Физика мрт эверт блинк купить
1 2
МРТ: Физика
Для всех тех, кто не обладает Специализированными знаниями по физике
Эверт Блинк
Специалист по применению МРТ
Переведено на русский язык Макаровой Екатериной
Основы мрт: Физика
Предисловие
За последние годы метод магнитно-резонансной томографии, в дальнейшем МРТ, стал популярным и широко доступным методом формирования изображений сечений тела. Это не случайно; метод МРТ прошел стремительный поэтапный цикл развития, начиная со дня открытия. Сегодня каждая уважающая себя больница или клиника для диагностики патологии имеет один или несколько МР сканеров, позволяющих получать более точные и четкие изображения внутренних органов. В настоящее время метод продолжает активно развиваться.
В сочетании с превосходным контрастным разрешением изображения, МРТ безопасна для человека, в пределах разумного, за счет использования радиоволн и магнитного поля, в отличие от рентгеновских и КТ исследований, применяющих рентгеновское излучение.
По мере распространения МРТ повышается потребность в более квалифицированном персонале. С разработкой каждого нового программного обеспечения управление МР сканером упрощается, но необходимость надлежащего понимания принципов работы МРТ остается. В МРТ используются такие совокупности параметров, как TR (время повторения), TE (время эхо), Flip Angle (угол переворота), Phase Encoding (фазовое кодирование) и др. Всестороннее понимание этих параметров крайне важно для получения качественных МР изображений.
Существует множество книг по физике МРТ, большинство которых предназначено для опытных людей с ясным пониманием физики. Некоторые книги написаны для абсолютного новичка, не имеющего представления о физике.
Как специалисту в этой области мне часто приходится объяснять основные принципы МРТ людям, в основном рентгенологам, которые понимают физику, связанную с рентгеновским излучением, но не владеют МРТ физикой. В настоящее время в курс по рентгенологии включают и МРТ физику. Однако он также базируется на книгах, предназначенных для опытных людей.
В своей работе я попробую разъяснить физику МРТ таким способом, чтобы каждый обучающийся смог понять ее концепцию. Конечно, знания физики являются желательным, но не абсолютно необходимым условием. Если вы уже обладаете базовыми знаниями по данной теме, вы можете идти вперед и выбирать более продвинутые книги.
Хотя вы четко должны понимать одну вещь. Всестороннее изучение физики МРТ является очень сложной задачей. Вы можете долго и упорно копаться в квантовой физике и, тем не менее, не собрать знания в единое целое. Существует лишь небольшой ряд людей, пони-мающих физику МРТ в полном объеме. Остальная часть нас, простых смертных, схваты-вает лишь основную идею. Однако пусть вас это не смущает, всего познать невозможно, и к счастью, не обязательно для выполнения вашей работы должным образом.
Позвольте взять на себя смелость предложить вам совет: продолжайте читать об МРТ и каждый раз, перечитывая книгу, вы будете узнавать что-то новое. И настанет такой день, когда все части прочитанного соберутся в единое целое.
Когда это случится, вам предлагается прочитать книгу еще раз, и вы обнаружите, что все еще осталось, что изучать.
Надеюсь, что эта книга плавно введет вас в захватывающий мир формирования МР изображений, который никогда не станет скучным.
Эверт Блинк
Ноябрь 2004
Немного из истории МРТ
История МРТ начинается приблизительно в 1946 году, когда Феликс Блох открыл новые свойства атомного ядра, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Он установил, что ядро ведет себя подобно магниту, а заряженная частица, такая как протон, вращаю-щаяся вокруг собственной оси, имеет магнитное поле, известное как магнитный момент. Открытие было сведено им в уравнение, названное уравнением Блоха. Теоретические исследования были подтверждены экспериментально в начале 1950-х годов. В 1960 году были разработаны спектрометры ядерно-магнитного резонанса для аналитических целей. На протяжении 1960 и 1970 годов ЯМР спектрометры широко использовались в академических и индустриальных исследованиях. Спектрометрия используется для анализа молекулярного строения вещества, основанного на его ЯМР спектре.
В конце 1960 годов Раймонд Дамадиан обнаружил, что злокачественная ткань отличается от нормальной ЯМР параметрами. Он предположил, что на основании этих различий можно характеризовать ткани. Опираясь на это открытие, в 1974 году он получил первое ЯМР изображение опухоли у крысы. В 1977 году Дамадиан и его помощники сконструиро-вали первый сверхпроводящий ЯМР сканер и получили первое изображение тела человека, сканирование которого заняло почти 5 часов (Рисунок 1).
Одновременно Пол Лаутербур проводил подобные исследования в этой же области. Вопрос о том, кто же является родоначальником МРТ спорный, хотя, следует признать, что оба ученых внесли свой вклад.
