Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) – самый безопасный диагностический метод

Спасибо

Общие сведения

Явление ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) было обнаружено в 1938 г. Раби Исааком. В основе явления лежит наличие у ядер атомов магнитных свойств. И только в 2003 году был изобретен способ использования этого явления в диагностических целях в медицине. За изобретение его авторы получили Нобелевскую премию. При спектроскопии изучаемое тело (то есть тело пациента ) помещается в электромагнитное поле и облучается радиоволнами. Это совершенно безопасный метод (в отличие, например, от компьютерной томографии ), который обладает очень высокой степенью разрешающей способности и чувствительностью.

Применение в экономике и науке

1. В химии и физике для идентификации веществ, принимающих участие в реакции, а также конечных результатов реакций,
2. В фармакологии для производства лекарств,
3. В сельском хозяйстве для определения химического состава зерна и готовности к высеву (очень полезно при селекции новых видов ),
4. В медицине - для диагностики . Очень информативный метод для диагностики заболеваний позвоночника , особенно межпозвоночных дисков. Дает возможность обнаружить даже самые малые нарушения целостности диска. Выявляет раковые опухоли на ранних стадиях образования.

Суть метода

Метод ядерно-магнитного резонанса основан на том, что в момент, когда тело находится в особо настроенном очень сильном магнитном поле (в 10000 раз сильнее, чем магнитное поле нашей планеты ), молекулы воды, присутствующие во всех клетках организма, формируют цепочки, расположенные параллельно направлению магнитного поля.

Если же внезапно изменить направление поля, молекула воды выделяет частичку электричества. Именно эти заряды фиксируются датчиками прибора и анализируются компьютером. По интенсивности концентрации воды в клетках, компьютер создает модель того органа или части тела, которая изучается.

На выходе врач имеет монохромное изображение, на котором можно увидеть тонкие срезы органа в мельчайших подробностях. По степени информативности данный метод значительно превышает компьютерную томографию. Иногда деталей об исследуемом органе выдается даже больше, чем нужно для диагностики.

Виды магнитно-резонансной спектроскопии

• Биологических жидкостей,
• Внутренних органов.

Методика дает возможность в подробностях обследовать все ткани человеческого организма, включающие воду. Чем больше жидкости в тканях, тем светлее и ярче они на картинке. Кости же, в которых воды мало, изображаются темными. Поэтому в диагностике заболеваний кости более информативным является компьютерная томография.

Методика магнитно-резонансной перфузии дает возможность проконтролировать движение крови через ткани печени и головного мозга .

На сегодняшний день в медицине более широко используется название МРТ (магнитно-резонансная томография ), так как упоминание ядерной реакции в названии пугает пациентов.

Показания

1. Заболевания головного мозга,
2. Исследования функций отделов головного мозга,
3. Заболевания суставов,
4. Заболевания спинного мозга,
5. Заболевания внутренних органов брюшной полости,
6. Заболевания системы мочевыведения и воспроизводства,
7. Заболевания средостения и сердца ,
8. Заболевания сосудов.

Противопоказания

Абсолютные противопоказания:
1. Кардиостимулятор ,
2. Электронные или ферромагнитные протезы среднего уха,
3. Ферромагнитные аппараты Илизарова,
4. Крупные металлические внутренние протезы,
5. Кровоостанавливающие зажимы сосудов головного мозга.

Относительные противопоказания:
1. Стимуляторы нервной системы,
2. Инсулиновые насосы,
3. Другие виды внутренних ушных протезов,
4. Протезы сердечных клапанов,
5. Кровоостанавливающие зажимы на других органах,
6. Беременность (необходимо получить заключение гинеколога ),
7. Сердечная недостаточность в стадии декомпенсации,
8. Клаустрофобия (боязнь замкнутого пространства ).

Подготовка к исследованию

Специальная подготовка требуется только тем пациентам, которые идут на обследование внутренних органов (мочеполовых и пищеварительного тракта ): не следует употреблять пищу за пять часов до процедуры.
Если обследованию подвергается голова, представительницам прекрасного пола рекомендуется снять макияж, так как вещества, входящие в косметику (например, в тени для век ), могут повлиять на результат. Все металлические украшения следует с себя снять.
Иногда медицинский персонал проверяет пациента с помощью портативного металлоискателя.

Как проводится исследование?

Перед началом исследования каждый пациент заполняет анкету, помогающую обнаружить противопоказания.

Прибор представляет собой широкую трубу, в которую помещают пациента в горизонтальном положении. Пациент должен сохранять полную неподвижность, иначе изображение не получится достаточно четким. Внутри трубы не темно и есть приточная вентиляция, так что условия для прохождения процедуры достаточно комфортны. Некоторые установки производит ощутимый гул, тогда исследуемому лицу надеваются шумопоглощающие наушники.

Длительность обследования может составлять от 15 минут до 60 минут.
В некоторых медицинских центрах разрешается, чтобы помещении, где проводится исследование, вместе с пациентом находился его родственник или сопровождающий (если у него нет противопоказаний ).

В некоторых медицинских центрах анестезиолог проводит введение успокоительных препаратов. Процедура в таком случае переносится намного легче, особенно это касается больных, страдающих клаустрофобией, маленьких детей или пациентов, которым по каким-то причинам тяжело находиться в неподвижном состоянии. Пациент впадает в состояние лечебного сна и выходит из него отдохнувшим и бодрым. Используемые препараты быстро выводятся из организма и безопасны для пациента.

Результат обследования готов уже через 30 минут после окончания процедуры. Результат выдается в виде DVD-диска, заключения врача и снимков.

