Индукция магнитного поля для мрт
Как напряженность поля влияет на качество изображений и как выбрать магнитно-резонансый томограф с оптимальными характеристиками
Понять, как напряженность (сила) магнитного поля аппарата МРТ влияет на результат обследования, поможет приведенный ниже текст из книги «Магнитный Резонанс в Медицине» профессора П.А. Ринка, председателя Европейского Форума по магнитному резонансу.
Битва магнитных полей
Как почти все в нашем мире, МР-томографы появляются самых разных размеров: особо-малые, малые, средние, большие и особо-большие. В силу технической природы МРТ их называют приборами с ультраслабым, слабым, средним, сильным и сверхсильным магнитными полями. Эти эпитеты относятся к напряженности постоянного магнитного поля соответствующего прибора. Эта напряженность измеряется в тесла (Тл), в единицах, несколько лет назад заменивших прежнюю единицу Гаусс (Гс), хотя Гаусс по-прежнему иногда используют (10000 Гс=1 Тл). Приборы со сверхслабым полем работают при напряженности менее 0.1 Тл, со слабым — от 0.1 до 0.5 Тл, средним — от 0.5 до 1 Тл, сильным — от 1 до 2 Тл, а со сверхсильным — более 2 Тл.
В клинической обстановке служба радиологической безопасности запрещает применение МР-томографов с полем более 2.5 Тл. Свыше этого предела поля предполагаются потенциально опасными и могут допускаться для исследовательских лабораторий.
При описании МР-аппаратуры, ученые-естественники предпочитают говорить не о полях, а о частотах. Это обусловлено тем, что различные ядра в периодической системе имеет разные МР-частоты. В поле 1 Тл, например, протоны резонируют на 42.58 МГц. Для клинической медицинской МР-томографии эти различия пока несущественны, т.к. используется только протонный МР.
Прогуливаясь по величайшей в мире коммерческой выставке радиологического оборудования на ежегодном митинге Радиологического общества Северной Америки, можно найти малые МРТ-приборы, работающие на 0.06 Тл и гигантские томографы, работающие на 2 Тл. Магниты, конечно, у них разные: ниже примерно 0.3 Тл либо постоянные магниты, либо резистивные электромагниты (с железным сердечником или без него), а выше — магнит должен быть сверхпроводящим. Каждый из указанных типов магнитов имеет свои достоинства и недостатки.
Почему встречаются малые МР-томографы со сверхслабыми полями наряду с приборами, работающими с магнитным полем в 100 раз сильнее? Почему не выживают томографы только со слабым или только с сильным полем?
Эта проблема величины магнитного поля с начала 1980-х годов расколола МРТ-сообщество. В то время МР-томографы работали в слабых полях, многие прототипы имели поле около 0.15 Тл. Исследователи не верили, что возможна томография в более сильных полях: казалось, что более высокие радиочастоты не будут равномерно пронизывать человеческое тело. Подобно многим другим предсказаниям в МРТ, это предсказание было ошибочным.
МР-томограммы тогда были очень грубыми, неотчетливыми и, вообще говоря, хуже рентгеновских, полученных на вычислительных томографах. Разработчиков МР-томографов на фирмах-изготовителях все время допрашивали: „Как можно улучшить качество МР-томографов?» Ответ был прост: „Усилить магнитное поле».
Из аналитических приложений МР было известно, что отношение сигнал/ шум возрастает с ростом поля. Чем больше это отношение, тем лучше будет изображение. Но более сильное поле требует больших градиентов, чтобы снизить влияние артефактов, обусловленных химическими сдвигами, растущими вместе с полем. Сильные градиенты увеличивают пространственное разрешение. Эти простые соображения заставили некоторых изготовителей под давлением своих разработчиков и специалистов по маркетингу сделать решительный выбор в пользу сверхпроводящих магнитных систем. Такие системы — огромные динозавроподобные изделия. Они были дорогими, сложными в изготовлении, дорогими в эксплуатации, но с их помощью было реализовано выдающееся качество изображения.