Название ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) было заменено магнитно-резонансной томографией (МРТ), так как полагалось, что слово ядерный не найдет широкого признания в обществе.
Впоследствии в начале 1980 годов почти каждый производитель оборудования для получения медицин-ских изображений разрабатывал и производил МР сканеры. С тех пор многое было сделано на основе этих открытий. Аппаратные средства и программное обеспечение стали быстрее, более интеллектуальными и легкими в эксплуатации. За счет создания улучшенных импульсных последовательностей открылись новые возможности применения МРТ в МР ангиографии, функциональной диагностике и сканировании для получения перфузионных / диффузионных изображений.
И все же, предел развития МРТ вне поля зрения. МРТ все еще находится в стадии бурного развития, и только время покажет, что нас ждет в будущем. Рисунок 1
4
Почему МРТ?
Изображение тела пациента, полученное с помощью рентгеновского излучения, мало-информативно, так как является серым и плоским с низким общим контрастным разреше-нием. Чтобы увеличить контраст изображения, можно менять контраст среды, применяя контрастные вещества на основе бария или йода. Изменяя такие рентгеновские параметры как кВ и мА, можно дальше пытаться оптимизировать контраст изображения, но он все равно останется относительным. С помощью КТ сканеров можно получить изображения с гораздо большим контрастом для обнаружения поражений мягких тканей.
Принципиальное преимущество МРТ — превосходное контрастное разрешение. МРТ позволяет выявлять незначительные различия контраста (мягких) тканей и даже лучше, чем при КТ исследованиях. Изменяя параметры МР, можно оптимизировать импульсную последовательность для определенной патологии.
Другое преимущество МРТ — возможность строить изображения в любых мыслимых плоскостях, что невозможно выполнить с рентгеновскими или КТ данными. (КТ позволяет реконструировать другие проекции из аксиально полученных данных)
1 2
Физика МРТ
Наиболее важными для современной клинической диагностики являются новые неинвазивные методы, предполагающие минимальное воздействие на человеческий организм. К таким современным методам относятся изотопный тест дыхания, МРТ -томография и ПЭТ — позитронно
СЕЙСМОЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ В ВУЛКАНИЧЕСКИХ РАЙОНАХ КАМЧАТКИ
Методы, основанные на использовании естественной и наведенной сейсмической эмиссии для изучения земной коры, объединены общим названием «эмиссионная томография». Эмиссионная томография позволяет картировать источники микросейсмического излучения, находящи
Элементарные частицы обладают свойством вращения вокруг своей оси. В классической механике в таких случаях говорят, что они имеют “собственный угловой момент”. То же самое в квантовой физике обозначается термином “спинирование”. Элементарные частицы, имеющие заряд, вращаясь, индуцирует вокруг себя магнитное поле. Его сила зависит от величины заряда и скорости вращения. Их намагниченность можно представить в виде “микроскопической магнитной стрелки”, иначе магнитного диполя.
Индукция магнитного поля вокруг заряженной частицы
Количественно спинирование характеризуется спиновым квантовым числом. Оно для протона, нейтрона, электрона и нейтрино равно ½. Эти элементарные частицы ещё называют фермионами, в отличие от бозонов, имеющих целые значения спинового квантового числа. Проекция спина в любом направлении определяется как 2s+1, где s(или J) спиновое квантовое число. То есть для протона возможны 2 состояния внутренней степени свободы.
Протон, хотя и имеет маленький заряд, вращается столь быстро, что магнитное поле становится вполне измеримым. Магнитный момент ядра впервые был измерен учёным из Колумбийского университета (США) Isidor Isaak Rabi (1898-1988). За это достижение в 1944 году он получил Нобелевскую премию по физике.
Спин ядра составляет векторная сумма спинов элементарных частиц, входящих в его структуру. Следовательно, ядра с нечётным числом протонов или нейтронов, например 1Н, 13С, 19F, 23Na, 31P, будут также иметь нечётное значение спинового квантового числа. Именно у них наблюдается эффект ядерного магнитного резонанса. Если посмотреть на таблицу Менделеева, то элементов отвечающим данным требованиям большинство. Однако содержание элементов в организме и магнитная восприимчивость ядер существенно различаются. Поэтому для МР томографии наиболее подходит водород. Возможны исследования и по другим атомам, но потребуются высокие поля и исследование будет отражать иные патологические процессы.
Если нет внешнего магнитного поля, то “магнитные стрелки” (диполи) беспорядочно ориентированы в пространстве. Если поместить исследуемый объект в постоянное магнитное поле (обозначается значком Во), в нашем случае – пациента в отверстие магнита томографа, то ориентация диполей упорядочится. Для ядра водорода (иными словами протона) возможны 2 ориентации (то есть упоминавшиеся 2 степени свободы):
- Вдоль силовых линий магнитного поля (параллельная);
- Против силовых линий магнитного поля (антипараллельная).
