на ядро какого элемента настроены современные мр томографы
Метод многоядерной МРТ
Я расскажу о многоядерной медицинской магниторезонансной томографии – одном из многих направлений развития МРТ. Коснусь особенностей метода, необходимых технических решениях, применении и перспективах.
Для начала небольшой экскурс в основы МРТ.
Основы МРТ
Процесс работы МРТ можно описать в следующих шагах:
Кроме того ядра прецессируют. На общую намагниченность пока что прецессия не влияет, т.к. фазы всех ядер распределены хаотично и компоненты их магнитных моментов перпендикулярные оси Z взаимно компенсируют друг друга. Частота прецессии – ларморова частота, зависит только от напряжённости магнитного поля 
и свойства ядра – его гиромагнитного соотношения.
где 
— ларморова угловая частота прецессии ядра, [рад/с];
— напряженность магнитного поля, [Тл];
— гиромагнитное соотношение ядра, [рад/(Тл
c)].
Гиромагнитное соотношение определяется как 
, где 
— собственный магнитный момент атома, [А м
]; 
— постоянная Планка, 
Джс.
На сегодня медицинская томография основывается на работе с атомами водорода, ядро которого – обычный протон. Ядра различных химических элементов в одном и том же поле будут прецессировать с различной частотой. Для многоядерной МРТ интересны атомы 
, 
, 
, 
, 
, 
| Атом | Гиромагнитное соотношение, МГц/Тл | Напряженность поля , Тл | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 1,5 | 3 | 7 | 9,4 | ||
 | 42,58 | 63,87 | 127,73 | 298,04 | 400,22 |
| 11,26 | 16,89 | 33,79 | 78,83 | 105,86 |
| 17,24 | 25,85 | 51,71 | 120,65 | 162,01 |
| 10,71 | 16,06 | 32,13 | 74,96 | 100,66 |
| 40,05 | 60,08 | 120,16 | 280,36 | 376,49 |
| -5,77 | -8,66 | -17,32 | -40,40 | -54,26 |
По этим данным можно понять возможные проблемы многоядерной МРТ. Частоты других атомов сильно отличаются от частоты водорода, это требует оснащения томографа вторым комплектом электроники работы с РЧ сигналом. С другой стороны частота фтора-19 наоборот близка к частоте водорода и поэтому возникают трудности с дифференциации их сигналов. Для решения этого можно использовать ультравысокие поля, в которых шаг дискретизации по частоте становится уже. Гиромагнитное соотношение может быть и отрицательным, как у кислорода-17. Его ядра в том же поле буду прецессировать в обратном направлении по сравнению с другими. Это необходимо учитывать при следующем этапе — возбуждении ядер.
Передающая радиочастотная катушка (антенна) создает импульс магнитного поля 
вращающегося в плоскости XOY. Здесь возникает явление резонанса, если частота вращения поля совпадает с ларморовой частотой, то ядра поворачиваются к плоскости XOY и синхронизируют фазы вращения. Если длительность РЧ импульса такова, что магнитные моменты большинства ядер переориентируются в плоскость XOY, то импульс называют 90-градусным. После 90-градусного импульса макроскопическая намагниченность объекта вращается в плоскости XOY с частотой равной ларморовой частоте ядра.
В принимающих радиочастотных катушках эта вращающаяся намагниченность индуцирует напряжение – сигнал (спад) свободной индукции. Спад, потому что происходит релаксация из этого состояния и эта особая намагниченность теряется. Релаксация происходит двумя путями. Поперечная релаксация, с постоянной времени 
, связана с потерей синхронизации фаз вращения атомов. Продольная релаксация, с постоянной времени 
, связана с возвратом ориентации магнитных моментов ядер вдоль поля .
В целом для получения какой-то информации об объекте этого достаточно. Сигнал будет содержать интегральную, усредненную информацию об этих ядрах объекта. Например, в частотном спектре сигнала можно увидеть химические сдвиги – изменения ларморовой частоты из-за взаимодействия атомов в химическом соединении. Это основа ЯМР-спектроскопии, метода используемого химиками для анализа химического состава объекта.
В этой публикации я расскажу чуть больше об РЧ катушках и об их особенностях в многоядерном МРТ.
Упрощенно процесс кодировки таков:
Конструкции РЧ катушек
Перед передающими (Tx) РЧ катушками ставится задача эффективно передать импульс заданной частоты и создать однородное магнитное поле перпендикулярное оси Z. Интересно, что потери РЧ импульса в системе колоссальны. От нескольких киловатт, создаваемых усилителями мощности, до катушек доходит только десятки ватт. Поэтому РЧ катушки делают электрически резонирующими на заданной частоте. На конструкцию РЧ катушки также накладывает ограничения и анатомия. В МРТ исследованиях зачастую рассматривают только часть тела – голову, грудь, колено и т.д. Передающая катушка для исследования всего тела обычно встроена в сам томограф, а для исследования отдельных частей тела – представлена отдельными модулями.
