Магнітно-резонансний томограф (МРТ) – принцип роботи

У 1973 році американський хімік Пол Лотербур опублікував в журналі Nature статтю під назвою «Створення зображення за допомогою індукованого локального взаємодії; приклади на основі магнітного резонансу ». Пізніше британський фізик Пітер Менсфілд запропонує більш досконалу математичну модель отримання зображення цілого організму, а в 2003 році дослідники отримають Нобелівську премію за відкриття методу МРТ в медицині.

Чималий внесок у створення сучасної магнітно-резонансної томографії внесе і американський вчений Реймонд Дамадьян, батько першого комерційного апарату МРТ і автор роботи «Виявлення пухлини за допомогою ядерного магнітного резонансу», опублікованій в 1971 році.

Але справедливості заради варто відзначити, що задовго до західних дослідників, в 1960 році, радянський вчений Владислав Іванов вже докладно виклав принципи МРТ, проте авторське свідоцтво він отримав лише в 1984 році … Давайте ж залишимо суперечки про авторство, і розглянемо нарешті в загальних рисах принцип роботи магнітно-резонансного томографа.

У наших організмах дуже багато атомів водню, а ядро ​​кожного атома водню – це один протон, який можна представити у вигляді маленького магнітика, існуючого завдяки наявності у протона ненульового спина. Те що ядро ​​атома водню (протон) має спін, – це значить що воно як би обертається навколо своєї осі. При цьому відомо, що у ядра водню є позитивний електричний заряд, а обертовий разом із зовнішньою поверхнею ядра заряд – це подібність маленького витка зі струмом. Виходить, що кожне ядро ​​атома водню – це мініатюрний джерело магнітного поля.

Якщо тепер багато ядер атомів водню (протони) помістити в зовнішнє магнітне поле, то вони почнуть намагатися зорієнтуватися у цій магнітному полю подібно стрільцям компасів. Однак в процесі такої переорієнтації ядра почнуть прецессировать, (як прецессирует вісь гіроскопа при спробі його нахилити), тому що магнітний момент кожного ядра виявляється пов’язаний з механічним моментом ядра, з наявністю у нього згаданого вище спина.

Припустимо, ядро ​​водню помістили в зовнішнє магнітне поле з індукцією 1 Тл. Частота прецесії в цьому випадку складе 42,58 МГц (це так звана ларморовской частота для даного ядра і для даної індукції магнітного поля). І якщо тепер чинити додатковий вплив на це ядро ​​електромагнітної хвилею з частотою 42,58 МГц, виникне явище ядерного магнітного резонансу, тобто амплітуда прецесії зросте, оскільки вектор загальної намагніченості ядра побільшає.

І таких ядер, здатних прецессировать і потрапляти в резонанс, в наших тілах мільярд мільярдів мільярдів. Але оскільки в режимі звичайного повсякденного життя магнітні моменти всіх ядер водню і інших речовин в нашому тілі один з одним взаємодіють, то загальний магнітний момент всього тіла дорівнює нулю.

Діючи радіохвилями на протони, отримують резонансне посилення коливань (збільшення амплітуд прецесії) цих протонів, а після закінчення зовнішнього впливу протони прагнуть повернутися до своєму вихідним станам рівноваги, і тоді вже вони самі випромінюють фотони радіохвиль.

Таким чином в апараті МРТ тіло людини (або яке-небудь інше досліджуване тіло або предмет) перетворюється періодично то в набір радіоприймачів, то в набір радіопередавачів. Досліджуючи таким чином ділянку за ділянкою тіла, апарат будує просторову картину розподілу атомів водню в тілі. І чим вища напруженість магнітного поля томографа – тим більше атомів водню, пов’язаних з іншими атомами, розташованими поруч, можна досліджувати (тим вище дозвіл магнітно-резонансного томографа).

Сучасні медичні томографи в якості джерел зовнішнього магнітного поля містять електромагніти на надпровідниках, що охолоджуються рідким гелієм. У деяких томографах відкритого типу для цієї мети використовуються постійні неодимові магніти.

Оптимальна індукція магнітного поля в апараті МРТ становить сьогодні 1,5 Тл, вона дозволяє отримувати досить якісні знімки багатьох частин тіла. При індукції менше 1 Тл не вийде зробити якісний знімок (досить високого дозволу), наприклад малого таза або черевної порожнини, однак для отримання звичайних знімків МРТ голови і суглобів підходять і такі слабкі поля.

Для правильної просторової орієнтації, в магнітно-резонансному томографі крім постійного магнітного поля використовуються ще і градієнтні котушки, що створюють додаткове градиентное обурення в однорідному магнітному полі. В результаті найбільш сильний резонансний сигнал локалізується більш точно в тому чи іншому зрізі. Потужність і параметри дії градієнтних котушок – найбільш значущі показники в МРТ – від них залежить вирішення і швидкодія томографа.

Андрій повну

Ссылка на основную публикацию