Использование контрастного вещества при ЯМР

Чаще всего процедура проходит без использования контраста. Однако в некоторых случаях это необходимо (для исследования сосудов ). В таком случае контрастное вещество вливается внутривенно с использованием катетера. Процедура аналогична любой внутривенной инъекции. Для этого вида исследования применяются особые вещества – парамагнетики . Это слабые магнитные вещества, частицы которых, находясь во внешнем магнитном поле, намагничиваются параллельно линиям поля.

Противопоказания к использованию контрастного вещества:

• Беременность,
• Индивидуальная непереносимость компонентов контрастного вещества, выявленная ранее.

Исследование сосудов (магнитно-резонансная ангиография)

С помощью этого метода можно проконтролировать как состояние кровеносной сети, так и движение крови по сосудам.
Несмотря на то, что метод дает возможность «увидеть» сосуды и без контрастного вещества, с его использованием изображение получается более наглядным.
Специальные 4-D установки дают возможность практически в реальном времени проследить за движением крови.

Показания:

• Врожденные пороки сердца ,
• Аневризма , расслоение ее,
• Стеноз сосудов,

Исследование головного мозга

Это исследование головного мозга, не использующее радиоактивные лучи. Метод позволяет увидеть кости черепа, но более детально можно рассмотреть мягкие ткани. Отличный диагностический метод в нейрохирургии, а также неврологии. Дает возможность обнаружить последствия застарелых ушибов и сотрясений , инсультов , а также новообразования.
Назначается обычно при мигренеподобных состояниях непонятной этиологии, нарушении сознания, новообразованиях, гематомах , нарушении координации.

При ЯМР головного мозга исследуются:

• основные сосуды шеи,
• кровеносные сосуды, питающие головной мозг,
• ткани головного мозга,
• орбиты глазниц,
• более глубоко находящиеся части головного мозга (мозжечок, эпифиз, гипофиз , продолговатый и промежуточный отделы ).

Функциональная ЯМР

Данная диагностика основана на том, что при активизации какого-либо отдела головного мозга, отвечающего за определенную функцию, усиливается кровообращение в этой области.
Обследуемому человеку даются различные задания, и во время их выполнения фиксируется кровообращение в разных частях головного мозга. Полученные в ходе экспериментов данные сравниваются с томограммой, полученной в период покоя.

Исследование позвоночника

Этот метод замечательно подходит для исследования нервных окончаний, мышц, костного мозга и связок, а также межпозвоночных дисков. Но при переломах позвоночника или необходимости исследования костных структур, он несколько уступает компьютерной томографии.

Можно обследовать весь позвоночник, а можно только беспокоящий отдел: шейный, грудной, пояснично-крестцовый, а также отдельно копчик. Так, при обследовании шейного отдела можно обнаружить патологии сосудов и позвонков, которые влияют на кровоснабжение головного мозга.
При обследовании поясничного отдела можно обнаружить межпозвонковые грыжи , костные и хрящевые шипы, а также ущемления нервов.

Показания:

• Изменение формы межпозвонковых дисков, в том числе грыжи,
• Травмы спины и позвоночника,
• Остеохондроз , дистрофические и воспалительные процессы в костях,
• Новообразования.

Исследование спинного мозга

Проводится одновременно с обследованием позвоночника.

Показания:

• Вероятность новообразований спинного мозга, очаговое поражение,
• Для контроля над заполнением спинномозговой жидкостью полостей спинного мозга,
• Кисты спинного мозга,
• Для контроля над восстановлением после операций,
• При вероятности заболеваний спинного мозга.

Исследование суставов

Данный метод исследования очень эффективен для исследования состояния мягких тканей, входящих в состав сустава.

Используется для диагностики:

• Хронических артритов ,
• Травм сухожилий, мускул и связок (особенно часто используется в спортивной медицине ),
• Переломов,
• Новообразований мягких тканей и костей,
• Повреждений, не обнаруживаемых иными методами диагностики.

Применяется при:

• Обследовании тазобедренных суставов при остеомиелите , некрозе головки бедренной кости, стрессовом переломе, артрите септического характера,
• Обследовании коленных суставов при стрессовых переломах, нарушении целостности некоторых внутренних составляющих (менисков, хрящей ),
• Обследовании сустава плеча при вывихах , ущемлении нервов, разрыве капсулы сустава,
• Обследовании лучезапястного сустава при нарушении стабильности, множественных переломах, ущемлении срединного нерва, повреждении связок.

Исследование височно-нижнечелюстного сустава

Назначается для определения причин нарушения в функции сустава. Данное исследование наиболее полно раскрывает состояние хрящей и мышц, дает возможность обнаружить вывихи. Применяется и перед ортодонтическими или ортопедическими операциями.

Показания:

• Нарушение подвижности нижней челюсти,
• Щелчки при открывании – закрывании рта,
• Боли в виске при открывании – закрывании рта,
• Боль при прощупывании жевательной мускулатуры,
• Боль в мускулатуре шеи и головы.

Исследование внутренних органов брюшной полости

Обследование поджелудочной железы и печени назначается при:

• Неинфекционной желтухе ,
• Вероятности новообразования печени, перерождения, абсцесса , кист, при циррозе ,
• В качестве контроля над ходом лечения,
• При травматических разрывах,
• Камнях в желчном пузыре или желчных протоках,
• Панкреатите любой формы,
• Вероятности новообразований,
• Ишемии органов паренхимы.

Метод позволяет обнаружить кисты поджелудочной железы, исследовать состояние желчных протоков. Выявляются любые формирования, закупоривающие протоки.