РЧ катушка для исследования головы от Siemens
Приведу несколько примеров конструкций катушек.
Катушка в виде соленоида.
Простой способ создать однородное поле внутри обмоток соленоида. Может показаться, что поля в такой катушке вращающимся сделать невозможно. Но стоит помнить, что вектор , изменяющийся по синусоидальному закону можно представить в виде суммы двух вращающихся в противоположных направлениях компонент.
Катушка типа «птичья клетка» (birdcage)
Слева «птичья клетка» типа нижних частот, справа — верхних.
Продвинутый вариант. Может быть в виде нижних частот или верхних частот. Благодаря настройке элементов – величины емкостей конденсаторов и индуктивности за счет длины ног (редко), ток требуемой частоты имеет близкое к идеальному синусоидальному распределение по углу и создает однородное поле. Если подавать на неё квадратурный сигнал, то поле будет чисто вращающимся.
Катушка для исследования головы составленная из укороченных дипольных антенн и прямоугольных петлей.
Строятся из нескольких более простых антенн, выстроенных по окружности. В качестве элементов могут быть дипольные антенны, антенны в виде петли, микрополосковые антенны и др. Здесь можно увидеть, как анатомия влияет на конструкцию. Например, длина волны излучения ларморовой частоты протона на 7 Тл составляет целый 1 м. Обычная дипольная антенна должна быть длиной пол длины волны регистрируемого излучения. Делать такую длинную катушку для исследования головы непрактично, поэтому дипольную антенну укорачивают, добавляя в её плечи катушки индуктивности.
Функцию принимающих катушек можно реализовать и на передающих, получив приёмо-передающею катушку (TxRx). Чисто принимающие катушки (Rx) также должны быть резонансными, но по конструкции требование несколько иные. Их можно выполнять в виде решетки из плоских петлевых антенн. Так они располагаются непосредственно на поверхности тела, тем самым уменьшая потери принимаемого сигнала.
Поверхностная принимающая катушка от Siemens
Тонкая подстройка частоты у катушек осуществляется изменением емкости конденсаторов. Также важно совпадение импедансов катушки и тракта для эффективной передачи энергии. Импеданс катушки с помощью цепей из индуктивностей и конденсаторов, трансформирующих импеданс, приводят к стандартным 50 Ом.
Особенности РЧ катушек для многоядерной МРТ
Итак для получения сигнала от ядер водорода и в дополнение какого-нибудь другого элемента в МРТ РЧ катушки должны обладать разными свойствами. Как это реализовать.
Сделать катушки с двойным резонансом. Внести второй резонансный пик в катушку можно добавлением последовательно LC-цепи. Внесение дополнительных LC-цепей позволяет настраивать катушку на 3 и более частот
Использовать переключатели. Например, с помощью PIN-диодов можно шунтировать дополнительные подстроечные конденсаторы. Так при подаче постоянного напряжения меняется электрическая цепь подстройки и соответственно резонансная частота катушки.
Использовать две (или более) катушек одновременно. Каждая из них настроена на свою частоту. Тут возникает проблема с взаимной индуктивной связью между катушками. Часто её решают с помощью особой конструкции катушек. Геометрию и тип антенн подбирают так, чтобы поля, создаваемые ими, были ортогональны друг другу. Другие варианты — каждой катушке добавить пассивный LC-фильтр, убирающий сигнал с другой; с помощью PIN-диодов расстраивать не используемую в данный момент катушку.
Катушка «птичья клетка» с четырьмя кольцами. К обычной «клетке» с одной и с другой стороны добавляют по еще одной «клетке». Внутренний сегмент работает аналогично обычной одночастотной катушке. Внешние сегменты совместно формируют «птичью клетку» подстроенную под другую частоту. Такая конструкция позволяет катушкам резонировать независимо друг от друга.
Слева 4-х кольцевая «птичья клетка» с внешним сегментом типа верхних частот, справа — нижних.
Заключение
Визуализация и спектроскопия in vivo в МРТ исследованиях трудная задача. Концентрация атомов кроме водорода в теле человека довольна низка, из-за этого соотношение сигнал-шум при работе с этими атомами низок. Для улучшения SNR используют МРТ с ультравысокими полями, но в таких полях возникают трудности с однородностью поля. При таких Тесла длина волны излучения протона уже сравнима с размерами частей тела.
