Jedrska magnetna resonančna tomografija. Slikanje z magnetno resonanco

Slikanje z magnetno resonanco (MRI) se izvaja z jedrsko magnetno resonanco (NMR), eno od najnovejši dosežki medicinska znanost na področju diagnostike. Glavni pogoj za ustvarjanje te tehnične mojstrovine so najsodobnejši računalniki in računalniški programi.

Ta metoda se od običajne računalniške tomografije razlikuje po načinu pridobivanja slike. Namesto običajnega rentgenski žarki uporablja se močno magnetno polje. Pri tej preiskavi pacient ni izpostavljen radioaktivnemu rentgenskemu obsevanju in ne pride do neželenih učinkov, značilnih za obsevanje.

Kako se izvaja MRI?

Glavna oprema, ki je potrebna za izvedbo te metode, je velika magnetna cilindrična cev in računalnik. Za pridobitev slike se uporablja posebna lastnost atomov, da oddajajo elektromagnetne valove pod vplivom močnih magnetnih impulzov. Odvisno od gostote tkanine, niti elektromagnetni valovi bodo drugačne, njihova slika pa bo pridobljena na računalniku. Pacienta namestimo v »magnetno cev« in za kratek čas aktiviramo magnetno polje. Posebna naprava registrira elektromagnetne valove, ki prihajajo iz telesa subjekta, računalnik pa te valove pretvori v sliko. Če je potrebnih več slik rezin, je treba meritve ponoviti. Računalnik lahko več rezin spremeni v tridimenzionalno plastično sliko.

Kaj je mogoče diagnosticirati z MRI?

Metoda MRI je ena najbolj natančnih pri diagnozi. Pri njegovi uporabi se zaznavajo spremembe v beli možganovini, izvajajo posebne študije krvnih žil, študija kroženja možganske tekočine ter s pomočjo najnovejše tehnologije - raziskave. energetski metabolizem možgani in možganski metabolizem. Klasična računalniška tomografija je nepogrešljiva pri diagnostiki poškodb, krvni tlak, zlomi kosti. NMR se najbolje uporablja za pregled tkiv, ki vsebujejo veliko tekočine. Lahko se uporablja pri študiju notranji organi- srce in ledvice.

Je magnetna resonanca nevarna?

Še vedno ni dokazov, da so ti pregledi škodljivi za človeka. Vendar pa lahko magnetno polje pri pregledu pacientov, ki imajo v telesu kovinske proteze in vsadke, povzroča težave. V teh primerih je uporaba MRI prepovedana. Pri delu s to napravo v vaših oblačilih ne sme biti kovinskih predmetov.

Edina težava je magnetna resonančna tomografija- visoki stroški. Ta pregled se izvaja le, če diagnoze ni mogoče postaviti z drugimi metodami. Poleg tega ta študija zahteva več časa za dokončanje. Možnosti pregleda otrok so nekoliko omejene zaradi njihovega strahu pred zaprtimi prostori (potreba biti v valjasti »cevi«).

to raziskovalna metoda se nenehno izboljšuje. Slikanje z magnetno resonanco je informativna, varna diagnostična metoda, ki vam omogoča, da dobite slike organov v različnih ravninah. Na računalniškem zaslonu je vidna tridimenzionalna slika, ki vam na primer omogoča pregled človeških možganov z vseh strani in na kateri koli globini.

Danes je postalo običajno, da bolnika napotimo ne na radiografijo, ne na elektrokardiogram, temveč na slikanje z jedrsko magnetno resonanco. Da bi razumeli, kaj se skriva za temi besedami, bi morali začeti od daleč, in sicer z razumevanjem, kaj je magnetizem atomskega jedra. Še prej pa moramo vstopiti pomembne pojme, ki manjkajo v glavnem predmetu šolske fizike.

Magnetni moment

Magnetne lastnosti majhnega ploščatega tokokroga s tokom v magnetnem polju so določene z magnetnim momentom tega toka, ki je enak

kje jaz- trenutni, S- območje konture, - vektor normale na konturo, zgrajen v skladu s pravilom gimleta (slika 1).

Zlasti energija vezja v magnetnem polju z indukcijo je enaka

(os z usmerjen vzdolž).

Za vrtenje konture s spremembo projekcije vektorja iz μ z na –μ z delo je treba opraviti A= 2μ z B.

Atomski elektron, ki se giblje po orbiti okoli atomskega jedra, lahko štejemo za enakovrednega krožni tok in mu ga pripisati magnetni moment. Prisotnost takšnega "orbitalnega" magnetnega momenta elektrona se kaže v spremembi njegove energije, ko je atom postavljen v magnetno polje (formula za W).

Po natančni analizi eksperimentalnih podatkov se je izkazalo, da lastnosti atoma v zunanjem magnetnem polju niso določene le z gibanjem elektrona okoli jedra, temveč tudi s prisotnostjo skrite "notranje rotacije" elektrona. , ki se je imenoval spin. Vsi osnovni delci imajo spin (nekateri imajo spin enako nič). Intenzivnost "rotacije" opisuje vrtilno število s, ki je lahko samo celo ali polcelo število. Za elektron, proton, nevtron s= 1/2. "Notranja rotacija", podobno kot orbitalna rotacija, vodi do pojava spinskega magnetnega momenta v delcu. Projekcija vrtilnega magnetnega momenta na os z(smer magnetno polje) sprejema vrednosti

μ z =γ m s ћ ,

kje ћ = h/(2π) - Planckova konstanta, m s ima (2s + 1) vrednosti: –s, –s + 1, ..., s – 1,s, γ pa se imenuje žiromagnetni faktor. Sam vektor ima modul večji od njegove največje projekcije: , torej v vseh stacionarna stanja ki se nahaja pod kotom na os z in se hitro vrti okoli te osi: μ z= konst, μ x in μ l hitro spremeniti (slika 2). Za elektron, proton, nevtron m s ima samo dve vrednosti: . Za elektron, za proton . Tudi nevtron ima spinski magnetni moment, kljub dejstvu, da je na splošno električno nevtralen. (To pomeni, da mora imeti nevtron notranjo strukturo. Tako kot proton je sestavljen iz nabitih kvarkov.) Za nevtron .

Vidimo, da je magnetni moment protona in nevtrona za tri velikostne rede (–10 3) manjši od magnetnega momenta elektrona (njuna masa je približno 2000-krat večja). Vsi ostali bi morali imeti približno enak magnetni moment velikosti. atomska jedra sestavljen iz protonov in nevtronov. Magnetni momenti vseh jeder so bili izmerjeni z veliko natančnostjo. Prisotnost teh majhnih (v primerjavi z atomskimi) magnetnih momentov v jedrih, katerih vrednosti so različne za različna jedra, je osnova pojava NMR - jedrske magnetne resonance, pa tudi NMR tomografije. Govorili bomo predvsem o vodikovih jedrih – protonih, ki jih je največ razširjena v naravi. Izotop vodika je devterij, katerega jedro ima tudi magnetni moment.

Kaj je jedrska magnetna resonanca

Razmislite o jedru vodikovega atoma (protona) v zunanjem magnetnem polju. Proton je lahko samo v dveh stacionarnih kvantnih stanjih: v enem od njiju je projekcija magnetnega momenta na smer magnetnega polja pozitivna in enaka

In v drugem - enako po velikosti, vendar negativno. V prvem stanju je energija jedra v magnetnem polju –μ z B, v drugem + μ z B. Na začetku so vsa jedra v prvem stanju in za prehod v drugo stanje je treba jedru dati energijo

ΔE = 2μ z B.

