В исполнении Сережи, ибо меня на этой не было

МРТ будет разбито на 4 части. Сегодня – физика.

МРТ – томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса (поэтому раньше звали яМР – ядерно магнитно-резонансная томография)

Впервые описан Исидорои РАби в 1938 году, он обнаружил ЯМР в молеулярных пучках(получил Нобелевку )

В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Пёрселл получили ямр в жидкостях и твердых телах.(то же Нобелевка)

ЯМР- ядра некоторых атомов могут поглощать энергию в РЧ – диапазоне и переизлучают эту энергию при переходе их к первоначальной ориентации. Так как нужна определенная частота РЧ и соответствующая напряженность магнитного поля – стали звать ядерно-магнитным резонансом.

С помощью Ямр быстро научились определять хим. Состав.

В 1940-ом в СССР Завойский Евгений Константинович открыл явление электронного парамагнитного резонанса (не ядра, а электроны). Про него всегда рассказывается при обсуждении МРТ, есть даже премия его имени.

ЯМР использовался для определения хим.состава веществ. Однако Пол.Лотербур предложил, как при помощи метода получать изображение – предложил накладывать на постоянное магнитное поле слабый магнитный градиент ,что позволит строить изображение по сечениям. Он назвал такой метод «зойгматография»(от греческого «упряжь»).Дали ему нобелевку. Параллельно британский физик Мэнсфилд разработал мат.метод, который позволяет радиосигнал, полученный от прибора преобразовывать в изображение.

В 1971 –ом Раймогд Дамадьян опубликовал статью, что опухоли и нормальные ткани по-разному реагируют на ЯМР. Создал и первую компанию-производителя.Он был первым, кто получил МРТ человека при жизни.

В СССР в конце 1950-ых лейтенант Иванов предложил использовать метод для исследования челоека. В 1960-ом подал заявку «Способ исследования внутреннего строения материальных тел» на патент.Заявка на патент отвергнута как нереализуемая, т.к считалось ,что не только поле, но и объект должны быть однородными + нужен компьютер нереальных размеров.

Первые коммерческие томографы – конец 70-ых (филипс и сименс)

В чем суть физических явлений?

Спин (описал Вольфганг Паули)– собственный момент импульса элементарных частиц, имеющим й квантовую природу и не связан с перемещение частицы как целого.

Спин атомного ядра – векторная сумма спинов элементарных частиц ,образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы

Что же такое спин – вращающийся шарик теряет свойство симметричности,у него появляются доп.хар-ки. Спин – вращение вокруг собственной оси частицы. Бывают целые спины, может быть полуцлым. Целый – условно это возвращение в свое начальное состояние . Если равен 2- эта как будто шарик из двух вращающихся половинок, и для возвращения в состояние им нужно пол-оборота.

Нецелые спины – у изотопов.

Магнитный момент – основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества (открыл Отто Штерн) – тоже получил Нобелевку – спин порождает определенный магнитный момент ,а значит приводит к дополнительному взаимодействию с магнитным полем. Магнитным моментом обладаютсдра с нечетным массовым числом (с полуцелым спином) ,у остальных не видно. Интересны нам в этом плане – водород (1H)(13C)(19F)(31P).Проще всего с водородом, который видно по распределению воды.

Спин протона – ½. Протон его обладает магнитным моментом.

Спины протонов в магнитном поле ориентируются либо вдоль, либо, либо против магнитного поля.Без магнитного поля они ориентированы хаотично.

Что такое прецессия. – движение оси вращения твердого тела, при котором она (ось) описываеть круговую коническую поверхность.

-протон, между стрелками – прецессия вокруг направления

магнитного поля

Прецессия вокруг магнитного поля – прецессия Лармора, который предсказал её еще в 1895-ом году. Прецессирует протон с определенной частотой – частотой Лармора, измеряется в мегагерцах.

w- угловая частота Лармора

y- гиромагнитное отношение (мГЦ/Тл), характеризует отношения механических и магнитных свойств ядра и зависит от типа ядра

b₀ – напряженность магнитного поля, измеряемого в Теслах(ТЛ).

Поле мы задаем сами, знаем гиромагнитное отношение (для водорода оно 42,58 мГЦ/Тл), соответсвенно расчет частоты прецессии- не проблема.

Намагниченность – в магнитном поле протоны ориентируются в или против направления поля.Когнда ориентация случайна, общая намагниченность = 0, когда мы помещаем в магнитное поле, макроскопическая намагниченность изменяется в определенном направлении .Если подавать радио-частотный(РЧ) импульс на частоте Лармора , возникает второе магнитное поле B₁ и протоны начинают прецессировать так же вдоль направления этого второго поля. В результате направление макроскопической намагниченности изменяется , и это изменение регистрируется томографом.

Вращающаяся система координат – с помощью неё убираются все лишние и не информативные для задачи вращения.

Свободная индкуция – поперечная намагниченность индуцирует ток в принимающей катушке, окружающей исследуемый образец.В МРТ, по большому счету, все фиксируется изменениями тока в катушках.