Но использование других атомов несёт ценную информацию о метаболизме. Атомы несут информацию о солевом балансе в клетках. Живые здоровые клетки постоянно поддерживают низкую концентрацию ионов натрия внутри себя при высокой снаружи с помощью натрий-калиевых насосов. Процесс этот идет с затратами энергии, поэтому нарушения метаболизма отражаются в изменении концентрации ионов натрия внутри клеток. Опухоли мозга, ишемия, инсульты, биполярные расстройства ассоциируются с повышением концентрации натрия внутри клеток и это можно увидеть с помощью многоядерной МРТ.
Другой пример фосфор в виде атома . Он входит в важные метаболиты – АТФ, фосфокреатин и др. Проводя спектроскопию по фосфору в мышцах можно оценить наличие этих веществ и уровень метаболизма в мышцах.
Спектроскопия по уже используется в ЯМР спектроскопии для анализа органических химических соединений, но в теле человека in vivo его концентрация мала, но все еще метод применим.
Атом имеет малую концентрацию в естественном состоянии, но при насыщении им воздуха, которым дышит исследуемый человек, можно построить карту скорости его метаболизма, что помогает при диагностике опухолей.
Но всё же до повсеместного применения в клиниках многоядерной МРТ предстоит пройти еще долгий путь и займет это лет 20-30.
На ядро какого элемента настроены современные мр томографы
Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о «ядерном» происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс реализуется на ядрах с ненулевыми спинами. Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода ( 1 H), углерода ( 13 C), натрия ( 23 Na) и фосфора ( 31 P), так как все они присутствуют в теле человека. В нем больше всего (63%) атомов водорода, которые содержатся в жире и воде, которых больше всего в человеческом теле. По этим причинам современные МР-томографы чаще всего «настроены» на ядра водорода − протоны.
 Рис. 8. а) протоны при отсутствии внешнего поля, б) протоны во внешнем магнитном поле |
При отсутствии внешнего поля спины и магнитные моменты протонов ориентированы хаотически (рис. 8а). Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному полю (рис. 8б), причём во втором случае его энергия будет выше.
Частица со спином, помещенная в магнитное поле, напряженностью В, может поглощать фотон, с частотой ν, которая зависит от ее гиромагнитного отношения γ.
В ЯМР величина ν называется резонансной или частотой Лармора. ν = γB и E = hν, поэтому, для того, чтобы вызвать переход между двумя спиновыми состояниями, фотон должен обладать энергией
В состоянии равновесия, вектор суммарной намагниченности параллелен направлению примененного магнитного поля B0 и называется равновесной намагниченностью M0. В этом состоянии, Z-составляющая намагниченности MZ равна M0. Еще MZ называется продольной намагниченностью. В данном случае, поперечной (MX или MY) намагниченности нет. Посылая РЧ импульс с ларморовской частотой, можно вращать вектор суммарной намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси Z, в данном случае плоскости X-Y.
T1 Релаксация
После прекращения действия РЧ импульса, суммарный вектор намагниченности будет восстанавливаться по Z-оси, излучая радиочастотные волны. Временная константа, описывающая, как MZ возвращается к равновесному значению, называется временем спин-решеточной релаксации (T 1 ).
T1 релаксация происходит в объеме, содержащем протоны. Однако связи протонов в молекулах неодинаковые. Эти связи различны для каждой ткани. Один атом 1 H может быть связан очень сильно, как в жировой ткани, в то время как другой атом может иметь более слабую связь, например в воде. Сильно связанные протоны выделяют энергию намного быстрее, чем протоны со слабой связью. Каждая ткань выделяет энергию с различной скоростью, и именно поэтому МРТ имеет такое хорошее контрастное разрешение.
 Рис. 9. Спад магнитной индукции |
T2 всегда меньше чем T1.
Скорость смещения по фазе различна для каждой ткани. Дефазирование в жировой ткани происходит быстрее по сравнению с водой. Еще одно замечание относительно T2 релаксации: она протекает гораздо быстрее T1 релаксации. T2 релаксация происходит за десятки миллисекунд, в то время как T1 релаксация может достигать секунд.
