Нейронауки для всех. Методы: магниторезонансная томография

Мы продолжаем рассказывать об основных инструментальных методах нейронаук. И сейчас дошла очередь до любимой игрушки доктора Грегори Хауса, грозы терминаторов последнего поколения: МРТ.  Магниторезонансная томография (МРТ) — метод получения изображений внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Что же это такое?

магниторезонансная томография

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 магнитное поле, всё 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 частоты (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.

магниторезонансная томография
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  2Н, 31Р,23Na, 14N, 13C, 19F 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 году также удостоились Нобелевской премии физике.

В 1989 году 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.

магниторезонансная томография
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 году 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 году 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.

магниторезонансная томография
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.

магниторезонансная томография
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.)

магниторезонансная томография
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.

магниторезонансная томография
МРТ-сканер с вертикальным положением пациента
магниторезонансная томография
МРТ-сканер открытого типа
магниторезонансная томография
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.

магниторезонансная томография
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.

магниторезонансная томография
МР-ангиография сосудов головы

Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга. Этому методу на портале был 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.

Текст: Дарья Прокудина

Первая статья: компьютерная томография

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.

Ссылка на источник