Другим аргументом в поддержку разработки томографов с сильными магнитными полями было то обстоятельство, что только они позволяли совместить МР-томографию с локальной МР-спектроскопией по ядрам углерода, фосфора и протонам. А в то время одной из целей разработки МР-интроскопии для медицины было объединение томографии и спектроскопии для одновременного получения морфологической информации и сведений о метаболизме в соответствующей точке человеческого организма. Спектроскопическая информация будет тем более детальной, чем сильнее магнитное поле.
Однако, in vivo-спектроскопия не получила распространения в клиниках, тогда как популярность МРТ росла взрывоподобно. Правилом становились специализированные на томографии МР-приборы, а комбинированные приборы и медицинская спектроскопия оставались исключениями.
Затем необходимость сильных магнитных полей в томографии стали подвергать сомнению. Техническое развитие привело к тому, что качество изображения и пространственное разрешение томографа со слабыми и средними полями стало не хуже, а иногда и лучше, чем в сильных полях, хотя тогда и отсутствовало научное обоснование этих достижений. Дополнительные исследования показали, что наиболее важный для медицинской томографии фактор, а именно, контраст тканей, по крайней мере для ряда диагностических проблем в связи с центральной нервной системой, в средних магнитных полях оказывается наилучшим, слегка убывая затем при увеличении магнитного поля.
Строгий научный подход к этой проблеме и тогда еще не был разработан. На конференции 1983 года в Сан-Франциско дебаты на эту тему перенеслись из зала в коридор и чуть не дошли до драки между сторонниками идеологии сильных полей, чья компания сосредоточила все свои усилия на томографах с полем 1.5 Тл, и сторонником слабых полей, чья компания пропагандировала томограф с полем 0.35 Тл.
Линия фронта в этой войне была непроходимой, окопы — глубокими. Вы должны были принадлежать либо к одному лагерю, либо к другому. Все большие компании переметнулись к сторонникам сильных полей и рекламировали эти поля со всей мощью своих отделов маркетинга. В некоторых странах субсидии на разработку систем с сильными полями обошлись налогоплательщикам в миллионы долларов.
Однако, в одно прекрасное утро покупатели МРТ проснулись и увидели ров заполненным. Одна компания решила выйти на рынок приборов со средними полями, другая — последовала за ней, а третья — пошла на компромисс, решив создать МР-томограф, работающий с полем, промежуточным между принятыми до того „стандартами».
Причины этих действий никогда публично не обсуждались, но медики убедились в том, что тот выигрыш в чувствительности, который рост магнитного поля дает в МР-спектроскопии, не производит аналогичного эффекта в медицинской МР-томографии, если речь идет о всем теле человека.
Дело в том, что тело человека с ростом магнитного поля порождает дополнительный шум, ограничивающий суммарный рост чувствительности. Кроме того, никто не мог предвидеть, что в сильных полях возникнут такие новые проблемы, как артефакты, обусловленные непроизвольными движениями пациента. Вполне очевидны были опасности, связанные с ростом поля, а также неизбежное удорожание техники. А между тем томографы со слабыми и средними полями становились все меньше при неуклонном улучшении обеспечиваемых ими диагностических результатов.
Разумеется, томографы с сильными полями оставались хорошим диагностическим средством и сохраняли свой рынок. Определенные преимущества за ними сохранялись: сверхбыстрые экспозиции, например, все-таки легче обеспечить в сильных полях за счет роста аппаратурной чувствительности.
Но, скорее всего, в будущем большинство МР-томографов будут работать в слабых и средних полях. Соотношение будет зависеть от конкретного рынка. Основная доля МР-томографов со слабыми и сильными полем будет установлена в Японии, за ней будет следовать Европа, в меньшей степени — США. Новое поколение пользователей МРТ, небольшие больницы и частные врачи, будут предпочитать более дешевые МР-томографы, которые обеспечивают возможность проведения подавляющего большинства наиболее часто встречающихся диагностических обследований. Большие госпитали, в особенности те из них, которые интересуются локальной спектроскопией и исследованиями в области функциональной томографии, сохранят интерес к сильным магнитным полям, но и они будут покупать томографы со слабыми и средними полями в качестве вторых и третьих установок для массовых обследований ( и разгрузки от них большого томографа).