Обследование почек назначается при:

• Подозрении на новообразование,
• Заболеваниях органов и тканей, находящихся возле почек,
• Вероятности нарушения формирования органов мочевыведения,
• В случае невозможности проведения экскреторной урографии.

Перед обследованием внутренних органов методом ядерно-магнитного резонанса необходимо провести ультразвуковое обследование.

Исследование при заболеваниях системы воспроизводства

Обследования малого таза назначаются при:

• Вероятности новообразования матки , мочевого пузыря, простаты,
• Травмах,
• Новообразованиях малого таза для выявления метастазов,
• Болях в области крестца,
• Везикулите,
• Для обследования состояния лимфатических узлов.

При раке простаты данное обследование назначается для обнаружения распространения новообразования на органы, находящиеся рядом.

За час до исследования нежелательно мочиться, так как изображение будет более информативным, если мочевой пузырь несколько заполнен.

Исследование в период беременности

Несмотря на то, что этот метод исследования намного более безопасен, чем рентген или компьютерная томография, категорически не разрешается использовать его в первом триместре беременности.
Во втором и третьем триместрах данных метод назначают только по жизненным показаниям. Опасность процедуры для организма беременной женщины заключается в том, что во время процедуры некоторые ткани нагреваются, что может вызвать нежелательные изменения в формировании плода.
А вот использование контрастного вещества во время беременности запрещено категорически на любой стадии вынашивания.

Меры предосторожности

1. Некоторые ЯМР установки созданы по типу закрытой трубы. У людей, страдающих боязнью замкнутого пространства, может начаться приступ. Поэтому лучше заранее поинтересоваться тем, как будет проходить процедура. Существуют установки открытого типа. Они представляют собой помещение, похожее на рентгеновский кабинет, но такие установки встречаются нечасто.

2. В помещение, где находится прибор, запрещено входить с металлическими предметами и электронными приборами (например, часами, украшениями, ключами ), так как в мощном электромагнитом поле электронные приборы могут сломаться, а мелкие металлические предметы будут разлетаться. Одновременно с этим будут получены не совсем корректные данные обследования.

Перед применением необходимо проконсультироваться со специалистом.

ЯМР или по-английски NMR imaging– это сокращение от словосочетания «ядерный магнитный резонанс». Такой способ исследования вошел в медицинскую практику в 80-х годах прошлого века. Он отличается от рентгеновской томографии. Излучение, используемое в ЯМР, включает радиоволновой диапазон с длиной волны от 1 до 300 м. По аналогии с КТ ядерно-магнитная томография использует автоматическое управление компьютерным сканированием с обработкой послойного изображения структуры внутренних органов.

В чем суть ЯМРТ

В основе ЯМР используются сильные магнитные поля, а также радиоволны, которые позволяют сформировать изображение тела человека из отдельных изображений (сканов). Такая методика необходима для экстренной помощи пациентам с травмами и повреждением мозга, а также для плановой проверки. ЯМРТ называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (телом человека), которое находится в магнитном поле. Это становится возможным при наличии ядер с ненулевым магнитным моментом. Сначала происходит поглощение радиоволн, затем происходит испускание радиоволн ядрами и они переходят на низкие энергетические уровни. Оба процесса можно зафиксировать при изучении и поглощении ядер. При ЯМР создается неоднородное магнитное поле. Нужно лишь настроить антенну-передатчик и приемник ЯМР-томографа на строго определенный участок тканей или органов и снимать показания с точек, меняя частоту приема волны.

При обработке информации от просканированных точек получаются картинки всех органов и систем в различных плоскостях, в срезе, формируется трехмерное изображение тканей и органов с высоким разрешением. Технология магнитно – ядерной томографии очень сложная, в ее основу положен принцип резонансного поглощения электромагнитных волн атомами. Человек помещается в аппарат с сильным магнитным полем. Молекулы там разворачиваются по направлению магнитного поля. Затем проводится сканирование электроволной, изменение молекул сначала фиксируется на особой матрице, а затем передается в компьютер и проводится обработка всех данных.

Области применения ЯМРТ

ЯМР томография имеет достаточно широкий спектр применения, поэтому его гораздо чаще используют в качестве альтернативы компьютерной томографии. Список заболеваний, которые можно обнаружить при помощи ЯМР очень объемный.

• Головной мозг.

Чаще всего такое исследование применяется для сканирования головного мозга при травмах, опухолях, деменции, эпилепсии, проблемах с сосудами головного мозга.

• Сердечно-сосудистая система.

При диагностике сердца и сосудов ЯМР дополняет такие методы, как ангиография и КТ.
ЯМРТ позволяет выявить кардиомиопатию, врожденный порок сердца, сосудистые изменения, ишемию миокарда, дистрофию и опухоли в области сердца, сосудов.

• Опорно-двигательная система.

Широко применяется ЯМР томография и при диагностике проблем с опорно-двигательным аппаратом. При таком методе диагностики очень хорошо дифференцируются связки, сухожилия и костные структуры.

• Внутренние органы.

При исследовании ЖКТ и печени с помощью ядерно-магнитно-резонансной томографии можно получить полноценную информацию о селезенке, почках, печени, поджелудочной железе. Если дополнительно ввести контрастное вещество, то появляется возможность отследить функциональную способность этих органов и их сосудистую систему. А дополнительные компьютерные программы позволяют сформировать образы кишечника, пищевода, желчных путей, бронхов.