Ni težko razumeti, da lahko jedro prisilite, da spremeni smer svojega magnetnega momenta, tako da nanj vplivate z elektromagnetnim sevanjem s frekvenco ω, ki ustreza prehodu med temi stanji:

ћ ω = 2μ z B.

Če tukaj nadomestimo magnetni moment protona, dobimo

kje za B= 1 T najdemo valovno frekvenco: ν ≈ 4·10 7 Hz in pripadajočo valovno dolžino: λ = s/ν ≈ 7 m - tipična frekvenca in valovna dolžina oddajnega območja. Fotone točno te valovne dolžine absorbirajo jedra z obratom magnetnih momentov glede na smer polja. V tem primeru se njihova energija v polju poveča natanko za količino, ki ustreza energiji takšnega kvanta.

Upoštevajte, da se v poskusih z NMR, tj. za tipične frekvence srednjega radijskega območja, elektromagnetni valovi sploh ne uporabljajo v obliki, ki smo je vajeni, ko govorimo o širjenju svetlobe ali absorpciji in emisiji svetlobe s strani atomov. V najenostavnejšem primeru imamo opravka s tuljavo, skozi katero teče izmenični radiofrekvenčni tok, ki ga ustvarja generator. Vzorec, ki vsebuje zanimiva jedra, ki jih želimo izpostaviti elektromagnetno polje, je nameščen na osi tuljave. Os tuljave je usmerjena pravokotno na statično magnetno polje B 0 (slednji se ustvari z uporabo elektromagneta ali superprevodnega solenoida). Ko teče skozi tuljavo AC na njegovi osi se inducira izmenično magnetno polje B 1, katerega amplituda je izbrana za veliko manjšo B 0 (običajno 10.000-krat). To polje niha na isti frekvenci kot tok, to je na radijski frekvenci generatorja.

Če je frekvenca generatorja blizu izračunane frekvence, pride do intenzivne absorpcije svetlobnih kvantov vodikovih jeder s prehodom jeder v stanje z negativno projekcijo μ z(rotacija jeder). Če se frekvenca generatorja razlikuje od izračunane, potem do absorpcije kvantov ne pride. V povezavi z ostro (resonančno) odvisnostjo od frekvence izmeničnega magnetnega polja intenzivnosti procesa prenosa energije iz tega polja v jedra atomov, ki ga spremlja rotacija njihovih magnetnih momentov, je pojav imenujemo jedrska magnetna resonanca (NMR).

Kako lahko opazimo takšne obrate jedrskih momentov glede na statično magnetno polje? Oboroženi s sodobno NMR tehnologijo se izkaže, da je to precej enostavno: z izklopom ustvarjanja polja B 1 radiofrekvenčni generator, morate istočasno vklopiti sprejemnik z isto tuljavo kot anteno. Hkrati bo registriral radijske valove, ki jih oddajajo jedra, ko se vračajo v prvotno orientacijo vzdolž polja B 0 . Ta signal se inducira v isti tuljavi, skozi katero so bili prej vzbujeni magnetni momenti. Njegovo časovno odvisnost računalniško obdela in predstavi v obliki ustrezne spektralne porazdelitve.

Iz tega opisa si lahko predstavljate, da se NMR spektrometer precej razlikuje od običajnih spektrometrov, ki merijo v območju vidne svetlobe.

Do sedaj smo obravnavali poenostavljeno sliko: obnašanje izoliranega jedra v magnetnem polju. Hkrati je jasno, da v trdnih snoveh ali tekočinah jedra niso popolnoma izolirana. Med seboj lahko sodelujejo, pa tudi z vsemi drugimi vzbujanji, katerih porazdelitev energije je določena s temperaturo in statističnimi lastnostmi sistema. Predmet proučevanja so medsebojni vplivi vzbujanja različnih narav, njihov izvor in dinamika moderna fizika kondenzirano stanje.

Kako so odkrili NMR

Prve signale, ki ustrezajo jedrski magnetni resonanci, sta pred več kot šestdesetimi leti pridobili skupini Felixa Blocha na Oxfordu in Edwarda Purcella na Harvardu. V tistih dneh so bile eksperimentalne težave ogromne. Vso opremo so izdelali znanstveniki sami v laboratorijih. Tip aparature tistega časa ni primerljiv z današnjimi (z močnimi superprevodnimi solenoidi) NMR napravami, ki jih lahko vidimo v bolnišnicah ali klinikah. Dovolj je reči, da je bil magnet v Purcellovih poskusih ustvarjen z ostanki, ki so jih našli na dvorišču podjetja Boston Streetcar Company. Poleg tega je bilo umerjeno tako slabo, da je imelo magnetno polje dejansko večjo velikost od tiste, ki je potrebna za obračanje jedrskih momentov, ko je bilo obsevano z radijskimi valovi s frekvenco ν = 30 MHz (frekvenca radijskega generatorja).

Purcell in njegovi mladi sodelavci so zaman iskali potrditev, da se je v njegovih poskusih pojavil pojav jedrske magnetne resonance. Po mnogih dneh neuspešnih poskusov se razočarani in žalostni Purcell odloči, da pojava NMR, ki ga je pričakoval, ni opaziti, in ukaže, naj se elektromagnet izklopi. Medtem ko se je magnetno polje zmanjšalo, so razočarani eksperimentatorji še naprej gledali na zaslon osciloskopa, kjer so ves ta čas upali videti želene signale. V nekem trenutku je magnetno polje doseglo vrednost, potrebno za resonanco, in na zaslonu se je nenadoma pojavil ustrezen NMR signal. Če ne bi bilo srečnega naključja, bi morda minilo še mnogo let, preden bi obstoj tega izjemnega pojava eksperimentalno potrdili.

Od tega trenutka se je tehnologija NMR začela hitro razvijati. Veliko je bil uporabljen v znanstveno raziskovanje na področjih fizike kondenziranih snovi, kemije, biologije, meroslovja in medicine. Najbolj znana aplikacija je slikanje notranjih organov z uporabo NMR.

Kako se notranji organi vizualizirajo z NMR?

Do sedaj smo implicitno domnevali, da je, če zanemarimo vpliv šibkih elektronskih tokov v tuljavah, magnetno polje, v katerem so jedra, enakomerno, tj. ima enako velikost na vseh točkah. Leta 1973 je Paul Latterbourg predlagal izvedbo študij NMR s postavitvijo vzorca v magnetno polje, ki se spreminja od točke do točke. Jasno je, da se v tem primeru resonančna frekvenca proučevanih jeder spreminja od točke do točke, kar omogoča presojo njihove prostorske lege. In ker je intenzivnost signala iz določenega področja vesolja sorazmerna s številom vodikovih atomov v tem območju, dobimo informacijo o porazdelitvi gostote snovi v prostoru. Pravzaprav je to princip raziskovalne tehnike NMR. Kot lahko vidite, je princip preprost, čeprav je bilo za pridobitev resničnih slik notranjih organov v praksi potrebno pridobiti zmogljive računalnike za nadzor radiofrekvenčnih impulzov in dolgo časa izboljševati metodologijo za ustvarjanje potrebnega magnetnega polja. profilov in obdelavo NMR signalov, pridobljenih iz tuljav.