Если бы все это было известно и принято во внимание 8-10 лет назад, то гораздо больше пациентов могли бы получить доступ к МР-томографии, и медицинское МР-оборудование могло быть не столь дорогим, как сегодня.
Вам назначили исследование с помощью магнитно-резонансной томографии? Как выбрать, какой именно томограф вам необходим?
Что лучше в каждом конкретном случае? А может быть просто достаточно того, что это — МРТ, а характеристики аппарата не имеют значения?
Попробуем разобраться.
Чтобы понимать
Если говорить просто, в основе метода МРТ лежит воздействие на организм человека определённого сочетания электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.
ВСЕ ЛИ ТКАНИ МОЖНО ОДИНАКОВО ХОРОШО
«УВИДЕТЬ» НА МРТ? КАК ОКАЗАЛОСЬ, НЕТ
На воздействие этих факторов реагируют входящие в состав молекул протоны водорода. Аппарат фиксирует эти сигналы, преобразуя их в соответствующие изображения на экране монитора.
Что «видит»?
Возникает первый вопрос: все ли ткани можно одинаково хорошо «увидеть» на МРТ? Как оказалось, нет. МРТ имеет преимущества в анализе образований, богатых протонами водорода. Их много, в частности, в воде, которой, в свою очередь, богаты мягкие ткани. Поэтому самая «сильная» сторона этого метода — именно такие анатомические (и патологические) образования (головной мозг, мышцы, связки, сухожилия, хрящ и некоторые другие). Вместе с тем МРТ в ряде случаев хорошо «справляется» и с костной тканью.
Читайте материал по теме: МРТ, КТ, УЗИ – как выбрать, что необходимо?
Когда мощность имеет значение
Как оказалось, качество изображения зависит не только от концентрации протонов водорода, но и мощности/напряжённости используемого магнитного поля. Термин «мощность» не совсем корректен, и на практике под ним понимается физическая величина, обозначающая единицу измерения индукции магнитного поля — Тесла (Тл, международное обозначение — Т).
Существуют различные классификации томографов по данному критерию. В качестве примера приведем одну из них.
Аппараты МРТ, напряженность магнитного поля в которых составляет менее 0,5 Тесла, получили название низкопольных. До 1 Тесла — среднепольные. 1,5 Тесла — высокопольные. Более 1,5 — сверхвысокопольные.
Что даст информация о Тесла?
Понятно, что низко- и среднепольные томографы — не самые мощные. Это означает, что они могут выявлять лишь достаточно крупные патологические изменения. Например, их мощности достаточно пригодны для исследования ряда патологий позвоночника, головного мозга.
Считается, что аппараты с низкой мощностью не позволяют эффективно диагностировать болезни сердечно-сосудистой системы, некоторые заболевания головного мозга, выполнять магнитно-резонансную ангиографию.
АППАРАТЫ МРТ, НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В КОТОРЫХ СОСТАВЛЯЕТ МЕНЕЕ 0,5 ТЕСЛА,
ПОЛУЧИЛИ НАЗВАНИЕ НИЗКОПОЛЬНЫХ.
ДО 1 ТЕСЛА — СРЕДНЕПОЛЬНЫЕ.
1,5 ТЕСЛА — ВЫСОКОПОЛЬНЫЕ.
БОЛЕЕ 1,5 — СВЕРХВЫСОКОПОЛЬНЫЕ
Вместе с тем в открытых источниках встречаются данные, согласно которым томографы до 0,5 Тл полностью отвечают клинико-диагностическим требованиям в 95% всех клинических применений. Для аппаратов 0,5-1,0 Тл этот показатель составляет 97%. Томографы более 1,0 Тл соответствуют всем требованиям, используясь также и в научных исследованиях.
Также сообщается, что между изображениями, полученными на аппаратах мощностью 1,5 и 1 Тл имеется ощутимая разница.