Большая часть протонов ориентируется параллельно, так как это соответствует более низкому энергетическому уровню. Различие в количестве протонов ориентированных параллельно и антипараллельно казалось бы невелико: всего лишь 3 на каждые 2 млн протонов в поле 0,5 Тесла, 6 в поле 1,0 Тесла и 9 в поле 1,5 Тесла. Однако в пересчёте на объём воксела их число умножается примерно на 1015. Чем выше магнитная индукция, тем большее число протонов на верхнем энергетическом уровне, так как различие энергии между уровнями пропорционально магнитной индукции томографа.
DE=hgBo
где h – постоянная Планка; g – гиромагнитное соотношение, величина постоянная для каждого вида ядер, для водорода – 42,56 МГц/Т; Во – магнитная индукция томографа.
Квантовое описание поведения протонов в магнитном поле
Приложив такую энергию, можно заставить протоны перейти на более высокий энергетический уровень, т.е. изменить ориентацию на антипараллельную. Ту же формулу можно записать иначе:
DE=2phuo
где 2p – угол поворота на 180°; uо (иногда обозначается значком h или w) – частота электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого протонами при переходе с одного энергетического уровня на другой, и называемая также частотой Лармора, или резонансной частотой.
Соотнося обе формулы видно, что резонансная частота строго пропорциональна величине магнитной индукции. Английский физик Joseph Larmor (1857-1942) представил это в виде следующего уравнения:
2pn= w=df ¤ dt=gB , где g – резонансная частота (МГц)
w (или n0) – угловая частота
B – сила магнитного поля
Следовательно, для того, чтобы происходил процесс поглощения энергии ядром с переходом на более высокий энергетический уровень, ему надо передать ее путем помещения объекта в электромагнитное поле, частота которого находится в спектре радиоволн (≈107). Столь низкая частота по сравнению с рентгеновским излучением (≈1019) не вызывает ионизацию.
Явление ядерного магнитного резонанса – это процесс поглощения ядрами, находящимися в постоянном магнитном поле, энергии электромагнитного излучения Ларморовской частоты с переходом на более высокий энергетический уровень и изменение ориентации (возбуждение), а затем возврата в исходное состояние (релаксация) с потерей избытка энергии в виде излучения той же частоты. Резонансная частота разных ядер отличается, у водорода составляет 42,56 МГц, фосфора – 17,2 МГц в поле 1,0 Тесла.
Эффект ядерного магнитного резонанса впервые был описан в 1946 году американскими учёными Felix Bloch (1905-1983) и Edward Mills Purcell (1912-1997), за что в 1952 году они получили Нобелевскую премию по физике.
Графическое отображение зависимости Лармора
Магнитный момент вращающегося (спинирующего) ядра в магнитном поле ориентирован не строго параллельно или антипараллельно, а производит вокруг оси Z, совпадающей с направлением внешнего поля, Во конусовидное движение. Это движение магнитного момента называется прецессией.
Графическое описание прецессии вектора М спинирующего ядра (вверху) и результирующей составляющей магнитных моментов (внизу)
Частота прецессии определяется из уравнения Лармора
uо = g Bо / (2p)
где uо – частота прецессии (она же резонансная частота, о которой упоминалось выше, выраженная в радианах на Тесла за секунду).
Магнитные моменты отдельно взятых ядер прецессируют с одинаковой частотой в разных фазовых отношениях, т.е. вектор М неодинаково расположен на конусе прецессии. Однако если их суммировать, то результирующая составляющая магнитных моментов М будет направлена параллельно оси Z. Составляющие магнитных моментов в плоскости X-Y из-за разнонаправленности в сумме дают нулевое значение.
Чтобы заставить изменить ориентацию спинирования (направление вектора М) на противоположную, надо приложить дополнительное магнитное поле, перпендикулярное основному, и индуцирующее еще одно вращение (прецессию) вокруг него. Эту роль играет создание внешнего радиочастотного поля, обозначаемого В1. Под его действием конус прецессии отклоняется и результирующая составляющая магнитных моментов М образует с осью Z угол, называемый углом возбуждения ( α или j ). Угол возбуждения зависит от количества энергии, передаваемой радиочастотным импульсом.
Действие возбуждающего импульса В1
Влияние угла возбуждения на сигнал.
Представим себе частый случай, когда под действием поля В1 направленного по плоскости X-Y и вращающегося с частотой равной частоте естественной прецессии, произойдет уплощение конуса прецессии. Тогда результирующая составляющая магнитных моментов М окажется в плоскости X-Y (Mz = 0). Такой импульс носит название 90 – градусного, или p/2. Вращение вектора Мx-y называется поперечной намагниченностью (обозначается Mt). Одновременно происходит и другой процесс – сфазирование спинов, то есть переход вращения от рассыпного к компактному в плоскости X-Y. С точки зрения квантовой физики, действие 90° – импульса приводит к уравновешиванию верхнего и нижнего энергетических уровней.