Predstavljajmo si to vzdolž osi X tam so majhne kroglice, napolnjene z vodo (slika 3). Če magnetno polje ni odvisno od X, nato se prikaže en sam signal (glejte sliko 3, A). Predpostavimo nadalje, da preko dodatnih tuljav (glede na tisto, ki ustvarja glavno, aksialno usmerjeno z, magnetno polje) ustvarimo dodatno, ki se spreminja vzdolž osi X, magnetno polje B 0, njegova vrednost pa narašča od leve proti desni. Jasno je, da bo za krogle z različnimi koordinatami signal NMR zdaj ustrezal različnim frekvencam in izmerjeni spekter bo vseboval pet značilnih vrhov (glej sliko 3, b). Višina teh vrhov bo sorazmerna s številom krogel (tj. mase vode), ki imajo ustrezno koordinato, tako da bo v obravnavanem primeru intenziteta vrhov v razmerju 3:1:3: 1:1. Poznavanje velikosti gradienta magnetnega polja (tj. hitrosti njegove spremembe vzdolž osi X), lahko izmerjeni frekvenčni spekter predstavimo kot odvisnost gostote vodikovih atomov od koordinate X. V tem primeru bo mogoče reči, da je tam, kjer so vrhovi višji, večje število vodikovih atomov: v našem primeru je število vodikovih atomov, ki ustrezajo položajem krogel, dejansko korelirano kot 3:1:3: 1:1.

Postavimo zdaj v konstantno magnetno polje B 0 nekaj bolj zapletene konfiguracije majhnih kroglic, napolnjenih z vodo, in vsiljujejo dodatno magnetno polje, ki se spreminja vzdolž vseh treh koordinatnih osi. Z merjenjem radiofrekvenčnih NMR spektrov in poznavanjem velikosti gradientov magnetnega polja vzdolž koordinat je mogoče ustvariti tridimenzionalni zemljevid porazdelitve krogel (in posledično gostote vodika) v preučevani konfiguraciji. To je veliko težje narediti kot v zgoraj obravnavanem enodimenzionalnem primeru, vendar je intuitivno jasno, kaj ta proces vključuje.

Tehnika obnavljanja slike, podobna tisti, ki smo jo opisali, se izvaja v NMR tomografiji. Po končanem zbiranju podatkov računalnik preko zelo hitrih algoritmov začne »obdelovati« signale in vzpostavi razmerje med jakostjo izmerjenih signalov na določeni frekvenci in gostoto resonančnih atomov na dani točki v telesu. Na koncu tega postopka računalnik na svojem zaslonu prikaže dvodimenzionalno (ali celo tridimenzionalno) »podobo« določenega organa ali dela pacientovega telesa.

Osupljive "slike"

Da bi v celoti ocenili rezultate NMR študije človeških notranjih organov (na primer različnih delov možganov, ki jih lahko medicinski fizik danes dobi, ne da bi se dotaknil lobanje!), je treba najprej razumeti, da govorimo o o računalniški rekonstrukciji “slik”, in ne o pravih sencah, ki nastanejo na fotoobčutljivem filmu ob absorbciji rentgenskih žarkov v procesu pridobivanja rentgenske slike.

Človeško oko je občutljiv senzor elektromagnetno sevanje v vidnem območju. Na srečo ali žalost sevanje, ki izvira iz notranjih organov, ne doseže naših oči – človeška telesa vidimo le od zunaj. Hkrati, kot smo pravkar razpravljali, lahko atomska jedra notranjih organov človeškega telesa pod določenimi pogoji oddajajo elektromagnetne valove v radiofrekvenčnem območju (tj. frekvence, ki so veliko nižje kot pri vidni svetlobi), frekvenca pa se spreminja. rahlo odvisno od sevalnih točk. Z očesom ga ni mogoče videti, zato se takšno sevanje posname s kompleksno opremo in nato s posebno računalniško obdelavo zbere v eno sliko. Pa vendarle govorimo o povsem resničnem videnju notranjosti predmeta ali človeškega telesa.

Tako osupljiv uspeh je človeštvo doseglo zaradi številnih temeljnih dosežkov znanstvene misli: kvantne mehanike s teorijo magnetnega momenta, teorije interakcije sevanja s snovjo, digitalne elektronike in matematičnih algoritmov pretvorba signalov in računalniška tehnologija.

Prednosti NMR slikanja v primerjavi z drugimi diagnostičnimi metodami so številne in pomembne. Operater lahko enostavno izbere, katere dele pacientovega telesa naj skenira, lahko pa tudi pregleda več delov izbranega organa hkrati. Predvsem z ustrezno izbiro gradientov magnetnega polja je mogoče dobiti navpične slike prečnega prereza notranjosti naše lobanje. To je lahko osrednji del ali deli, zamaknjeni v desno ali levo. (Takšne študije so pri rentgenski radiografiji praktično nemogoče.) Operater lahko "zoži" vidno polje z vizualizacijo NMR signalov, ki izvirajo iz samo enega izbranega organa ali le enega njegovega dela, in s tem poveča ločljivost slike. Pomembna prednost NMR slikanja je tudi možnost neposrednega merjenja lokalne viskoznosti in smeri toka krvi, limfe in drugih tekočin v človeškem telesu. Z izbiro potrebnega razmerja med ustreznimi parametri, na primer trajanjem in frekvenco impulzov, lahko operater za vsako patologijo doseže optimalne lastnosti nastale slike, na primer poveča njen kontrast (slika 4).

Če povzamemo, lahko rečemo, da je za vsako slikovno točko (piksel), ki ustreza majhni prostornini proučevanega predmeta, mogoče izluščiti različne uporabne informacije, v nekaterih primerih vključno s porazdelitvijo koncentracij določenih kemični elementi v telesu. Za povečanje občutljivosti meritev, tj. povečanje razmerja med intenzivnostjo signala in šumom, je potrebno kopičiti in povzemati veliko število signali. V tem primeru je mogoče dobiti visokokakovostno sliko, ki ustrezno prenaša resničnost. Zato je čas, ki je potreben za NMR tomografijo, precej dolg - pacient mora ostati relativno nepremičen v komori nekaj deset minut.

Leta 1977 angleški fizik Peter Mansfield se je domislil kombinacije gradientov magnetnega polja, ki je, ne da bi dala veliko dobre kakovosti Omogoča pa izredno hitro pridobitev slike: za ustrezno konstrukcijo zadostuje en sam signal (v praksi to traja približno 50 milisekund). S pomočjo takšne tehnike - imenujemo jo planarni odmev - je danes mogoče spremljati utripanje srca v realnem času: v takšnem filmu se na ekranu izmenjujejo njegova krčenja in raztezanja.

Ali si je bilo mogoče predstavljati ob zori stvarjenja kvantna mehanika da bo čez sto let razvoj znanosti povzročil možnost takih čudežev?

Naj omenimo, da sta bila leta 2003 nagrajena Paul Lauterbur in Peter Mansfield Nobelova nagrada na področju medicine »za izum metode slikanja z magnetno resonanco«.

Predložitev vašega dobrega dela v bazo znanja je preprosta. Uporabite spodnji obrazec

Študenti, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki bazo znanja uporabljajo pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.