Ядерная магнитно-резонансная томография и МРТ: есть ли разница

Иногда можно запутаться в названиях МРТ и ЯМР. Если ли отличие между этими двумя процедурами? Можно однозначно ответить, что нет.
Первоначально, на момент своего открытия магнитно-резонансной томографии в ее названии имелось еще одно слово «ядерная», которое со временем исчезло, осталась только аббревиатура МРТ.

Ядерная магнитно-резонансная томография представляет собой подобие рентгеновского аппарата, однако, принцип действия и возможности у нее несколько другие. МРТ помогает получить визуальную картинку головного и спинного мозга, других органов с мягкими тканями. С помощью томографии есть возможность измерить скорость кровотока, течения ликвора и спинномозговой жидкости. Также возможно рассмотреть, как активируется тот или иной участок коры головного мозга в зависимости от деятельности человека. Врач при проведении исследования видит объемное изображение, которое позволяет ему ориентироваться в оценке состояния человека.

Существует несколько способов исследования: ангиография, перфузия, диффузия, спектроскопия. Ядерная магнитно-резонансная томография является одной из самых лучших методик исследования, так как она позволяет получить трехмерное изображение состояния органов и тканей, а значит, диагноз будет установлен более точно и лечение будет выбрано правильное. ЯМР исследование внутренних органов человека представляет собой именно образы, а не реальные ткани. Образы появляются на фоточувствительной пленке, когда поглощаются рентгеновские лучи при получении рентгеновского снимка.

Основные плюсы ЯМР-томографии

Преимущества томографии ЯМР по сравнению с другими методами исследования многогранны и значительны.

Минусы ЯМР-томографии

Но конечно и такой метод не лишен своих недостатков.

• Большая энергозатрата. Работа камеры требует большого количества электроэнергии и дорогих технологий для нормальной сверхпроводимости. Но магниты с большой мощностью не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека.
• Длительность процесса. Ядерная магнитно-резонансная томография является менее чувствительным методом по сравнению с рентгеном. Поэтому требуется большее время для просвечивания. К тому же искажение картинки может происходить из-за дыхательных движений, что искажает данные при проведении исследований легких и сердца.
• При наличии такого заболевания, как клаустрофобия, является противопоказанием для исследования при помощи ЯМРТ. Также нельзя проводит диагностику при помощи ЯМР-томографии, если имеются крупные металлические имплантаты, кардиостимуляторы, искусственные водители ритма. При беременности диагностику проводят только в исключительных случаях.

Каждый крошечный объект человеческого тела может быть исследован при помощи ЯМР-томографии. Только в некоторых случаях следует включать распределение концентрации химических элементов в организме. Для того чтобы измерения становились более чувствительными, следует накапливать и суммировать довольно большое количество сигналов. В таком случае получается четкое изображение высокого качества, которое адекватно передает реальность. С этим связана и длительность пребывания человека в камере для проведения ЯМР-томографии. Придется неподвижно пролежать довольно долго.

В завершение можно сказать, что ядерная магнитно-резонансная томография является довольно безопасным и абсолютно безболезненным методом диагностики, который позволяет полностью избежать воздействия рентгеновских лучей. Компьютерные программы позволяют обрабатывать получившиеся сканы с формированием виртуальных изображений. Границы ЯМР поистине безграничны.

Уже сейчас такой способ диагностики является стимулом для ее стремительного развития и широкого применения в медицине. Метод отличается своей малой вредностью для здоровья человека, но при этом позволяет тщательно исследовать строение органов, как здорового человека, так и при имеющихся заболеваниях.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) выполняется с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) - одного из новейших достижений медицинской науки в области диагностики. Основное условие для создания этого технического шедевра - современнейшие компьютеры и компьютерные программы.

Этот метод от обычной компьютерной томографии отличается способом получения изображения. Вместо обычных рентгеновских лучей используется сильное магнитное поле. Во время этого обследования больной не подвергается радиоактивному рентгеновскому облучению, не возникают побочные реакции, характерные для облучения.

Как проводится МРТ?

Основные необходимые приборы для выполнения этого метода - большая магнитная цилиндрическая труба и компьютер. Для получения изображения используется особенное свойство атомов излучать электромагнитные волны под воздействием сильных магнитных импульсов. В зависимости от плотности ткани, поток электромагнитных волн будет различным, и на компьютере будет получено их изображение. Пациента помещают в «магнитную трубу» и кратковременно активизируют магнитное поле. Специальное устройство регистрирует электромагнитные волны, идущие от тела обследуемого, компьютер эти волны превращает в изображение. Если необходимо получить несколько изображений срезов, то измерения должны быть повторены. Ряд срезов компьютер может превратить в трехмерное пластическое изображение.

Что можно диагностировать с помощью МРТ?

Метод МРТ является одним из наиболее точных в диагностике. При его применении обнаруживают изменения белого вещества мозга, выполняют специальные исследования кровеносных сосудов, исследование циркуляции мозговой жидкости, а с помощью новейшей техники - исследование энергетического обмена мозга и обмена веществ в мозге. Обычная компьютерная томография незаменима при диагностике травм, кровяного давления, переломов костей. С помощью ЯМР лучше всего исследовать ткани, в которых много жидкости. Его можно использовать при изучении внутренних органов - сердца и почек.

Опасна ли МРТ?

До сих пор нет данных, что эти обследования вредны для человека. Однако магнитное поле при обследовании пациентов, в теле которых находятся металлические протезы и имплантаты, может вызвать у них проблемы. В этих случаях применение МРТ запрещено. При работе с этим аппаратом в одежде не должно быть никаких металлических предметов.