«Хочу пройти исследование на высокопольном томографе»: всегда ли это возможно?
Технически аппараты с высокой напряженностью магнитного поля относятся к так называемым томографам закрытого типа. Это, по сути, сквозная «труба», которая открыта с двух сторон (голова и стопы), но полностью закрыта по периметру пациента.
Затруднения для прохождения процедуры в таком приборе могут возникнуть тогда, когда пациент боится замкнутого пространства. С помощью специальной работы преодолеть этот страх возможно, но удаётся это не всегда.
Читайте материал по теме: Как помочь пациенту, испытывающему страх перед МРТ-диагностикой?
Другой момент, ограничивающий диагностику на высокопольном томографе — большой охват тела пациента. Такое может быть, в частности, при тяжелых степенях ожирения и конституционально крупном телосложении. Хотя многие виды современного оборудования во многих случаях позволяют обследовать таких пациентов, полностью исключить этого нельзя.
Есть ли выход для перечисленных категорий исследуемых? Да. Томографы меньшей мощности — низко- и среднепольные — выпускаются как аппараты открытого типа. Что это значит? В таком томографе пациент лежит на столе, над ним находится еще одна часть установки. По бокам, а также со стороны головы и стоп — свободное пространство.
В ряде случаев аппараты такого типа также используются для обследования детей.
«Быстрее. Выше. Сильнее»: куда движется технология МРТ?
Согласно имеющимся данным, созданные на сегодняшний день и широко используемые в клинической практике томографы позволяют решить любую диагностическую задачу — разумеется, в той области, в которой применение принципа МРТ обосновано и целесообразно.
Вместе с тем появляются сообщения о том, что помимо мощных 1,5 и 3-тесловых установок был создан томограф с напряженностью поля в 7 Тл, а несколько месяцев назад в США (Миннесота) анонсирован самый «сильный» на сегодняшний день аппарат в 10,5 Тл.
Читайте материал по теме: Когда необходима позитронно-эмиссионная томография?
Но «если звезды зажигают — значит это кому-нибудь нужно»? По-видимому, да. Однако существует мнение, что в целом безопасный для организма человека метод магнитно-резонансной томографии безопасен до уровня 2-2,5 Тл, а всё, что выше, предназначено для исследовательских целей. Если так, то как объяснить, что 7-тесловый аппарат уже одобрен для клинического применения Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA, США)? Чем объясняется «гонка» мощностей — даже если с помощью таких приборов можно будет «увидеть невидимое»?
Прогресс = новые вопросы
Технология МРТ поступательно развивается. На сегодняшний день имеются аппараты разных мощностей и типов.
Как сориентироваться в том, какой аппарат и «сколько тесла» подойдет именно вам? Действительно ли разница в мощности МРТ (будь то маломощные аппараты или томографы, 1,5, 3 и 7 Тесла) имеет клиническое значение? Можно ли у нас в стране сделать МРТ с наиболее высокими показателями мощности, применяющимися на сегодняшний день в клинической практике? Кто принимает окончательное решение в вопросе мощности и типа прибора в каждом конкретном случае? И что делать, если есть ограничения для прохождения диагностики в высокопольном томографе?
Помочь разобраться в этих вопросах мы попросили кандидата медицинских наук, специалиста в области лучевой диагностики, члена правления группы медицинских компаний «Эксперт», директора «Института Эксперт» Андрея Владимировича Коробова.
Ответ:
Получение простых ответов на сложные вопросы – любой из нас готов к приобретению таких возможностей. При этом, сама формулировка запроса подразумевает принятие выбора на стороне пациента. Тогда как сложность и глубина физики процесса получения МРТ-изображения исключает возможность эффективного принятия решения по выбору места где делать исследование по такому, казалось бы простому и понятному параметру, как напряженность магнитного поля.
Без специальных глубоких знаний как в клинических, патофизиологических, патоморфологических процессах, так и в диагностических возможностях визуализации того или иного конкретного оборудования принять такое решение невозможно. Индивидуальные особенности обследуемого также могут иметь критические значения для возможности проведения исследования. Всё это накладывает особую ответственность на врача, принимающего решение и осуществляющего выбор.
БЕЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗНАНИЙ КАК В КЛИНИЧЕСКИХ,
ПАТОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ, ПАТОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ,
ТАК И В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЯХ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
ТОГО ИЛИ ИНОГО КОНКРЕТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ПРИНЯТЬ РЕШЕНИЕ О ТОМ, АППАРАТ
КАКОЙ ИМЕННО МОЩНОСТИ ПОДОЙДЁТ, НЕВОЗМОЖНО
Приверженцы классического подхода к проведению диагностического процесса утверждают финальную роль в принятии решения за врачом-клиницистом, который, в идеальной картине мира, делает назначение и выписывает направление на исследование, определяя, в том числе и вид МРТ диагностической процедуры и место (или несколько мест при их равнозначности по его представлениям) проведения обследования.
Проблемой является тот факт, что, получая высокую квалификацию в той или иной специальности, врач, зачастую, лишен возможности получать самую современную информацию в смежных областях медицины, какой может являться, в частности, МРТ-диагностика, которые развиваются настолько динамично, что специализированная популяризация отстаёт от реального осуществления их возможностей. Именно поэтому, наиболее эффективной в принятии решения по виду и по месту проведения МРТ обследования является связка как врача-клинициста, знающего и понимающего все нюансы того или иного предполагаемого к уточнению патологического процесса, так и врача-рентгенолога, располагающего сведениями о всех возможностях того или иного конкретного аппаратного комплекса.
НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНОЙ В ПРИНЯТИИ РЕШЕНИЯ
ПО ВИДУ И ПО МЕСТУ ПРОВЕДЕНИЯ
МРТ-ОБСЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ
СВЯЗКА ВРАЧА-КЛИНИЦИСТА И ВРАЧА-РЕНТГЕНОЛОГА
В случае настойчивого желания пациента принять решение по выбору самостоятельно, следует помнить, что эффективные возможности низкопольных (ниже 1 Тл) систем фокусируются на рутинном сканировании неподвижных органов и структур, каковыми были и остаются такие классические для применения МРТ-области сканирования, как головной мозг, позвоночник, крупные суставы. При любом предположении о возможном усложнении диагностической ситуации следует сделать выбор в сторону проведения исследования на оборудовании с напряжённостью магнитного поля 1 Тл и выше.
Хотя и из этого правила есть исключения, потому что на открытых низкопольных системах с поперечным направлением магнитного поля относительно продольной оси тела человека, получаемые изображения ничуть не уступают изображениям, полученным на аппаратах с напряжённостью магнитного поля 1 Тл и выше.
Читайте материал по теме: Чем отличаются открытый и закрытый томографы?
Также следует учитывать тот факт, что независимо от напряжённости магнитного поля аппарата, самостоятельное приятие решение о проведении обследования пациентом максимально, что может гарантировать, это пусть высокотехнологичное, но всё-таки скрининговое, «обзорное», «поисковое» исследование без фокусировки внимания врача-рентгенолога на возможных существенных деталях клинической картины патологического процесса и без применения специализированных, необходимых именно при этих проявлениях возможного заболевания технических и технологических возможностей сканирования, что формирует безусловный риск неумышленного пропуска той или иной патологии.
САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ПРИЯТИЕ ПАЦИЕНТОМ
РЕШЕНИЯ О ПРОВЕДЕНИИ ОБСЛЕДОВАНИЯ МАКСИМАЛЬНО,
ЧТО МОЖЕТ ГАРАНТИРОВАТЬ, ЭТО ПУСТЬ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОЕ,
НО ВСЁ-ТАКИ СКРИНИНГОВОЕ,
«ОБЗОРНОЕ», «ПОИСКОВОЕ» ИССЛЕДОВАНИЕ
Именно поэтому, какое бы уникальное техническое МРТ-оснащение современная медицина не представляла, максимально эффективное его использование возможно лишь в применении связки врача-клинициста и врача-рентгенолога для принятия решения о проведении того или иного диагностического обследования.