Objavljeno dne http://www.allbest.ru/

Jedrska magnetna resonanca

Uvod

Za atom, postavljen v magnetno polje, so spontani prehodi med podnivoji iste ravni malo verjetni. Vendar se takšni prehodi izvajajo inducirano pod vplivom zunanjega elektromagnetnega polja. Nujen pogoj je, da frekvenca elektromagnetnega polja sovpada s frekvenco fotona, kar ustreza energijski razliki med razcepljenimi podravni. V tem primeru lahko opazimo absorpcijo energije elektromagnetnega polja, kar imenujemo magnetna resonanca. Glede na vrsto delcev – nosilcev magnetnega momenta – ločimo elektronsko paramagnetno resonanco (EPR) in jedrsko magnetno resonanco (NMR).

jedrska magnetna resonančna tomografija

1. Jedrska magnetna resonanca

Jedrska magnetna resonanca (NMR) je resonančna absorpcija elektromagnetne energije s snovjo, ki vsebuje jedra z neničelnim spinom v zunanjem magnetnem polju, ki jo povzroči preusmeritev magnetnih momentov jeder. Pojav magnetne resonance je bil odkrit v letih 1945-1946. dve neodvisni skupini znanstvenikov. Navdihovalca tega sta bila F. Bloch in E. Purcell.

Fizikalno bistvo pojava jedrske magnetne resonance temelji na magnetnih lastnostih atomskih jeder, sestavljenih iz nukleonov s polcelim spinom 1/2, 3/2, 5/2…. Jedra s sodimi masnimi in nabojnimi števili (sodo-soda jedra) nimajo magnetnega momenta, pri vseh ostalih jedrih pa je magnetni moment različen od nič. Tako imajo jedra vrtilno količino J=hI, povezano z magnetnim momentom m z razmerjem m=J, kjer je h Planckova konstanta, I spinsko kvantno število in žiromagnetno razmerje.

Kotni moment in magnetni moment jedra sta kvantizirana in lastne vrednosti projekcije tako kotnih kot magnetnih momentov na os z poljubno izbranega koordinatnega sistema določa razmerje: JZ=hµI, kjer je µ Jaz-- magnetno kvantno število lastno državo jedra, njegove vrednosti so določene s spinom kvantno število jedra µI=I, I-1, I-2, …, -I. to pomeni, da je jedro lahko v stanjih 2I+1.

NMR spektri V NMR spektrih ločimo dve vrsti črt glede na njihovo širino. Spektri trdnih snovi imajo veliko širino in ta uporaba NMR se imenuje NMR s široko črto. V tekočinah opazimo ozke črte, kar imenujemo NMR visoka ločljivost. Zmogljivosti metode NMR z visoko ločljivostjo so povezane z dejstvom, da jedra iste vrste v različnih kemijskih okoljih z danim uporabljenim konstantnim poljem absorbirajo energijo visokofrekvenčnega polja pri različnih frekvencah, kar je posledica različnih stopenj zaščite jeder. od uporabljenega magnetnega polja. NMR spektri visoke ločljivosti so običajno sestavljeni iz ozkih, dobro ločenih črt (signalov), ki ustrezajo magnetnim jedrom v različnih kemijskih okoljih. Intenzitete (površine) signalov pri snemanju spektrov so sorazmerne s številom magnetnih jeder v posamezni skupini, kar omogoča izvedbo kvantitativna analiza iz NMR spektrov brez predhodne kalibracije.

2. Uporaba NMR v biomedicinskih raziskavah

Jedrska magnetna resonanca je selektivna absorpcija elektromagnetnih valov (beri: radijskih valov) s strani snovi (v tem primeru človeškega telesa), ki se nahaja v magnetnem polju, kar je možno zaradi prisotnosti jeder z magnetnim momentom, ki je različen od nič. . V zunanjem magnetnem polju so protoni in nevtroni teh jeder, kot majhni magneti, strogo usmerjeni na določen način in zaradi tega spremenijo svoje energijsko stanje. Razdalja med temi energijskimi nivoji je tako majhna, da lahko celo radijsko sevanje povzroči prehode med njimi. Radijski valovi so milijardkrat manj energijski kot rentgenski žarki, zato ne morejo povzročiti nobene škode na molekulah. Torej, najprej se absorbirajo radijski valovi. Nato jedra oddajajo radijske valove in jih prenesejo na nižje energijske nivoje. Oba procesa je mogoče zaznati s preučevanjem absorpcijskih in emisijskih spektrov jeder. Ti spektri so odvisni od številnih dejavnikov, predvsem pa od jakosti magnetnega polja. Za pridobitev prostorske slike v NMR tomografu, za razliko od CT, ni potrebe po mehanskem skeniranju s sistemom izvor-detektor (antena oddajnika in sprejemnik v primeru NMR). Ta problem se reši s spreminjanjem jakosti magnetnega polja na različnih točkah. Navsezadnje bo to spremenilo frekvenco (valovno dolžino), pri kateri se signal prenaša in sprejema. Če poznamo velikost poljske jakosti na določeni točki, lahko z njo natančno povežemo oddani in sprejeti radijski signal. Tisti. Zahvaljujoč ustvarjanju neenakomernega magnetnega polja je mogoče brez mehanskega gibanja nastaviti anteno na strogo določeno območje organa ali tkiva in odčitati od teh točk samo s spreminjanjem frekvence sprejema valov. Naslednja faza je obdelava informacij iz vseh skeniranih točk in oblikovanje slike. Kot rezultat računalniške obdelave informacij se pridobijo slike organov in sistemov v "rezinah", žilne strukture v različnih ravninah, nastanejo tridimenzionalne strukture organov in tkiv z visoko ločljivostjo.

Kakšne so prednosti NMR tomografije?

Prva prednost je zamenjava rentgenskih žarkov z radijskimi valovi. To omogoča odpravo omejitev glede števila pregledanih oseb (otroci, nosečnice), ker koncept izpostavljenosti bolnika in zdravnika sevanju je odstranjen.

Druga prednost je občutljivost metode na nekatere vitalne izotope in še posebej na vodik, enega najpogostejših elementov mehkih tkiv.

Tretja prednost je občutljivost na različne kemične vezi v različnih molekulah, kar poveča kontrast slike.

Četrta prednost je slika žilnega korita brez dodatnega kontrasta in celo z določitvijo parametrov krvnega pretoka.

Peta prednost je današnja večja ločljivost študije – vidite lahko predmete, velike za delček milimetra.

In končno, šestič, magnetna resonanca omogoča enostavno pridobivanje slik ne le prečnega prereza, ampak tudi vzdolžnih.

Seveda ima, kot vsaka druga tehnika, tudi NMR tomografija svoje pomanjkljivosti. Ti vključujejo:

1. Potreba po ustvarjanju magnetnega polja visoke intenzivnosti, ki zahteva velike stroške energije pri delovanju opreme in / ali uporabi dragih tehnologij za zagotavljanje superprevodnosti.

2. Nizka, zlasti v primerjavi z rentgensko, občutljivost metode NMR tomografije, ki zahteva podaljšanje časa slikanja. To vodi do popačenja slike zaradi dihalnih gibov (kar zlasti zmanjša učinkovitost preiskav pljuč in srca).