Когда возбуждающий РЧ-импульс выключается, спины начинают возвращаться к равновесному состоянию и при этом регистрируется сигнал(т.к колеблется общая намагниченность, происходит спад свободной индукции). В разных частях томографа немного разное магнитное поле и поэтому затухающие колебания неоднородны (где-то частота РЧ сработала, где-то нет, это нужно для более точной локализации).В 1961-ом году Р.Эрнст предложил использовать Фурье-преобразования для получения спектра ЯМР, Это позволило существенно увеличить чувствительность метода

Собственно устройство томографа.

1.Магнит

2.катушки ,которые создают градиентное(неоднородное) магнитное поле

3.Передатчик РЧ-импульсов и РЧ-приемник.

4.Источник питания и системы охлаждения.

5.Системы получения и обработки данных.

6.Консоль оператора, дополнительные консоли

В зависимости от напрженности магнитного поля классифицируют томографы – со сверхслабым полем(до 0,1 Тл), со слабым полем (0,1 Тл до 0,5 Тл)

Со среднем полем – от 0,5 до 1 Тл

С сильным – от (1 до 2)

Со сверхсильным – от 2 Тл.

Сейчас наиболее распространены 1.5Тл и 3-х тесловые томографы. Есть и 7Тл и больше.

Есть внутри томографов – постоянные магниты ,которые дают слабое поле, имеют открытую конструкцию, почти не требуют электроэнергии, не требуют сверх-охлаждения, нормальное качество для простых и рутинных исследований.

Недостатки – чуть дешевле, но сильно проигрывают в мощности, плюс чувствительны к колебаниям температуры, , нельзя выключить, низкое значение отношения сигнал/шум, слишком большая масса.

Резистивные магниты – поле создается при помощи 1 или нескольких электромагнитов. Напряженность – от 0,3 до 0,7 Тл

Плюсы – отрытая конструкция, легко установить в труднодоступных местах, можно использовать более сложные методы получения изображения(вносить изменение в поле), можно выключить, малый вес.

1.Стоит дорого (по соотношению польза)

2.Чудовищно жрет электроэнергию

3.Низкое значение отношения сигнал/шум

4.Сильно греются

5.Нужна мощная система охлаждения

Гибридные магниты – комбинация постоянных с электромагнитным

+ дешевле сверхпроводящих, можнеее постоянных и резистивных (в среднем – 0,4 Тл), масса – 10/15 тонн

Минусы – устпают в величине поля сверхпроводящим, прорва энергии на запуск, греются, нужна система охлаждения.

Сверхпроводящие магниты – поле создается электромагнитом, сделан из сверхпроводников , которым нужно охлаждение до 4 градусов Кельвина. Максимум этого поля не установлен.

Плюсы – высокая однородность поля , высокое отношения сигнал/шум, легче реализовывать сложные методы получения изображений, можно проводить магнитно-резонансную спектроскопию.

Минусы – высокая стоимость и расходы , 2. Требуется специальное помещение (большое поле рассеяния). 3. Склонность к артефактам. 4. У пациентов возникает клаустрофобия 5. Опасность квенча . Состав – Вакуум, жидкий гелий(дорогой, кипит при температуре в 10К), жидкий азот, контейнер и опора ,сверхроводящая катушка

Квенч – потеря сверхпроводимости, катушка начинает греться, нагревать гелий, который кипит и который надо выпустить наружу, чтоб не разорвало ничего + в любом случае закупать закупить гелий заново придется(50 тысяч долларов примерно+ разрежение атмосферы в процедурной комнате, и возникает недостаток кислорода в комнате)

Шиммирование – корректировка неоднородностей магнитного поля. Причины – дефекты магнита, присутсвие ферромагнитных материалов в конструкции томографа. Как справляются – пассивно (помещают маленькие постоянные магниты в места неоднородности), либо активно – используют спец.катушки, которые создают вспомогательные магнитные поля для компенсации неоднородности главного поля.

Экранирование - применяется для ограничение рассеяния поля магнита, компенсирования неоднородности магнитного поля, увеличения его напряженности(отчасти), защиты окружающего пространства, защиты МР-томографа от РЧ-помех.

Активное экранирование – при помощи ЭМ катушек

Пассивное – тонкие желзные щитки вне магнита . Комната устроена по принципу клетки Фарадея (покрыта медными пластинами и экранирована , чтобы не допустить внешний РЧ-сигнал).

В стоимость томографа экранирование не входит.

Градиентные магнитные поля – градиентные поля необходимы для получения изображений(для определения координат точек)Для создания слабого градиентного поля необходимо 3 набора градиентных катушек(по 3-м осям).

РЧ-катушки делаются так, чтобы обхект внутри катушки заполнял не менее 70% объема катушки. Есть передающие и принимающие катушки (+совмещающие обе функции) + есть объемные и поверхностные (плоские)

Компьютерная система – есть управляющий компьютер, компьютер обработки изображение, консоли вывода и документации изображений и системы хранения данных.

Литература по МРТ – Ринк(кк) «Магнитный резонанс в медицине»

Томография – получение срезов.

Компьютерная томография, линейная – двигается и источник ренгентовских лучей и принимающие пластинки и ангиография(изучение сосудов ) – с – методы рентгеновской томографии.

В трубке Крукса

Радон – метод восстановления интегральных функций по их характеристикам. Метод работал для визуализации мягких тканей

Разобраться с КТ. По Календэр.

Гентри – кольцевая часть томографа

Лекция 3, 20.09.2012

МРТ (часть 2)