Единственная проблема магнитно-резонансной томографии - дороговизна. Это обследование выполняется только в случае невозможности диагностирования другими методами. Кроме того, для выполнения этого исследования необходимо больше времени. Несколько ограниченны возможности обследования детей из-за их страха перед закрытыми пространствами (необходимость нахождения в цилиндрической «трубе»).

Этот исследовательский метод постоянно совершенствуется. Магнитно-резонансная томография - информативный, безопасный метод диагностики, позволяющий получить изображения органов в различных плоскостях. На экране компьютера видно трехмерное изображение, что, например, позволяет осмотреть мозг человека со всех сторон и на любой глубине.

Современная медицинская диагностика базируется на двух видах исследований: прикладных (биологических, химических и т.п.) и визуализационных. Если первый вид исследований появился с незапамятных времен, когда человек определял наличие болезни, как говорится, «по запаху и на язык», то визуализация внутренних органов без повреждения организма стала возможной только с открытием свойства радиоактивных материалов производить проникающее излучение, известное сейчас как «рентгеновское».

Открытия физиков в мире элементарных частиц подарили медицине еще один способ получения изображений всех тканей и органов человеческого тела без прямого внедрения. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых передовых и продолжающих развиваться видов получения информации о состоянии живых организмов.

В диагностике заболеваний позвоночника МРТ является ведущим типом визуализации, т.к. конструкция позвоночного столба включает множество элементов из мягких тканей (межпозвоночные диски, связки, сумки фасеточных суставов), для которых магнитно-резонансная томография является наилучшим способом «неразрушающего контроля».

Что такое МРТ?

В основе визуализационного метода исследований, названного «Магнитно-резонансная томография», лежит одно из открытий квантовой физики и физики элементарных частиц, что ядра определенных элементов способны излучать излишки энергии, поглощенной под воздействием ориентированных магнитных полей и радиочастотных излучений.

Явление «ядерного магнитного резонанса», на котором базируется магнитно-резонансное исследование предметов (живых и неодушевленных), было открыто в 1922 году в ходе эксперимента по определению «спиновой квантизации» в электронах. Именно тогда ученые-физики поняли, что понятие квантовой физики «спин» (момент импульса частицы) имеет физическое выражение.

В ходе исследований по воздействию радиочастотных (РЧ) излучений на частицы, находящиеся в сильном магнитном поле, в 1937 году было выявлено, что ядра образцов поглощают РЧ-энергию определенной частоты и излучают после отключения внешнего импульса. Такое действие могут производить только частицы, ядра которых обладают электрическим зарядом и спином. Такие свойства присущи элементам, в ядре которых присутствует один «лишний» протон (т.е. количество протонов превышает количество электронов). Современная МР томография использует в исследованиях свойства нескольких «органических» элементов, самым популярным из которых является водород Н(1).

Находясь в сильном однородном магнитном поле ядро водорода, состоящее из одного протона, под воздействием радиоимпульса, излученного на определенной частоте (Ларморовская частота резонанса), способно «возбудиться»: энергия поглощенного РЧ-импульса переводит атом водорода на более высокий энергетический уровень. Но это нестабильное состояние неспособно сохраняться без внешнего воздействия, и когда импульсы прекращаются, происходит возврат к стабильному состоянию (релаксация). В процессе этого «остывания» ядро излучает электромагнитную волну, которую можно зафиксировать. Дальнейшее – дело сложных математических пространственных вычислений, в ходе которых сигнал определенного атома превращается в «пиксель» с определенными координатами.

Что заставляет ядро водорода поглощать энергию РЧ-импульса? Именно взаимодействие собственного магнитного поля ядра и наведенного вокруг «объекта исследований», большого, постоянного и ориентированного в определенном направлении магнитного поля, созданного сильными электромагнитами. Каждое ядро атома водорода является единичной магнитной системой, обладающей уникальной направленностью магнитного момента. Магнитные моменты всех протонов принудительно ориентируются в том направлении, в каком направлен вектор магнитной индукции внешнего поля. Энергия РЧ-импульса, излученного на частоте, совпадающей с частотой вращения протонов, поглощается, изменяя положение оси, ориентированной вдоль общего направления магнитного поля (поворачивается на 90 (Т1) и 180 градусов (Т2)). Возврат в нормальное, т.е. «невозбужденное», состояние с разворотом оси вращения в первоначальном направлении сопровождается излучением электромагнитной волны с той же частотой, на которой произошло поглощение энергии. В положениях Т1 и Т2 ядра водорода «запасают» разное количество энергии, и соответственно мощность излучения различается (первое состояние дает меньший импульс, нежели второе).

Это самое простое объяснение сути ядерно-магнитного резонанса в единичной системе, какой является атом водорода, но в плотном веществе для получения результатов требуется более сложное приложение магнитных полей. Для этого введены дополнительные магнитные поля, названные «градиентные». С их помощью можно менять направленность общего магнитного поля в трех измерениях, что позволяет получать изображения в любой проекции (плоскости) и формировать трехмерные изображения с помощью компьютерной обработки (как в компьютерной рентгеновской томографии).

По справедливости томографию следовало бы называть «ядерно-магнитной», т.к. используется именно излучение ядер атомов. Но после аварии, повлекшей разрушение атомного реактора на Чернобыльской АЭС и заражение прилежащих территорий радиоактивными выбросами, любое название, содержащее слово «ядерный», воспринимается со значительной долей нездорового скептицизма. Сокращение было принято для сохранения спокойствия населения, не знакомого с квантовой физикой.