3. Nezmožnost zanesljivega odkrivanja kamnov, kalcinacij in nekaterih vrst patologije kostnih struktur.

4. Ne smemo pozabiti, da je nosečnost relativna kontraindikacija za NMR slikanje.

Zaključek

Zgodovina znanosti nas uči, da vsak nov fizikalni pojav oz nova metoda prehaja težji način, ki se začne v trenutku odkritja tega pojava in prehaja skozi več faz. Sprva skoraj nihče ne pomisli na možnost, tudi zelo oddaljeno, uporabe tega pojava v vsakdanje življenje, v znanosti ali tehnologiji. Nato pride faza razvoja, med katero eksperimentalni podatki prepričajo vse o velikem praktičnem pomenu tega pojava. Na koncu sledi faza hitrega vzleta. Nova orodja postanejo modna, postanejo visoko produktivna, ustvarjajo večje dobičke in postanejo odločilni dejavnik. znanstveno in tehnično napredek. Naprave, ki temeljijo na davno odkritem pojavu, polnijo fiziko, kemijo, industrijo in medicino.

večina svetel primer Zgoraj opisana nekoliko poenostavljena evolucijska shema je pojav magnetne resonance, ki ga je leta 1944 odkril E.K. Zavoisky v obliki paramagnetne resonance in neodvisno odkrila Bloch in Purcell leta 1946 v obliki resonančnega pojava magnetnih momentov atomskih jeder. Kompleksen razvoj NMR je skeptike pogosto vodil do pesimističnih zaključkov. Rekli so, da je »NMR mrtev«, da se je »NMR popolnoma izčrpal«. Vendar pa je kljub in v nasprotju s temi mantrami NMR napredoval in nenehno dokazoval svojo sposobnost preživetja. Velikokrat se nam je to področje znanosti obrnilo v novo, pogosto povsem nepričakovano smer in rodilo novo smer. Nedavni revolucionarni izumi na področju NMR, vključno z neverjetnimi metodami za pridobivanje NMR slik, zagotavljajo prepričljive dokaze, da so meje možnega v NMR resnično neomejene. Izjemne prednosti NMR - introskopije, ki jih bo človeštvo zelo cenilo in so zdaj močna spodbuda za hiter razvoj NMR - introskopije in široka uporaba v medicini, sestavljajo zelo malo škode za zdravje ljudi, ki je del te nove metode.

Seznam uporabljene literature in virov

1. Antonov V. F., Korzhuev A. V. Fizika in biofizika: tečaj predavanj za študente medicinske univerze. - Moskva: GEOTAR-MED, 2004.

2. Kuznecov A.N. Metoda vrtljive sonde. - Moskva: Znanost, 1976.

3. Gradivo s spletnega mesta www.wikipedia.org

4. Materiali s spletnega mesta www.humuk.ru;

5. Remizov A. N., Maksina A. G., Potapenko A. Ya. Medicinska in biološka fizika. - Moskva: Bustard, 2003.

6. Hausser K. H., Kalbitzer H. R. NMR v medicini in biologiji: molekularna struktura, tomografija, in-vivo spektroskopija. - Kijev: Naukova Dumka, 1993.

7. Emanuel N. M., Kuzmin M. G. Elektronska paramagnetna resonanca. - Moskva: Moskovska univerzitetna založba 1985.

Objavljeno na Allbest.ru

Podobni dokumenti

Fizični fenomen jedrska magnetna resonanca, pogoji za njen nastanek. Princip zajema slike v magnetnoresonančnem skenerju. Pridobivanje dvodimenzionalne slike. Glavne prednosti permanentnih, uporovnih in superprevodnih tomografov.

predstavitev, dodana 13.10.2013


Metode sodobna diagnostika. Pojav jedrske magnetne resonance (NMR). Bistvo pojava NMR. Spin-spin interakcija. Analizatorji snovi na osnovi NMR. Tehnična izvedba NMR tomografa. Osnovni sklopi slikanja z magnetno resonanco.

povzetek, dodan 05/12/2015


Zgodovina odkritja in bistvo jedrske magnetne resonance. Spin-spin interakcija. Koncept slikanja z magnetno resonanco (MRI). Kontrast slike: protonska gostota, T1- in T2-uteženo. Kontraindikacije in možne nevarnosti MRI.

povzetek, dodan 06/11/2014


Zagotavljanje selektivnosti pri kvalitativna analiza selektivna absorpcija monokromatske svetlobe. Spektroskopija z jedrsko magnetno resonanco. Spektralne črte za preverjanje lestvice valovnih dolžin. Kalibracija opreme, kot tudi priprava vzorcev.

povzetek, dodan 30.4.2014


Prednosti diagnostične metode slikanja z magnetno resonanco v porodništvu za neposredno vizualizacijo ploda. Indikacije, metode in značilnosti študije. Posebnosti priprave na MRI nosečnice. Omejitve in varnost metode.

predstavitev, dodana 15.02.2016


Elektroterapija je metoda fizioterapije, ki temelji na uporabi odmerjenih učinkov na telo električnih tokov, magnetnih ali elektromagnetnih polj. Mehanizem delovanja in učinek metod. Značilnosti zdravljenja z enosmernim in impulznim tokom.

povzetek, dodan 17.12.2011


Procesi v zaprti valovodni poti. Polarizacija in superpozicija valov, resonanca potujočega in stoječi val v valovodu. Glavni elementi sistemi generatorjev nihajne frekvence. VSWR sistema valovodnega obroča v načinu potujočega in stoječega vala.

poročilo o praksi, dodano 13.01.2011


Bistvo in pomen metode slikanja z magnetno resonanco, zgodovina njenega nastanka in razvoja, ocena njene učinkovitosti v moderni oder. Fizična utemeljitev te tehnike, vrstni red in principi gradnje slike. Definicija in izbira rezine.

povzetek, dodan 24.06.2014


Možnosti uporabe jedrskih fizikalnih pojavov za preučevanje bolnikov. Metode raziskav radionuklidov. Klinična in laboratorijska radiometrija. Radionuklidno skeniranje in scintigrafija. Laboratorij za radioizotopsko diagnostiko.

povzetek, dodan 24.01.2011


Pogoji za doseganje učinka tomografije. Glavne naloge in področja uporabe rentgenskega pregleda so angiografija, venografija in limfografija. Zgodovina odkritja, princip delovanja in prednosti uporabe metode računalniške tomografije.

MRI je nastala kot tehnika tomografskega slikanja, ki proizvaja slike signala NMR iz tankih rezov, ki gredo skozi človeško telo. MRI se je iz tehnike tomografskega slikanja razvila v tehniko volumetričnega slikanja. Metoda se je izkazala za izjemno informativno in je relativno mlada, zato se nenehno razvija in odpira nove priložnosti.

Slikanje z magnetno resonanco (MRI)

Slikanje z magnetno resonanco (MRI) je tehnika slikanja, ki se uporablja predvsem v medicinskih okoljih za izdelavo visokokakovostnih slik organov v človeškem telesu. Metoda temelji na načelih jedrske magnetne resonance (NMR), spektroskopske tehnike, ki jo znanstveniki uporabljajo za pridobivanje informacij o kemičnih in fizikalne lastnosti molekule. Toda kljub svoji utemeljenosti se je metoda razširila pod imenom magnetna resonanca - MRI in ne jedrska magnetna resonanca - NMRI, razlog za to pa so bile negativne asociacije na besedo "jedrska", ki so se pojavile ob tragični nesreči. pri Černobilska jedrska elektrarna leta 1986. Takrat je izraz NMR tomografija nadomestil MRI, zato je v novem izrazu izginila navedba o »jedrskem« izvoru metode, kar ji je omogočilo povsem nebolečo vključitev v vsakodnevno medicinsko prakso. A kljub temu izvirnemu imenu – jedrska magnetna resonanca, velja tudi to.

Zgodovina razvoja MRI

Leta 1946 sta Felix Bloch z univerze Stanford in Edward Purcell iz Univerza Harvard neodvisno odkril pojav jedrske magnetne resonance. Leta 1952 sta oba prejela Nobelovo nagrado za fiziko "za razvoj novih metod za natančne jedrske magnetne meritve in sorodna odkritja." Med letoma 1950 in 1970 je bila NMR razvita in uporabljena za kemično in fizikalno molekularno analizo. Leta 1972 je bil predstavljen prvi računalniški tomograf (CT), ki temelji na rentgensko sevanje. Ta datum je bil pomemben mejnik v zgodovini magnetne resonance, saj je pokazal, da so zdravstvene ustanove pripravljene porabiti velike vsote denarja za opremo za slikanje.