Для иллюстрации в таблице 1 приведены значения времен T1 и T2 для различных тканей.
| Ткани | T1 (мс), 1.5 T | T2 (мс) |
|---|---|---|
| МОЗГ | ||
| Серое вещество | 921 | 101 |
| Белое вещество | 787 | 92 |
| Опухоли | 1073 | 121 |
| Отек | 1090 | 113 |
| ГРУДЬ | ||
| Фиброзная ткань | 868 | 49 |
| Жировая ткань | 259 | 84 |
| Опухоли | 976 | 80 |
| Карцинома | 923 | 94 |
| ПЕЧЕНЬ | ||
| Нормальная ткань | 493 | 43 |
| Опухоли | 905 | 84 |
| Цирроз печени | 438 | 45 |
| МЫШЦА | ||
| Нормальная ткань | 868 | 47 |
| Опухоли | 1083 | 87 |
| Карцинома | 1046 | 82 |
| Отек | 1488 | 67 |
Устройство магнитно-резонансного томографа
Схема магнитнорезонансного томографа показана на рис. 10. В состав МРТ входят магнит, градиентные катушки и радиочастотные катушки.
Кодирование сигнала
Когда пациент находится в однородном магнитном поле B0, все протоны от головы до пальцев ног выравниваются вдоль B0. Все они вращаются с Ларморовой частотой. Если сгенерировать РЧ импульс возбуждения для перевода вектора намагниченности в плоскость X-Y, все протоны реагируют и возникает ответный сигнал, но локализации источника сигнала нет.
 Рис. 12. |
Фазо-кодирующий градиент
Для дальнейшего кодирования протонов на очень короткое время включается градиент GY. В течение этого времени в направлении по оси Y создается дополнительное магнитное поле градиента. В этом случае протоны будут иметь немного различающиеся скорости вращения. Они больше не вращаются в фазе. Разность фаз будет накапливаться. Когда градиент GY выключен, протоны в срезе будут вращаться с одинаковой частотой, но иметь различную фазу. Это называется кодированием фазы.
Частотно-кодирующий градиент
Для кодирования левого-правого направления включается третий градиент GX. Протоны с левой стороны вращаются с более низкой частотой, чем с правой. Они накапливают дополнительный сдвиг фазы из-за различий в частотах, но уже приобретенная разность фаз, полученная при кодировании фазы градиента на предыдущем шаге, сохраняется.
Таким образом для локализации источника сигналов, которые принимаются катушкой, используются градиенты магнитного поля.
За один шаг кодирование фазы выполняется только для одной строки. Для сканирования целого среза полный процесс кодирования среза, фазы и частоты должен быть повторен несколько раз.
Таким образом созданы маленькие объемы (вокселы). Каждый воксел имеет уникальную комбинацию частоты и фазы (рис. 12). Количество протонов в каждом вокселе определяет амплитуду РЧ волны. Полученный сигнал, поступающий из различных областей тела, содержит сложное сочетание частот, фаз и амплитуд.
Импульсные последовательности
На рис. 13 показана диаграмма простейшей последовательности. Вначале включается срезо-селективный градиент (1) (Gss ). Одновременно c ним генерируется 90 0 РЧ импульс выбора среза (2), который «переворачивает» суммарную намагниченность в плоскость X-Y. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gpe) для выполнения первого шага кодирования фазы. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (4) (Gro), в течение которого регистрируется сигнал спада свободной индукции (5) (FID). Последовательность импульсов обычно повторяется 128 или 256 раз для сбора всех необходимых данных для построения изображения. Время между повторениями последовательности называется временем повторения (repetition time, TR). С каждым поторением последовательности меняется величина фазо-кодирующего градиента. Однако в этом случае сигнал (FID) был крайне слабый, поэтому результирующее изображение было плохим. Для повышения величины сигнала применяется последовательность спин-эхо.
Последовательность спин-эхо
После применения 90 0 импульса возбуждения суммарная намагниченность находится в плоскости X-Y. Сразу же начинается смещение фаз вследствие T2 релаксации. Именно из-за этого дефазирования сигнал резко снижается. В идеале, необходимо сохранить фазовую когерентность, обеспечивающую лучший сигнал. Для этого через короткое время после 90 0 РЧ импульса применяется 180 0 импульс. 180 0 импульс вызывает перефазирование спинов. Когда все спины восстановлены по фазе, сигнал снова становится высоким и качество изображения значительно выше.
На рис. 14 показана диаграмма импульсной последовательности спин-эхо.
Рис. 14. Диаграмма импульсной последовательности спин-эхо
Сначала включается срезо-селективный градиент (1 ) (G SS ). Одновременно c ним применяется 90º РЧ импульс. Затем включается фазо-кодирующий градиент (3) (Gре) для выполнения первого шага кодирования фазы. Gss ( 4) снова включается во время 180º перефазирующего импульса (5), таким образом, воздействие оказывается на те же протоны, которые были возбуждены 90º импульсом. После этого подается частотно-кодирующий или считывающий градиент (6) (Gro), в течение которого принимается сигнал (7).