История изобретения, устройство и принцип действия

Современные магнитно-резонансные томографы выпускаются в нескольких технически продвинутых странах, из которых на долю США приходится до 40% общего объема производства. Это не случайно, т.к. большинство основных технологических открытий, касающихся МР томографии, было сделано в американских научных центрах:

• 1937 год – профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Исидор Раби провел первый эксперимент по исследованию ядерно-магнитного резонанса в молекулярных лучах;
• 1945 год – в двух университетах (Стэнфорде и Гарварде) проводились фундаментальные исследования ЯМР в твердых объектах (Ф. Блох и Э. Парселл);
• 1949 год – Э.Ф. Рамсей (Колумбийский университет) сформулировал теорию химического сдвига, легшую в основание МР спектроскопии, обеспечившей химические лаборатории самой точной аналитической аппаратурой;
• 1971-1977 годы – физик Раймонд Ваган Дамадиан с группой коллег (Бруклинский медицинский центр) создал первый МР-сканер и получил изображение внутренних органов живых объектов (и в том числе человека). В ходе исследований медики выявили, что изображения опухолей сильно отличаются от здоровых тканей. На проектирование и проведение работ потребовалось около 7 лет;
• 1972 год – химик Пол Лаутербур (Госуниверситет г. Нью-Йорк) получил первое двумерное изображение, используя собственные разработки по применению переменных градиентных магнитных полей.

В 1975 году швейцарский физикохимик Рихард Эрнст предложил методы увеличения чувствительности МРТ (использование преобразований Фурье, фазовое и частотное кодирование), значительно увеличившие качество двумерных изображений.

В 1977 году Р. Дамадиан представил научному миру первое изображение среза грудной клетки человека, сделанное на первом МР-сканере. В дальнейшем техника только совершенствовалась. Особенно большой вклад в развитие МРТ внесло развитие компьютерной техники и программирования, позволившее программно управлять сложным комплексом электромагнитного оборудования и обрабатывать полученное излучение для получения пространственного изображения или двумерных «срезов» в любой плоскости.

На текущий момент существует 4 типа МР-томографов:

1. На постоянных магнитах (небольшие, переносные, со слабым магнитным полем до 0,35 Тл). Позволяют производить «полевые» исследования во время операций. Наибольшее применение получают постоянные неодимовые магниты.
2. На резистивных электромагнитах (до 0,6 Тл). Достаточно громоздкие стационарные аппараты с мощной системой охлаждения.
3. Гибридные системы (на постоянных и резистивных магнитах);
4. На сверхпроводящих электромагнитах (мощные стационарные системы с криогенной системой охлаждения).

Самое высокое качество изображения, четкое и контрастное, ученые получают на криогенных МР-томографах с сильными магнитными полями до 9,4 Тл (в среднем – 1,5 -3 Тл). Но практика показывает, что для получения качественного изображения требуется не столько мощное поле, но в большей мере быстрая обработка сигналов и хорошая контрастность. С развитием программного обеспечения мощность магнитов стандартных медицинских МР-сканеров снижена до 1-1,5 Тл. Самые мощные томографы изготавливаются для научных медицинских исследований.

Стандартный МР-томограф состоит из нескольких блоков:

1. Система из нескольких магнитов:

• большой торовидный магнит, создающий постоянное поле;
• градиентные магнитные катушки, с помощью которых производится изменение направления вектора магнитной индукции («смещаются полюсы») в трех измерениях. Для смещения градиента изобретены катушки разных форм и размеров (8-образные, седловидные, парные (Гельмготца), Максвелла, Голея). Контролируемая компьютером работа одиночных и парных катушек способна направить моменты ядер в любую сторону или даже развернуть относительно первоначально заданного большим магнитом направления;
• шиммирующие катушки, необходимые для стабилизации общего поля. Малые магнитные поля этих катушек компенсируют посторонние наводки или возможную неоднородность поля, созданного большим и градиентными магнитами;
• РЧ-катушка. Радиочастотные катушки создают магнитное поле, пульсирующее с частотой резонанса. Разработаны и применяются три вида катушек: передающие, принимающие и комбинированные (передающе-принимающие). РЧ-излучатель одновременно является и детектором, т.к. при наведении на катушку внешнего излучения, созданного «релаксирующими» протонами, в ее контуре возникают индукционные токи, фиксируемые как РЧ-сигналы. Конструкции детекторов – катушек делятся на два типа: поверхностные и объемные, т.е. окружающие объект. Формы зависят от способов улавливания сигналов, при которых учитываются мощность и направленность излучений. Например, объемная катушка «птичья клетка» служит для получения более качественных изображений головы и конечностей. На томографе установлено несколько парных и одиночных РЧ-катушек для всех видов и направлений РЧ-сигналов.

Самое мощное поле создается сверхпроводящими магнитами. Большой кольцевой магнит, создающий постоянное поле, погружен в герметичный сосуд, наполненный сжиженным гелием (t= -269 о С). Этот сосуд замкнут в другом, большем герметичном сосуде. В пространстве между двумя стенками создан вакуум, что не позволяет гелию нагреться ни на долю градуса (количество вложенных вакуумных сосудов может быть больше двух). Чем меньше сопротивление в проводе катушки, тем выше мощность магнитного поля. Именно этим свойством обосновано применение сверхпроводников, сопротивление в которых близко к 0 Ом.

Система управления томографом состоит из устройств:

• компьютер;
• программатор градиентных импульсов (формирует направление магнитного поля с помощью изменения амплитуды и вида градиентных полей);
• градиентный усилитель (управляет мощностью градиентных импульсов через изменение выходной мощности катушек);
• источник и программатор РЧ-импульсов формируют амплитуду резонансного излучения;
• РЧ-усилитель изменяет мощность импульсов до необходимого уровня.