Za leto ustanovitve slikanja z magnetno resonanco štejemo leto 1973, ko je Paul Lauterbur, profesor kemije in radiologije na newyorški univerzi Stony Brook, v reviji Nature objavil članek »Ustvarjanje slike z inducirano lokalno interakcijo; primeri na podlagi magnetne resonance«, ki je predstavila tridimenzionalne slike objektov, pridobljene iz spektrov protonske magnetne resonance vode iz teh objektov. To delo je bilo osnova za metodo slikanja z magnetno resonanco (MRI). Kasneje je dr. Peter Mansfield izboljšal matematične algoritme za pridobivanje slik. Oba sta leta 2003 prejela Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino za odločilen prispevek k izumu in razvoju slikanja z magnetno resonanco.

Leta 1975 je Richard Ernst predlagal slikanje z magnetno resonanco z uporabo faznega in frekvenčnega kodiranja, tehniko, ki se danes uporablja pri MRI. Leta 1980 so Edelstein in njegovi kolegi demonstrirali kartiranje človeškega telesa s to metodo. Pridobivanje ene slike je trajalo približno 5 minut. Do leta 1986 se je čas prikaza zmanjšal na 5 sekund brez večje izgube kakovosti. Istega leta je bil ustvarjen NMR mikroskop, ki je omogočil doseganje ločljivosti 10 mm na vzorcih velikosti 1 cm. Leta 1988 je Dumoulin izboljšal MRI angiografijo, ki je omogočila prikaz pretočne krvi brez uporabe kontrastnih sredstev. . Leta 1989 je bila uvedena tehnika planarne tomografije, ki je lahko zajemala slike pri video frekvencah (30 ms). Številni kliniki so mislili, da bi se ta tehnika uporabljala pri dinamični magnetni resonanci sklepov, vendar so jo namesto tega uporabili za slikanje področij možganov, odgovornih za duševno in motorično aktivnost. Leta 1991 je Richard Ernst prejel Nobelovo nagrado za kemijo za svoje dosežke na področju impulzne NMR in MRI. Leta 1994 so raziskovalci na državni univerzi v New Yorku v Stony Brooku in univerzi Princeton prikazali slikanje hiperpolariziranega plina 129Xe za preučevanje procesov dihanja. Raymond Damadian, eden prvih raziskovalcev principov magnetne resonance, imetnik patenta za magnetno resonanco in ustvarjalec prvega komercialnega MRI skenerja, je prav tako znamenito prispeval k nastanku magnetne resonance.

Prvi tomografi za pregled človeškega telesa so se pojavili na klinikah v letih 1980-1981, danes pa je tomografija postala celo področje medicine. Magnetna resonanca (MRI) je eno najučinkovitejših sodobnih diagnostičnih orodij, ki omogoča vizualizacijo s visoke kakovosti možganov, hrbtenjače in drugih notranjih organov. Sodobne tehnike magnetne resonance omogočajo neinvazivno proučevanje delovanja organov - merjenje hitrosti krvnega pretoka, pretoka cerebrospinalne tekočine, določanje stopnje difuzije v tkivih, opazovanje aktivacije možganske skorje med delovanjem organov, za katere je določena je odgovoren predel korteksa (funkcionalna MRI). Po mnenju mnogih znanstvenikov je pojav CT in MRI spodbudil napredek sodobne medicine v zadnjih letih brez primere.

Slikanje z magnetno resonanco (MRI)− metoda za pridobivanje tomografskih medicinskih slik za preučevanje notranjih organov in tkiv z uporabo pojava jedrske magnetne resonance. Peter Mansfield in Paul Lauterbur sta leta 2003 prejela Nobelovo nagrado za medicino za svoj izum MRI.
Sprva so to metodo imenovali slikanje z jedrsko magnetno resonanco (NMR). Potem pa so, da ne bi prestrašili javnosti, zombirane z radiofobijo, odstranili omembo "jedrskega" izvora metode, še posebej, ker se pri tej metodi ne uporablja ionizirajoče sevanje.

Jedrska magnetna resonanca

Jedrska magnetna resonanca se izvaja na jedrih z neničelnimi vrtljaji. Za medicino so najbolj zanimiva jedra vodika (1 H), ogljika (13 C), natrija (23 Na) in fosforja (31 P), saj so vsa prisotna v človeškem telesu. Vsebuje največ (63 %) atomov vodika, ki jih najdemo v maščobi in vodi, ki ju je v človeškem telesu največ. Zaradi teh razlogov so sodobni MRI skenerji najpogosteje "nastavljeni" na vodikova jedra - protone.

V odsotnosti zunanje polje vrtljaji in magnetni momenti protonov so naključno usmerjeni (slika 8a). Če postavite proton v zunanje magnetno polje, bo njegov magnetni moment bodisi sosmeren ali nasproten magnetnemu polju (slika 8b), v drugem primeru pa bo njegova energija večja.

Delec s spinom, postavljen v magnetno polje jakosti B, lahko absorbira foton s frekvenco ν, ki je odvisna od njegovega žiromagnetnega razmerja γ.

Za vodik je γ = 42,58 MHz/T.
Delec lahko prehaja med dvema energijskima stanjema tako, da absorbira foton. Delec na dnu raven energije absorbira foton in konča na najvišji energijski ravni. Energija danega fotona se mora natančno ujemati z razliko med obema stanjema. Energija protona E je povezana z njegovo frekvenco ν prek Planckove konstante (h = 6,626·10 -34 J·s).

V NMR se količina ν imenuje resonančna ali Larmorjeva frekvenca. ν = γB in E = hν, zato mora imeti foton, da lahko povzroči prehod med dvema spinskima stanjema, energijo

Ko se energija fotona ujema z razliko med dvema spinskima stanjema, pride do absorpcije energije. Moč konstantnega magnetnega polja in frekvenca radiofrekvenčnega magnetnega polja se morata strogo ujemati (resonanca). Pri poskusih z NMR frekvenca fotona ustreza radiofrekvenčnemu (RF) območju. V kliničnem MRI je za slikanje z vodikom ν običajno med 15 in 80 MHz.
Pri sobni temperaturi število protonov s spini na spodnjem energijskem nivoju nekoliko presega njihovo število na zgornjem nivoju. Signal pri NMR spektroskopiji je sorazmeren z razliko v populacijah ravni. Število presežnih protonov je sorazmerno z B 0 .

Ta razlika v polju 0,5 T znaša le 3 protone na milijon, v polju 1,5 T pa 9 protonov na milijon. Vendar je skupno število presežnih protonov v 0,02 ml vode v polju 1,5 T 6,02·10 15 . Večja kot je jakost magnetnega polja, boljša je slika. V ravnovesju je vektor neto magnetizacije vzporeden s smerjo uporabljenega magnetnega polja B 0 in se imenuje ravnotežna magnetizacija M 0 . V tem stanju je Z-komponenta magnetizacije M Z enaka M 0 . M Z imenujemo tudi vzdolžna magnetizacija. V tem primeru ni transverzalne (M X ali M Y) magnetizacije. S pošiljanjem RF impulza z Larmorjevo frekvenco lahko zavrtite vektor neto magnetizacije v ravnini, pravokotni na os Z, v tem primeru.

ravnina X-Y
T1 Sprostitev

Ko RF impulz preneha, se celotni vektor magnetizacije obnovi vzdolž osi Z in oddaja radiofrekvenčne valove. Časovna konstanta, ki opisuje, kako se M Z vrne na svojo ravnotežno vrednost, se imenuje spin-mrežni sprostitveni čas (T 1 ).

