухолей мозга и метастазов в головной мозг, в дифдиагностике этих поражений с инфекционными и демиелинизирующими процессами. Также МР спектроскопия становится все более востребованной при эпилепсии, при оценке метаболических нарушений и дегенеративных поражений белого вещества головного мозга у детей, при черепно-мозговой травме, ишемии мозга и других заболеваниях.