Компьютер управляет блоками формирования полей и импульсов, принимает данные из детекторов и обрабатывает, трансформируя поток аналоговых сигналов в цифровую «картину», которую выводят на монитор и печать.

МР-сканер (т.е. магнитная система) в обязательном порядке окружается системой экранирования от внешних «наводок» электромагнитного и радиоизлучения, которые могут исходить от источников радиосигналов и любых металлических предметов, попавших в сильное магнитное поле. Металлическая сетка или сплошное листовое покрытие стен комнаты создают электрически проводящий экран типа «клетка Фарадея».

МРТ в медицинской диагностике

Магнитно-резонансная томография полностью отличается от рентгеновского просвечивания, т.к. это буквально не «аналоговый» (т.е. фотографический) способ получения изображения, а построение образа с помощью оцифрованных данных. То есть картинка, которую человек видит на экране, является продуктом дешифровки множества микроскопически малых сигналов, которые улавливает детектор томографа (РЧ-катушка). Каждый из этих электромагнитных импульсов обладает определенной мощностью и пространственными координатами внутри тела. Обработка и построение изображения на основании полученных импульсов «релаксации протонов» производится мощным компьютером по специальным программам.

В МРТ используется набор последовательностей РЧ-импульсов, которые создают определенные режимы «возбуждения» протонов водорода в тканях организма с уникальной интенсивностью поглощения и соответствующего возврата энергии. Фактически последовательности являются компьютерными программами, согласно которым производится излучение РЧ-сигналов с определенной амплитудой и мощностью и управление градиентами магнитных полей.

Водород является самым распространенным элементом в теле, т.к. не только присутствует во всех органических молекулах, но и, как компонент воды, содержится в большинстве тканей. Именно поэтому (а также потому, что в ядре только один протон, что позволяет легче вызвать резонанс) томография лучше отображает мягкие ткани, в которых концентрация воды значительно выше. На МРТ-изображении кости, содержащие крайне мало свободных молекул воды, выглядят как непроглядно черные области.

Многочисленные эксперименты показали, насколько различным может быть время релаксации протона, если атом, в котором находится эта элементарная частица, находится в определенном виде ткани. Причем если эта ткань здорова, время «отклика» будет значительно отличаться. Именно по времени релаксации, т.е. скорости возврата РЧ-импульса, компьютером определяется яркость объекта.

В медицинской диагностике с помощью МРТ обследуют не только плотные ткани, но и жидкости: МР-ангиография позволяет определять места образования тромбов, выявлять турбулентности и направление тока крови, измерять просвет сосудов. В исследованиях жидкой среды помогают специальные вещества, изменяющие время отклика протонов в составе жидкости. Контрастные вещества содержат соединения элемента «гадолиний», у которого имеются уникальные магнитные свойства ядер атомов, за которые его называют «парамагнетик».

Также с помощью МРТ измеряется внутренняя температура в любой точке тела. Бесконтактная термометрия основана на измерении резонансных частот тканей (температура измеряется на основании отклонений частоты релаксации в ядах водорода в атомах воды).

В основе построения изображений лежит фиксация трех базовых параметров, которыми обладают протоны:

• время релаксации Т1 (спин-решеточная, поворот оси вращения протона на 90 о);
• время релаксации Т2 (спин-спиновая, поворот оси вращения протона на 180 о);
• протонная плотность (концентрация атомов в ткани).

Другими двумя условиями, влияющими на контрастность и яркость изображения, являются время повторения последовательности и время появления эхо-сигнала.

Используя в последовательностях РЧ-импульсы с определенной мощностью и амплитудой и измеряя время отклика Т1 и Т2, исследователи получают изображения одних и тех же точек тела (тканей) с разной контрастностью и яркостью. Например, короткое время Т1 дает мощный РЧ-сигнал релаксации, что при построении образа выглядит ярким пятном. По комбинации световых характеристик ткани в разных последовательностях выявляются увеличение концентрации воды, жира или конкретное изменение характеристик ткани, говорящее о наличии опухоли или уплотнения.

Для полноты информации о магнитно-резонансной томографии нужно сказать, что управление магнитными полями и радиочастотными импульсами не обходится без «казусов», необычно выглядящих изображений. Их называют «артефактами». Это любая точка, область или черта, присутствующие на изображении, но отсутствующие в организме в виде изменения ткани. Причиной появления таких артефактов могут быть:

• случайные наводки от неизвестных металлических предметов, попавших в магнитное поле;
• неисправности аппаратуры;
• физиологические особенности организма («фантомы», пятна, вызванные движением внутренних органов при дыхании или сердцебиении);
• неверные действия оператора.

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

Использование МРТ в диагностике заболеваний позвоночника

Позвоночник – самая подвижная часть опорно-двигательного аппарата. Именно мягкие ткани обеспечивают и подвижность, и целостность позвоночной системы. Если подсчитать все известные и распространенные заболевания позвоночника, на долю повреждений мягких тканей придется до 90% от всех учтенных болезней. А если включить неврологические болезни спинного мозга и спинномозговых нервов и различные виды опухолей, то статистика возрастет до 95-97%. Иначе говоря, болезни, повреждающие костные ткани позвонков, встречаются более чем редко по сравнению с болезнями мягких тканей: межпозвоночных дисков, суставных сумок, связок и мышц спины.