Sprostitev T1 se pojavi v volumnu, ki vsebuje protone. Vendar pa vezi protonov v molekulah niso enake. Te povezave so različne za vsako tkivo. En atom 1H je lahko vezan zelo močno, kot v maščobnem tkivu, medtem ko ima lahko drug atom šibkejšo vez, kot na primer v vodi. Močno vezani protoni sproščajo energijo veliko hitreje kot šibko vezani protoni. Vsako tkivo sprošča energijo z drugačno hitrostjo, zato ima MRI tako dobro kontrastno ločljivost.

T2 Sprostitev
T1 relaksacija opisuje procese, ki potekajo v smeri Z, medtem ko T2 relaksacija opisuje procese v ravnini X-Y.
Takoj po izpostavitvi RF impulzu se vektor neto magnetizacije (zdaj imenovan transverzalna magnetizacija) začne vrteti v ravnini X-Y okoli osi Z. Vsi vektorji imajo isto smer, ker so v fazi. Vendar tega stanja ne vzdržujejo. Vektor neto magnetizacije se začne premikati v fazi (defaza) zaradi dejstva, da vsak spinski paket doživi magnetno polje, ki se nekoliko razlikuje od magnetnega polja, ki ga doživljajo drugi paketi, in se vrti na lastni Larmorjevi frekvenci. Sprva bo število defaznih vektorjev majhno, a hitro narašča do trenutka, ko fazna koherenca izgine: ne bo nobenega vektorja, ki bi se ujemal s smerjo drugega. Celotna magnetizacija v ravnini XY teži k ničli, nato pa vzdolžna magnetizacija narašča, dokler M 0 ni vzdolž Z.

riž. 9. Padec magnetne indukcije

Časovna konstanta, ki opisuje obnašanje transverzalne magnetizacije, M XY, se imenuje spin-spin relaksacijski čas, T 2. Sprostitev T2 se imenuje spin-spin sprostitev, ker opisuje interakcije med protoni v njihovem neposrednem okolju (molekulah). Relaksacija T2 je dušen proces, kar pomeni visoko fazno koherenco na začetku procesa, vendar se hitro zmanjšuje, dokler koherenca popolnoma ne izgine na koncu. Signal je na začetku močan, a hitro oslabi zaradi sprostitve T2. Signal se imenuje upad magnetne indukcije (FID - Free Induction Decay) (slika 9).

M XY =M XYo e -t/T 2

T 2 je vedno manjši od T 1.
Stopnja faznega premika je drugačna za vsako tkivo.
Defaziranje v maščobnem tkivu poteka hitreje kot v vodi. Še ena opomba o sprostitvi T2: je veliko hitrejša od sprostitve T1. Sprostitev T2 se pojavi v desetinah milisekund, sprostitev T1 pa lahko doseže sekunde.

Za ponazoritev tabela 1 prikazuje vrednosti časov T 1 in T 2 za različna tkiva.

MIŠICA

Naprava za magnetno resonanco

riž. 10. Shema MRI

Diagram magnetnoresonančnega tomografa je prikazan na sl. 10. MRI je sestavljen iz magneta, gradientnih tuljav in radiofrekvenčnih tuljav.
Trajni magnet< 1 Тл можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов.

riž. 11.
Znotraj magneta so gradientne tuljave. Gradientne tuljave omogočajo ustvarjanje dodatnih magnetnih polj, prekritih z glavnim magnetnim poljem B 0 . Obstajajo 3 kompleti tuljav. Vsak niz lahko proizvede magnetno polje v določeni smeri: Z, X ali Y. Na primer, ko je tok doveden v gradient Z, se ustvari enakomerna linearna sprememba polja v smeri Z (vzdolž dolge osi telo). V središču magneta ima polje jakost B 0, resonančna frekvenca pa je enaka ν 0, toda na razdalji ΔZ se polje spremeni za količino ΔB in ustrezno se spremeni tudi resonančna frekvenca (slika 11). . Z dodajanjem gradientne magnetne motnje splošnemu enakomernemu magnetnemu polju je zagotovljena lokalizacija NMR signala. Delovanje gradienta rezalne selekcije zagotavlja selektivno vzbujanje protonov v točno želenem območju. Hitrost, razmerje med signalom in šumom ter ločljivost tomografa so odvisni od moči in hitrosti tuljav.

RF tuljave
RF tuljave ustvarjajo polje B 1, ki vrti neto magnetizacijo v zaporedju impulzov. Zabeležijo tudi prečno magnetizacijo, ko precesira v ravnini XY. RF tuljave so v treh glavnih kategorijah: oddajne in sprejemne, samo sprejemne in samo oddajne. RF tuljave služijo kot oddajniki polj B 1 in sprejemniki RF energije iz proučevanega predmeta.

Kodiranje signala

Ko je pacient v enakomernem magnetnem polju B 0 , se vsi protoni od glave do pet poravnajo vzdolž B 0 . Vsi se vrtijo na Larmorjevi frekvenci. Če se generira RF impulz vzbujanja, da premakne vektor magnetizacije v ravnino X-Y, vsi protoni reagirajo in generira se odzivni signal, vendar ni lokalizacije vira signala.

Gradient kodiranja rezin
Ko je Z-gradient vklopljen, se v tej smeri ustvari dodatno magnetno polje G Z, superponirano na B 0 . Močnejše polje pomeni višjo Larmorjevo frekvenco. Vzdolž celotnega naklona gradienta je polje B različno, zato se protoni vrtijo pri različnih frekvencah. Zdaj, če ustvarite RF impulz s frekvenco ν + Δν, se bodo odzvali samo protoni v tanki rezini, ker so edini, ki se vrtijo na isti frekvenci. Odzivni signal bo prišel samo od protonov iz te rezine. Na ta način je vir signala lokaliziran vzdolž osi Z, ki se vrti na isti frekvenci in ima enako fazo. V rezini je ogromno protonov, lokalizacija virov vzdolž osi X in Y pa ni znana, zato je za natančno določitev neposrednega vira signala potrebno nadaljnje kodiranje.

riž. 12.

Gradient faznega kodiranja
Za nadaljnje kodiranje protonov pri zelo kratek čas preliv G Y je vklopljen. V tem času se ustvari dodatno gradientno magnetno polje v smeri Y. V tem primeru bodo imeli protoni nekoliko drugačne hitrosti vrtenja. Ne vrtijo se več v fazi. Fazna razlika se bo kopičila. Ko je gradient G Y izklopljen, se bodo protoni v rezini vrteli z isto frekvenco, vendar bodo imeli različno fazo. To se imenuje fazno kodiranje.

Gradient frekvenčnega kodiranja
Za kodiranje smeri levo-desno je vključen tretji gradient G X.

Protoni na levi strani se vrtijo z nižjo frekvenco kot tisti na desni. Akumulirajo dodaten fazni zamik zaradi razlik v frekvencah, vendar se že pridobljena fazna razlika, pridobljena s kodiranjem gradientne faze v prejšnjem koraku, ohrani.

1. Tako se gradienti magnetnega polja uporabljajo za lokalizacijo vira signalov, ki jih sprejema tuljava.
2. Gradient G Z izbere aksialni rez.
3. Gradient G Y ustvarja črte z različnimi fazami.