В другом частом случае под действием поля В1 произойдет переворачивание (вывертывание) конуса прецессии через плоскость X-Y. Тогда результирующая составляющая магнитных моментов М окажется на оси Z (Mt = 0). Такой импульс носит название 180 – градусного, или p. Нахождение вектора М на оси Z называется продольной намагниченностью (обозначается Мz). С точки зрения квантовой физики, действие 180° – импульса приводит к переходу всех протонов на верхний энергетический уровень, т.е. к смене ориентации на антипараллельную.
Состояние после действия 180º импульса
Антенна (приёмная катушка) всегда расположена в МР томографе в плоскости перпендикулярной направлению основного магнитного поля. Поэтому только поперечная намагниченность порождает сигнал в катушке, обозначаемый как сигнал спада свободной индукции (ССИ). Продольная намагниченность не порождает ССИ и отражает тепловое равновесие в системе протонов. После прекращения действия импульса спиновая система стремится в исходное, устойчивое состояние. Переход спиновой системы в магнитном поле из возбужденного состояния в исходное называется процессом релаксации.
Рассмотрим действие 90° – импульса. До его действия поперечная намагниченность (Мt) равна 0, продольная (Мz) – максимальна. В момент действия импульса поперечная намагниченность становится максимальной, продольная равна 0. Затем начинается процесс релаксации. Он идет независимо по двум путям.
Графическое описание намагниченности до и после действия 90º импульса
Первый связан с уменьшением величины поперечной намагниченности за счет расфазирования на отдельные магнитные моменты М от компактного вращения к рассыпному. Процесс происходит в связи с влиянием малых магнитных полей ядер (спин-спиновое взаимодействие) друг на друга.
Спин-спиновое взаимодействие
Т2 отражает расфазировку системы, т.е. как долго резонирующие ядра удерживают поперечную намагниченность. Этот тип релаксации называется спин – спиновой и происходит за время Т2. За это время сигнал теряет 36,8% своего исходного значения. Зависит Т2 главным образом от внутренних свойств тканей. В жидкостях Т2 велико, в твердых телах – мало, так как межъядерное взаимодействие сильнее. В реальных условиях за счет неоднородности статического магнитного поля спин – спиновая релаксация протекает несколько быстрее и обозначается Т2*. Если амплитуда ССИ зависит от протонной плотности, то его экспоненциальное затухание – от Т2. Колебание сигнала происходит с резонансной частотой. Следует заметить, что ССИ – это сигнал в отсутствии магнитных градиентов.
Второй тип релаксации связан с восстановлением продольной намагниченности (теплового равновесия) путем обмена энергией с окружающей средой или, иначе говоря, “решеткой”, в которой заключены ядра. Он происходит в виде беспорядочных столкновений между молекулами. Этот тип релаксации называется спин – решёточной и происходит за время Т1. Т1 – это время, требуемое для восстановления системой 63% равновесного значения после возбуждения ее 90° – импульсом. Т1 зависит от типа ядра (практически работа идет с ядрами водорода), резонансной частоты (в значительно большей степени, чем Т2), температуры, микровязкости, наличия крупных молекул, например, белков, сокращающих релаксационные времена, парамагнитных ионов и свободных радикалов. Парамагнитные ионы (Mn2+, Cu2+, Fe2+, Co3+), свободные радикалы, а также молекулярный кислород поглощает энергию и сокращают релаксационные времена. Т1 той же ткани всегда существенно больше чем Т2.
Каждой ткани присущи свои релаксационные времена, следовательно, измеряя их, можно характеризовать эту ткань. На практике стараются получить МРТ изображение, возможно более зависимое только от одного из релаксационных времен. Их называют Т1- или Т2- взвешенными (зависимыми) соответственно. На Т1-взвешенных МРТ интенсивность сигнала от каждой ткани зависит от величины её релаксационного времени Т1. На Т2-взвешенных МРТ интенсивность сигнала от каждой ткани зависит от её релаксационного времени Т2.
Физические основы МРТ служат для получения МРТ изображения. При МРТ в СПб в чаще используется поле 1,5 Тл. Открытый МРТ обладает гораздо более слабым полем, но имеет свои достоинства.
Если вы хотите получить углубленные знания по физико-техническим основам МРТ, то их можно подчерпнуть здесь:
Эверт Блинк. МРТ: физика
Терстен Меллер , Эмиль Райф Укладки и режимы при магнитно-резонансной томографии