Если сравнивать симптомы различных нарушений целостности мягких тканей, сходство будет исключительным:

• боли (локальные и распространенные в определенной области);
• «корешковый синдром» (нарушения целостности спинномозговых нервов и связанные с ними искажения сенсорных сигналов и ответных реакций);
• различные по силе параличи (плегии), парезы и потери чувствительности.

Именно поэтому результаты магнитно-резонансной томографии имеют высокий статус «решающего слова» в визуализационной диагностике заболеваний позвоночника. Иной раз качественный снимок пораженного участка – это единственный способ окончательно утвердить диагноз, сделанный на основании предварительного осмотра, неврологических тестов и анализов.

Показанием для проведения обследования в МРТ считается наличие воспалительных процессов в области позвоночного столба, сопровождающихся активной иммунной реакцией (повышение температуры тела, отекание тканей, покраснение кожного покрова). Анализы подтверждают наличие иммунной реакции, но не способны указать точное положение места инфицирования и воспаления. МР томограмма с точностью до 1 мм устанавливает координаты очага, ареал распространения воспалительного процесса. МР ангиограммы укажут границы тромбирования сосудов и отека тканей. В исследовании хронических заболеваний (остеохондроз во всех стадиях, спондилоартроз и т.п.) МРТ показывает исключительную полезность.

Также прямым показанием для применения МРТ являются симптомы, указывающие на возможное образование абсцессов в эпидуральной области: сильные локализованные боли, «корешковый синдром», прогрессирующая потеря чувствительности и парализация конечностей и внутренних органов.

Инфекционные заболевания, способные повредить все типы тканей (туберкулез, остеомиелит), требуют комплексного исследования с помощью МРТ и компьютерной томографии (КТ). На МР томограммах выявляются поражения нервных тканей, хрящевых межпозвоночных дисков, суставных сумок. КТ дополняет общую картину данными о разрушениях костных тканей тел позвонков и отростков.

Повреждения спинного мозга и близких к ним тканей (кровеносных сосудов, оболочек мозга, внутренней надкостницы спинномозгового канала) требуют многосторонних и кропотливых исследований на МРТ, т.к. большая часть нарушений нервных тканей связана с образованием опухолей (доброкачественных и раковых), изредка – абсцессов (эпидуральных и субдуральных). Исследования магнитно-резонансной томографии первоначально были нацелены на выявление именно опухолевых образований в ЦНС. Многолетние наблюдения и систематизация накопленного опыта позволяют исследователям определять появляющиеся новообразования на первой стадии, «в зачаточном состоянии».

Развитие сканерной техники направлено на повышение детализации, контрастности и яркости изображения объектов любого размера, а также на максимально быстрое получение данных после излучения РЧ-импульса. Современный МР-томограф способен «показывать» происходящие процессы в реальном времени: сердцебиение, движение жидкостей, дыхание, сокращение мышц, образование тромба. Малые открытые МР-сканеры на постоянных магнитах позволяют производить операции с минимальным уровнем повреждений поверхностных тканей (интервенционная МРТ).

Компьютерное программирование позволяет построить по данным, полученным со сканера, объемное изображение на экране монитора или с помощью лазерной техники.

Развивается направление МРТ исследований позвоночника в вертикальном положении. Подвижная установка оборудована столом, меняющим положение на 90 о, что позволяет снять в реальном времени изменения в позвоночном столбе при увеличении вертикальных нагрузок. Особенно ценны такие данные при изучении травм (переломов разных типов) и спондилолистеза.

По отзывам проходивших обследование, они не испытывают никаких болезненных ощущений. Самое большое впечатление на них производит шум, который создает аппаратура: «сильный стук в стенках тоннеля, как будто поблизости работает перфоратор». Это вращается подвижная деталь постоянного магнита.

Противопоказания

Однозначным препятствием проведению МРТ обследования является наличие в теле пациента имплантатов и устройств, содержащих металлы, в любой степени обладающие свойствами ферромагнетиков. Для информации: только чистый титан, применяющийся для создания вертебральных систем фиксации, не обладает магнитными свойствами.

Наличие в теле пациента кардиостимулятора, кохлеарного имплантата с электронным оборудованием и металлическими деталями сразу вызовет в магнитном поле возмущения, которые на томограмме создадут «артефакт». Кроме того, электронный аппарат выйдет из строя, причинив владельцу максимальный ущерб. К такому же результату приведет наличие в теле искусственных суставов, штифтов, скоб или даже осколков металла, оставшихся после ранения. Некоторые химические соединения, входящие в состав красок для татуажа, также обладают ферромагнитными свойствами (в частности, микроскопические частицы способны нагреваться в сильном магнитном поле, что приводит к ожогам глубоких слоев эпидермиса).

Во время обследования от пациента требуется максимальная неподвижность во время достаточно продолжительного времени. Препятствием к проведению МРТ может быть психическая нестабильность, определенные фобии (клаустрофобия, например), которые вызовут у обследуемого шоковое состояние, истерику, непроизвольную подвижность.

Для повышения качества изображения могут применяться контрастные вещества (соединения гадолиния), свойства которых еще не до конца изучены. Например, как они могут подействовать на развитие плода во время первых трех месяцев беременности. Поэтому не рекомендуется проводить обследования беременных женщин, требующие применения контрастных веществ. Кроме того, у людей, имеющих индивидуальную физиологическую непереносимость, эти препараты могут вызвать непредвиденную анафилактическую реакцию.

Совершенствование техники, использующей явление ядерно-магнитного резонанса, дает медикам, химикам и биологам мощный инструмент для исследования текущих процессов в живом организме и поиска патологий на самых ранних стадиях развития.

Статьи по теме