Gradient G X tvori stolpce z različnimi frekvencami.
V enem koraku se fazno kodiranje izvede samo na eni vrstici. Za skeniranje celotne rezine je treba celoten postopek kodiranja rezine, faze in frekvence večkrat ponoviti. To ustvari majhne količine (voksele). Vsak voksel ima edinstveno kombinacijo frekvence in faze (slika 12). Število protonov v vsakem vokslu določa amplitudo RF valovanja. Prejeti signal, ki prihaja iz različna področja

telo vsebuje kompleksno kombinacijo frekvenc, faz in amplitud.

Na sl. Slika 13 prikazuje preprost diagram zaporedja. Najprej je vklopljen selektivni gradient (1) (Gss).

Istočasno se generira 90 0 RF rezalni izbirni impulz (2), ki »obrne« celotno magnetizacijo v ravnino X-Y. Gradient faznega kodiranja (3) (Gpe) se nato vklopi za izvedbo prvega koraka faznega kodiranja. Po tem se uporabi frekvenčno kodirni ali bralni gradient (4) (Gro), med katerim se zabeleži signal proste indukcije (5) (FID). Zaporedje impulzov se običajno ponovi 128 ali 256-krat, da se zberejo vsi potrebni podatki za slikanje. Čas med ponovitvami zaporedja se imenuje čas ponavljanja (TR). Z vsako ponovitvijo zaporedja se spremeni velikost gradienta faznega kodiranja. Vendar je bil v tem primeru signal (FID) izjemno šibek, zato je bila nastala slika slaba. Za povečanje magnitude signala se uporablja zaporedje spin-echo.
Zaporedje vrtilnega odmeva
Po uporabi vzbujalnega impulza 90 0 je neto magnetizacija v ravnini X-Y. Fazni premik se začne takoj zaradi sprostitve T2. Zaradi tega defaziranja se signal močno zmanjša. V idealnem primeru je treba ohraniti fazno koherenco, da se zagotovi najboljši signal. Da bi to naredili, se kmalu po RF impulzu 90 0 uporabi impulz 180 0. Impulz 180 0 povzroči ponovno faziranje vrtljajev. Ko se vsi vrtljaji povrnejo v fazo, postane signal spet visok in kakovost slike je veliko višja.

Na sl. Slika 14 prikazuje diagram zaporedja impulzov spin-echo.

riž. 14. Diagram zaporedja impulzov spin-echo
Najprej se vklopi rezinski selektivni gradient (1) (G SS). Istočasno se uporabi 90º RF impulz. Gradient faznega kodiranja (3) (Gre) se nato vklopi za izvedbo prvega koraka faznega kodiranja. Gss (4) se ponovno vklopi med impulzom refaze 180° (5), s čimer vpliva na iste protone, ki jih je vzbudil impulz 90°. Po tem se uporabi frekvenčno kodirni ali bralni gradient (6) (Gro), med katerim se sprejme signal (7).

TR (čas ponavljanja). Celoten postopek je treba večkrat ponoviti. TR je čas med dvema 90° vzbujevalnima impulzoma. TE (čas odmeva). To je čas med 90º vzbujalnim impulzom in odmevom.

Kontrast slike
T1 >> T2. Kontrast slike je zelo odvisen od teh procesov in od tega, kako polno se vsak pojavi v izbranih časih skeniranja TR in TE. Razmislimo o pridobivanju kontrastne slike na primeru skeniranja možganov.

T1 kontrast

riž. 15. a) spin-spin relaksacija in b) spin-mreža relaksacija v različnih možganskih tkivih

Izberimo naslednje parametre skeniranja: TR = 600 ms in TE = 10 ms. To pomeni, da se sprostitev T1 pojavi v 600 ms, sprostitev T2 pa šele v
5 ms (TE/2). Kot je razvidno iz sl. 15a po 5 ms je fazni zamik majhen in se v različnih tkivih ne razlikuje veliko. Kontrast slike je torej zelo malo odvisen od sprostitve T2. Kar zadeva sprostitev T1, se je maščoba po 600 ms skoraj popolnoma sprostila, CSF pa potrebuje še nekaj časa
(Slika 15b). To pomeni, da bo prispevek CSF k celotnemu signalu zanemarljiv. Kontrast slike postane odvisen od procesa sprostitve T1. Slika je "utežena T1", ker je kontrast bolj odvisen od procesa sprostitve T1. Na dobljeni sliki bo cerebrospinalna tekočina temna, maščobno tkivo bo svetlo, intenzivnost sive snovi pa bo nekje vmes.

T2 kontrast

riž. 16. a) spin-spin relaksacija in b) spin-mreža relaksacija v različnih možganskih tkivih

Zdaj nastavimo naslednje parametre: TR = 3000 ms in TE = 120 ms, to pomeni, da se sprostitev T2 pojavi v 60 ms. Kot izhaja iz sl. 16b so bila skoraj vsa tkiva podvržena popolni sprostitvi T1. Tu je TE prevladujoč faktor za kontrast slike. Slika je "utežena T2". Na sliki bo cerebrospinalna tekočina videti svetla, druga tkiva pa bodo imela različne odtenke sive.

Kontrast protonske gostote

Obstaja še ena vrsta slikovnega kontrasta, imenovana protonska gostota (PD).
Nastavimo naslednje parametre: TR = 2000 ms in TE 10 ms. Tako kot v prvem primeru sprostitev T2 manj prispeva k kontrastu slike. S TR = 2000 ms bo neto magnetizacija večine tkiv obnovljena vzdolž osi Z. Kontrast slike na slikah PD je neodvisen od sprostitve T2 ali T1. Nastali signal je v celoti odvisen od števila protonov v tkivu: majhno število protonov pomeni nizek signal in temno sliko, veliko število pa povzroči močan signal in svetlo sliko.

riž. 17.

Vse slike imajo kombinacije kontrastov T1 in T2. Kontrast je odvisen samo od tega, kako dolgo lahko pride do sprostitve T2. V sekvencah spinskega odmeva (SE) sta časa TR in TE najpomembnejša za kontrast slike.
Na sl. 17 shematično prikazuje, kako sta TR in TE povezana v smislu kontrasta slike v zaporedju SE. Kratek TR in kratki TE ustvarita T1-utežen kontrast. Dolgi TR in kratki TE zagotavljajo kontrast PD. Dolgi TR in dolgi TE povzročita T2-utežen kontrast.

riž. 18. Slike z različnimi kontrasti: T1-utežene, protonske gostote in T2-utežene. Upoštevajte razlike v intenzivnosti signala tkiva. CSF je temen na T1, siv na PD in svetel na T2.

riž. 19. Slikanje z magnetno resonanco

MRI je dober pri slikanju mehkih tkiv, medtem ko je CT boljši pri vizualizaciji kostne strukture. Živci, mišice, vezi in kite so na MRI vidni veliko jasneje kot na CT. Poleg tega je metoda magnetne resonance nepogrešljiva pri pregledu možganov in hrbtenjače. V možganih lahko MRI razlikuje med belo in sivo snovjo. Zaradi visoke natančnosti in jasnosti dobljenih slik se slikanje z magnetno resonanco uspešno uporablja pri diagnosticiranju vnetnih, infekcijskih in onkoloških bolezni, pri preučevanju sklepov, vseh delov hrbtenice, mlečnih žlez, srca in organov. trebušna votlina, medenica, krvne žile. Sodobne tehnike magnetne resonance omogočajo preučevanje delovanja organov - merijo hitrost krvnega pretoka, pretok likvorja ter opazujejo strukturo in aktivacijo različnih delov možganske skorje.