TR (Время повторения). Полный процесс должен повторяться неоднократно. TR время между двумя 90ºимпульсами возбуждения. TE (Время эхо). Это время между 90ºимпульсом возбуждения и эхо.
Контраст изображения
При ЯМР сканировании одновременно происходят два процесса релаксации T1 и T2. Причем
T1 >> T2. Контраст изображения сильно зависит от этих процессов и от того, насколько полно каждый из них проявляется при выбранных временных параметрах сканирования TR и TE. Рассмотрим получение контрастного изображения на примере сканирования мозга.
Рис. 15. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга
| CSF (Цереброспинальная жидкость, ликвор, спинномозговая жидкость) — прозрачная бесцветная жидкость, заполняющая полости желудочков мозга, субарахноидальное пространство головного мозга и спинномозговой канал, периваскулярные и перицеллюлярные пространства в ткани мозга. |
Выберем следующие параметры сканирования: TR = 600 мс и TE = 10 мс. То есть T1 релаксация протекает за 600 мс, а T2 релаксация – только за
5 мс (TE/2). Как видно из рис. 15а через 5 мс смещение фаз невелико и оно не сильно отличается у разных тканей. Контраст изображения, поэтому, очень слабо зависит от T2 релаксации. Что касается Т1 релаксации, то через 600 мс жир практически полностью релаксировал, но для CSF необходимо еще некоторое время
(рис. 15б). Это означает, что вклад от CSF в общий сигнал будет незначительным. Контраст изображения становится зависимым от процесса релаксации Т1. Изображение «взвешено по T1» потому, что контраст больше зависит от процесса релаксации Т1. В результирующем изображении CSF будет темной, жировая ткань будет яркой, а интенсивность серого вещества будет чем-то средним между ними.
Рис. 16. а) спин-спиновая релаксация и б) спин-решеточная релаксация в различных тканях мозга
Теперь зададим следующие параметры: TR = 3000 мс и TE = 120 мс, то есть T2 релаксации протекать за 60 мс. Как следует из рис. 16б, практически все ткани подверглись полной T1 релаксации. Здесь TE является доминирующим фактором для контраста изображения. Изображение «взвешено по T2». На изображении CSF будет яркой, в то время как другие ткани будут обладать различными оттенками серого.
Контраст протонной плотности
Существует еще один тип контраста изображения, называемый протонной плотностью (PD).
Зададим следующие параметры: TR = 2000 мс и TE 10 мс. Таким образом, как и в первом случае T2 релаксация вносит незначительный вклад в контраст изображения. С TR = 2000 мс, суммарная намагниченность большинства тканей восстановится вдоль Z-оси. Контраст изображения в PD изображениях не зависит ни от T2, ни от T1 релаксации. Полученный сигнал полностью зависит от количества протонов в ткани: небольшое количество протонов означает низкий сигнал и темное изображение, в то время как большое их количество производит сильный сигнал и яркое изображение.
 Рис. 17. |
Все изображения имеют сочетания T1 и T2 контрастов. Контраст зависит только от того, за сколько времени позволено протекать T2 релаксации. В спин-эхо (SE) последовательностях наиболее важны для контраста изображения времена TR и TE.
На рис. 17 схематически показано, как TR и TE связаны в терминах контраста изображения в SE последовательности. Короткое TR и короткое TE дают контраст, взвешенный по T1. Длинное TR и короткое TE дают контраст PD. Длинное TR и длинное TE приводят к контрасту, взвешенному по T2.
Рис. 18. Изображения с разными контрастами: взвешенный по T1, протонная плотность и взвешенный по T2. Отметьте различия в интенсивности сигнала тканей. CSF темная на T1, серая на PD и яркая на T2.
 Рис. 19. Магниторезонансный томограф |
МРТ хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные структуры. Нервы, мышцы, связки и сухожилия наблюдаются гораздо более четко в МРТ, чем в КТ. Кроме того, магнитно-резонансный метод незаменим при обследовании головного и спинного мозга. В головном мозге МРТ может различать белое и серое вещества. Благодаря высокой точности и четкости полученных изображений магнитно-резонансная томография успешно используется в диагностике воспалительных, инфекционных, онкологических заболеваний, при исследовании суставов, всех отделов позвоночника, молочных желез, сердца, органов брюшной полости, малого таза, сосудов. Современные методики МРТ делают возможным исследовать функцию органов – измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, наблюдать структуру и активацию различных участков коры головного мозга.